Kubernetes 简介：容器编排器

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1~
2如果您在软件开发领域工作，您肯定听说过 Kubernetes。但它到底是什么，为什么它已成为管理容器化应用程序的事实标准？本指南将带您从基础知识到核心概念，并提供实际示例和图表以帮助您理解。
3~
4## Kubernetes 之前：简要历史
5~
6要理解为什么 Kubernetes 如此具有革命性，让我们先回顾一下。
7~
81.  **传统部署**：最初，应用程序在物理服务器上运行。这种方法成本高昂，难以扩展，且容易出现资源冲突。
92.  **虚拟化部署**：然后出现了虚拟机（VM）。VM 允许在同一硬件上运行多个隔离的应用程序，从而提高了资源利用率和安全性。然而，每个 VM 都运行一个完整的操作系统，消耗大量资源。
103.  **容器化部署**：容器（如 Docker）是下一个演进。它们共享相同的主机操作系统，但运行隔离的进程。它们轻量、启动快且可移植。
11~
12容器解决了可移植性问题，但又带来了另一个问题：如何在生产环境中管理成百上千个容器？如何确保它们始终在运行，能够相互通信，并根据负载进行扩展？
13~
14**Kubernetes** 正是为此而生。
15~
16## 什么是 Kubernetes？
17~
18Kubernetes（通常缩写为 **K8s**）是一个用于容器编排的开源平台。简单来说，它自动化了容器化应用程序的部署、扩展和管理。由 Google 创建，现在由云原生计算基金会（CNCF）维护，Kubernetes 已成为任何大规模使用微服务的人的首选工具。
19~
20## Kubernetes 集群的架构
21~
22Kubernetes 环境被称为**集群**。集群由一组称为**节点**的计算机组成，这些节点运行我们的应用程序。该架构分为两个主要部分：控制平面和工作节点。
23~
24```mermaid
25graph TD
26    subgraph "控制平面 (Master)"
27        A["API 服务器"]
28        B["etcd"]
29        C["调度器"]
30        D["控制器管理器"]
31    end
32~
33    subgraph "工作节点 1"
34        E["Kubelet"] --- F["容器运行时"]
35        G["Kube-proxy"]
36        F --- H["Pod"]
37        F --- I["Pod"]
38    end
39~
40    subgraph "工作节点 2"
41        J["Kubelet"] --- K["容器运行时"]
42        L["Kube-proxy"]
43        K --- M["Pod"]
44    end
45~
46    A -- "通信" --> E
47    A -- "通信" --> J
48    User -- "kubectl" --> A
49    C -- "将 Pod 分配给节点" --> E
50    D -- "维护状态" --> A
51    A -- "保存/读取状态" --> B
52```
53~
54### 控制平面
55~
56控制平面是集群的“大脑”。它做出全局决策（如调度），并检测和响应集群事件。其主要组件包括：
57~
58-   **API 服务器 (`kube-apiserver`)**：它是集群的网关。它暴露了 Kubernetes API，用户（通过 `kubectl`）、集群组件和外部工具都使用它进行通信。
59-   **etcd**：一个一致且高可用的键值数据库。它存储所有集群数据，代表了系统的期望状态和当前状态。
60-   **调度器 (`kube-scheduler`)**：将新创建的 Pod 分配给可用的工作节点，同时考虑资源需求、策略和其他约束。
61-   **控制器管理器 (`kube-controller-manager`)**：运行控制器，这些控制器是监视集群状态并努力使其达到期望状态的控制循环。例如，`Node Controller` 管理节点，而 `Replication Controller` 确保运行正确数量的 Pod。
62~
63### 工作节点
64~
65工作节点是实际运行应用程序的机器（物理或虚拟）。每个节点都由控制平面管理，并包含以下组件：
66~
67-   **Kubelet**：在每个节点上运行的代理。它确保 Pod 中描述的容器正在运行且健康。
68-   **Kube-proxy**：一个网络代理，用于管理节点上的网络规则。它允许从集群内部或外部的网络会话与 Pod 进行网络通信。
69-   **容器运行时**：负责运行容器的软件。Docker 是最著名的，但 Kubernetes 也支持其他运行时，如 `containerd` 和 `CRI-O`。
70~
71## 基本的 Kubernetes 对象
72~
73在 Kubernetes 中，一切都由**对象**表示。这些对象是“意图记录”：一旦创建了一个对象，Kubernetes 就会不断努力确保它存在并与期望状态匹配。
74~
75以下是最重要的几个：
76~
77### Pod
78~
79**Pod** 是 Kubernetes 中最小的执行单元。它代表一个或多个在同一节点上一起运行的容器，共享网络和存储等资源。
80~
81通常，每个 Pod 只运行一个容器，但在高级场景中（如用于日志记录或监控的“sidecar 容器”），可以有多个。
82~
83您几乎从不直接创建 Pod。您会使用更高级别的抽象，如 Deployment。
84~
85### Deployment
86~
87**Deployment** 是您最常使用的对象。它描述了一组相同 Pod 的期望状态。Deployment 控制器负责：
88~
89-   创建和管理一个 **ReplicaSet**（另一个对象，确保始终运行特定数量的 Pod 副本）。
90-   **扩展** Pod 的数量（增加或减少）。
91-   以受控方式管理应用程序**更新**（例如，*滚动更新*），而不会停机。
92~
93这是一个运行 3 个 NGINX 服务器副本的 Deployment 的 YAML 文件示例：
94~
95```yaml
96# nginx-deployment.yaml
97apiVersion: apps/v1
98kind: Deployment
99metadata:
100  name: nginx-deployment
101spec:
102  replicas: 3
103  selector:
104    matchLabels:
105      app: nginx
106  template:
107    metadata:
108      labels:
109        app: nginx
110    spec:
111      containers:
112      - name: nginx
113        image: nginx:1.14.2
114        ports:
115        - containerPort: 80
116```
117~
118### Service
119~
120Kubernetes 中的 Pod 是短暂的：它们可以随时被创建和销毁。每个 Pod 都有自己的 IP 地址，但这个 IP 地址并不稳定。那么，我们如何可靠地暴露我们的应用程序呢？
121~
122通过 **Service**。Service 是一个抽象，它定义了一组逻辑上的 Pod 和访问它们的策略。它为一组 Pod 提供了一个**稳定的接入点**（一个虚拟 IP 地址和一个 DNS 名称）。
123~
124```mermaid
125graph TD
126    subgraph "Service (nginx-service)"
127        A["ClusterIP: 10.96.0.10"]
128    end
129~
130    subgraph "Pods"
131        B("Pod 1 - IP: 192.168.1.2")
132        C("Pod 2 - IP: 192.168.1.3")
133        D("Pod 3 - IP: 192.168.1.4")
134    end
135~
136    A -- "Selector: app=nginx" --> B
137    A -- "Selector: app=nginx" --> C
138    A -- "Selector: app=nginx" --> D
139~
140    Client -- "请求 nginx-service" --> A
141```
142~
143Service 使用基于`标签`的 `selector` 来查找应将流量转发到的 Pod。
144~
145以下是如何为我们的 NGINX Deployment 创建一个 Service：
146~
147```yaml
148# nginx-service.yaml
149apiVersion: v1
150kind: Service
151metadata:
152  name: nginx-service
153spec:
154  selector:
155    app: nginx
156  ports:
157    - protocol: TCP
158      port: 80
159      targetPort: 80
160  type: ClusterIP # 默认 - 仅在集群内部暴露服务
161```
162~
163有不同类型的 Service：
164- `ClusterIP`：在集群内部 IP 上暴露服务（默认）。
165- `NodePort`：在每个工作节点的静态端口上暴露服务。
166- `LoadBalancer`：在云提供商（如 AWS、GCP）中创建一个外部负载均衡器，并为服务分配一个公共 IP。
167~
168### Ingress
169~
170`LoadBalancer` 类型的 Service 很棒，但为每个服务都创建一个可能成本高昂。要向外部世界暴露多个 HTTP/HTTPS 服务，您可以使用 **Ingress**。
171~
172Ingress 充当外部流量的“智能路由器”。它允许您根据主机（例如 `api.mysite.com`）或路径（例如 `mysite.com/api`）定义路由规则。
173~
174```mermaid
175graph LR
176    User -- "mysite.com/api" --> Ingress
177    User -- "mysite.com/ui" --> Ingress
178~
179    subgraph "Cluster"
180        Ingress -- "/api" --> ServiceA("api-service")
181        Ingress -- "/ui" --> ServiceB("ui-service")
182~
183        ServiceA --> PodA1("API Pod 1")
184        ServiceA --> PodA2("API Pod 2")
185~
186        ServiceB --> PodB1("UI Pod 1")
187        ServiceB --> PodB2("UI Pod 2")
188    end
189```
190~
191以下是一个 Ingress 的示例：
192```yaml
193# example-ingress.yaml
194apiVersion: networking.k8s.io/v1
195kind: Ingress
196metadata:
197  name: example-ingress
198spec:
199  rules:
200  - host: mysite.com
201    http:
202      paths:
203      - path: /api
204        pathType: Prefix
205        backend:
206          service:
207            name: api-service
208            port:
209              number: 8080
210      - path: /ui
211        pathType: Prefix
212        backend:
213          service:
214            name: ui-service
215            port:
216              number: 3000
217```
218~
219### 其他有用的对象
220~
221-   **Namespace**：允许您在物理集群内创建“虚拟集群”。用于隔离环境（例如 `development`、`staging`、`production`）或团队。
222-   **ConfigMap 和 Secret**：用于管理与容器镜像分离的配置数据和机密（如密码或 API 密钥）。
223-   **StatefulSet**：类似于 Deployment，但专门用于需要稳定网络标识和持久存储的有状态应用程序（如数据库）。
224-   **PersistentVolume (PV) 和 PersistentVolumeClaim (PVC)**：用于管理集群中的持久存储。
225~
226## 结论
227~
228Kubernetes 是一个非常强大的工具，但其学习曲线可能很陡峭。本指南只是浅尝辄止，但我们希望它能让您对基本概念有一个扎实的理解。
229~
230**接下来做什么？**
231- **在本地进行实验**：安装 [Minikube](https://minikube.sigs.k8s.io/docs/start/) 或 [Kind](https://kind.sigs.k8s.io/docs/user/quick-start/) 在您的计算机上创建一个 Kubernetes 集群。
232- **使用 `kubectl`**：熟悉 `kubectl` 命令，这是您与集群交互的主要工具。尝试创建本文中的 NGINX Deployment 和 Service。
233- **探索官方教程**：[Kubernetes 文档](https://kubernetes.io/docs/tutorials/) 是一个充满示例的绝佳资源。
234~
235容器编排是云原生世界中的一项基本技能，掌握 Kubernetes 将为您打开一个充满可能性的世界。玩得开心！

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2如果您在软件开发领域工作，您肯定听说过 Kubernetes。但它到底是什么，为什么它已成为管理容器化应用程序的事实标准？本指南将带您从基础知识到核心概念，并提供实际示例和图表以帮助您理解。

4## Kubernetes 之前：简要历史

6要理解为什么 Kubernetes 如此具有革命性，让我们先回顾一下。

81. **传统部署**：最初，应用程序在物理服务器上运行。这种方法成本高昂，难以扩展，且容易出现资源冲突。

92. **虚拟化部署**：然后出现了虚拟机（VM）。VM 允许在同一硬件上运行多个隔离的应用程序，从而提高了资源利用率和安全性。然而，每个 VM 都运行一个完整的操作系统，消耗大量资源。

103. **容器化部署**：容器（如 Docker）是下一个演进。它们共享相同的主机操作系统，但运行隔离的进程。它们轻量、启动快且可移植。

11~

12容器解决了可移植性问题，但又带来了另一个问题：如何在生产环境中管理成百上千个容器？如何确保它们始终在运行，能够相互通信，并根据负载进行扩展？

13~

14**Kubernetes** 正是为此而生。

15~

16## 什么是 Kubernetes？

17~

18Kubernetes（通常缩写为 **K8s**）是一个用于容器编排的开源平台。简单来说，它自动化了容器化应用程序的部署、扩展和管理。由 Google 创建，现在由云原生计算基金会（CNCF）维护，Kubernetes 已成为任何大规模使用微服务的人的首选工具。

19~

20## Kubernetes 集群的架构

21~

22Kubernetes 环境被称为**集群**。集群由一组称为**节点**的计算机组成，这些节点运行我们的应用程序。该架构分为两个主要部分：控制平面和工作节点。

23~

24```mermaid

25graph TD

26 subgraph "控制平面 (Master)"

27 A["API 服务器"]

28 B["etcd"]

29 C["调度器"]

30 D["控制器管理器"]

31 end

32~

33 subgraph "工作节点 1"

34 E["Kubelet"] --- F["容器运行时"]

35 G["Kube-proxy"]

36 F --- H["Pod"]

37 F --- I["Pod"]

38 end

39~

40 subgraph "工作节点 2"

41 J["Kubelet"] --- K["容器运行时"]

42 L["Kube-proxy"]

43 K --- M["Pod"]

44 end

45~

46 A -- "通信" --> E

47 A -- "通信" --> J

48 User -- "kubectl" --> A

49 C -- "将 Pod 分配给节点" --> E

50 D -- "维护状态" --> A

51 A -- "保存/读取状态" --> B

52```

53~

54### 控制平面

55~

56控制平面是集群的“大脑”。它做出全局决策（如调度），并检测和响应集群事件。其主要组件包括：

57~

58- **API 服务器 (`kube-apiserver`)**：它是集群的网关。它暴露了 Kubernetes API，用户（通过 `kubectl`）、集群组件和外部工具都使用它进行通信。

59- **etcd**：一个一致且高可用的键值数据库。它存储所有集群数据，代表了系统的期望状态和当前状态。

60- **调度器 (`kube-scheduler`)**：将新创建的 Pod 分配给可用的工作节点，同时考虑资源需求、策略和其他约束。

61- **控制器管理器 (`kube-controller-manager`)**：运行控制器，这些控制器是监视集群状态并努力使其达到期望状态的控制循环。例如，`Node Controller` 管理节点，而 `Replication Controller` 确保运行正确数量的 Pod。

62~

63### 工作节点

64~

65工作节点是实际运行应用程序的机器（物理或虚拟）。每个节点都由控制平面管理，并包含以下组件：

66~

67- **Kubelet**：在每个节点上运行的代理。它确保 Pod 中描述的容器正在运行且健康。

68- **Kube-proxy**：一个网络代理，用于管理节点上的网络规则。它允许从集群内部或外部的网络会话与 Pod 进行网络通信。

69- **容器运行时**：负责运行容器的软件。Docker 是最著名的，但 Kubernetes 也支持其他运行时，如 `containerd` 和 `CRI-O`。

70~

71## 基本的 Kubernetes 对象

72~

73在 Kubernetes 中，一切都由**对象**表示。这些对象是“意图记录”：一旦创建了一个对象，Kubernetes 就会不断努力确保它存在并与期望状态匹配。

74~

75以下是最重要的几个：

76~

77### Pod

78~

79**Pod** 是 Kubernetes 中最小的执行单元。它代表一个或多个在同一节点上一起运行的容器，共享网络和存储等资源。

80~

81通常，每个 Pod 只运行一个容器，但在高级场景中（如用于日志记录或监控的“sidecar 容器”），可以有多个。

82~

83您几乎从不直接创建 Pod。您会使用更高级别的抽象，如 Deployment。

84~

85### Deployment

86~

87**Deployment** 是您最常使用的对象。它描述了一组相同 Pod 的期望状态。Deployment 控制器负责：

88~

89- 创建和管理一个 **ReplicaSet**（另一个对象，确保始终运行特定数量的 Pod 副本）。

90- **扩展** Pod 的数量（增加或减少）。

91- 以受控方式管理应用程序**更新**（例如，*滚动更新*），而不会停机。

92~

93这是一个运行 3 个 NGINX 服务器副本的 Deployment 的 YAML 文件示例：

94~

95```yaml

96# nginx-deployment.yaml

97apiVersion: apps/v1

98kind: Deployment

99metadata:

100 name: nginx-deployment

101spec:

102 replicas: 3

103 selector:

104 matchLabels:

105 app: nginx

106 template:

107 metadata:

108 labels:

109 app: nginx

110 spec:

111 containers:

112 - name: nginx

113 image: nginx:1.14.2

114 ports:

115 - containerPort: 80

116```

117~

118### Service

119~

120Kubernetes 中的 Pod 是短暂的：它们可以随时被创建和销毁。每个 Pod 都有自己的 IP 地址，但这个 IP 地址并不稳定。那么，我们如何可靠地暴露我们的应用程序呢？

121~

122通过 **Service**。Service 是一个抽象，它定义了一组逻辑上的 Pod 和访问它们的策略。它为一组 Pod 提供了一个**稳定的接入点**（一个虚拟 IP 地址和一个 DNS 名称）。

123~

124```mermaid

125graph TD

126 subgraph "Service (nginx-service)"

127 A["ClusterIP: 10.96.0.10"]

128 end

129~

130 subgraph "Pods"

131 B("Pod 1 - IP: 192.168.1.2")

132 C("Pod 2 - IP: 192.168.1.3")

133 D("Pod 3 - IP: 192.168.1.4")

134 end

135~

136 A -- "Selector: app=nginx" --> B

137 A -- "Selector: app=nginx" --> C

138 A -- "Selector: app=nginx" --> D

139~

140 Client -- "请求 nginx-service" --> A

141```

142~

143Service 使用基于`标签`的 `selector` 来查找应将流量转发到的 Pod。

144~

145以下是如何为我们的 NGINX Deployment 创建一个 Service：

146~

147```yaml

148# nginx-service.yaml

149apiVersion: v1

150kind: Service

151metadata:

152 name: nginx-service

153spec:

154 selector:

155 app: nginx

156 ports:

157 - protocol: TCP

158 port: 80

159 targetPort: 80

160 type: ClusterIP # 默认 - 仅在集群内部暴露服务

161```

162~

163有不同类型的 Service：

164- `ClusterIP`：在集群内部 IP 上暴露服务（默认）。

165- `NodePort`：在每个工作节点的静态端口上暴露服务。

166- `LoadBalancer`：在云提供商（如 AWS、GCP）中创建一个外部负载均衡器，并为服务分配一个公共 IP。

167~

168### Ingress

169~

170`LoadBalancer` 类型的 Service 很棒，但为每个服务都创建一个可能成本高昂。要向外部世界暴露多个 HTTP/HTTPS 服务，您可以使用 **Ingress**。

171~

172Ingress 充当外部流量的“智能路由器”。它允许您根据主机（例如 `api.mysite.com`）或路径（例如 `mysite.com/api`）定义路由规则。

173~

174```mermaid

175graph LR

176 User -- "mysite.com/api" --> Ingress

177 User -- "mysite.com/ui" --> Ingress

178~

179 subgraph "Cluster"

180 Ingress -- "/api" --> ServiceA("api-service")

181 Ingress -- "/ui" --> ServiceB("ui-service")

182~

183 ServiceA --> PodA1("API Pod 1")

184 ServiceA --> PodA2("API Pod 2")

185~

186 ServiceB --> PodB1("UI Pod 1")

187 ServiceB --> PodB2("UI Pod 2")

188 end

189```

190~

191以下是一个 Ingress 的示例：

192```yaml

193# example-ingress.yaml

194apiVersion: networking.k8s.io/v1

195kind: Ingress

196metadata:

197 name: example-ingress

198spec:

199 rules:

200 - host: mysite.com

201 http:

202 paths:

203 - path: /api

204 pathType: Prefix

205 backend:

206 service:

207 name: api-service

208 port:

209 number: 8080

210 - path: /ui

211 pathType: Prefix

212 backend:

213 service:

214 name: ui-service

215 port:

216 number: 3000

217```

218~

219### 其他有用的对象

220~

221- **Namespace**：允许您在物理集群内创建“虚拟集群”。用于隔离环境（例如 `development`、`staging`、`production`）或团队。

222- **ConfigMap 和 Secret**：用于管理与容器镜像分离的配置数据和机密（如密码或 API 密钥）。

223- **StatefulSet**：类似于 Deployment，但专门用于需要稳定网络标识和持久存储的有状态应用程序（如数据库）。

224- **PersistentVolume (PV) 和 PersistentVolumeClaim (PVC)**：用于管理集群中的持久存储。

225~

226## 结论

227~

228Kubernetes 是一个非常强大的工具，但其学习曲线可能很陡峭。本指南只是浅尝辄止，但我们希望它能让您对基本概念有一个扎实的理解。

229~

230**接下来做什么？**

231- **在本地进行实验**：安装 [Minikube](https://minikube.sigs.k8s.io/docs/start/) 或 [Kind](https://kind.sigs.k8s.io/docs/user/quick-start/) 在您的计算机上创建一个 Kubernetes 集群。

232- **使用 `kubectl`**：熟悉 `kubectl` 命令，这是您与集群交互的主要工具。尝试创建本文中的 NGINX Deployment 和 Service。

233- **探索官方教程**：[Kubernetes 文档](https://kubernetes.io/docs/tutorials/) 是一个充满示例的绝佳资源。

234~

235容器编排是云原生世界中的一项基本技能，掌握 Kubernetes 将为您打开一个充满可能性的世界。玩得开心！