Kubernetes (K8S) 最全图文总结
一、Kubernetes 简介
1.1 容器化技术背景
在云计算时代，应用程序的部署和管理面临诸多挑战，传统的虚拟机（VM）技术虽然提供了一定的隔离性，但资源占用大、启动速度慢。容器化技术应运而生，它以轻量级、高效的方式实现应用程序及其依赖项的打包和隔离。
Docker 作为容器化技术的典型代表，允许开发者将应用程序和其运行环境打包成一个可移植的镜像，确保应用在不同环境中 “一次构建，到处运行”。例如，将一个基于 Python Flask 框架的 Web 应用打包成 Docker 镜像，包含 Python 运行时环境、Flask 库以及应用代码，在任何支持 Docker 的环境中都能稳定运行。
然而，当大量容器需要进行管理、调度和扩展时，Docker 自身的管理能力显得捉襟见肘，Kubernetes 便在这样的背景下诞生。
1.2 Kubernetes 的定义与优势
Kubernetes（简称 K8S）是一个开源的容器编排平台，用于自动化部署、扩展和管理容器化应用程序。它提供了一套完整的解决方案，能够高效地管理和调度集群中的容器，实现应用的高可用性、弹性伸缩和资源优化。
Kubernetes 的优势主要体现在以下几个方面：
自动化部署：通过定义声明式配置文件（如 YAML 格式），Kubernetes 可以自动将应用程序部署到集群中指定的节点上，无需手动逐个部署容器。
弹性伸缩：根据应用程序的负载情况，Kubernetes 能够自动调整运行的容器数量。例如，当网站访问量激增时，Kubernetes 可以自动创建更多的容器实例来处理请求，而在访问量下降时，自动减少容器数量以节省资源。
服务发现与负载均衡：Kubernetes 为容器化应用提供了服务发现机制，使得应用之间可以通过服务名称进行通信，而无需关注具体的 IP 地址。同时，它还内置了负载均衡功能，能够将请求均匀地分发到多个容器实例上，提高应用的性能和可用性。
自愈能力：如果某个容器或节点出现故障，Kubernetes 会自动检测并重新调度应用到其他健康的节点上，确保应用始终处于运行状态。
1.3 Kubernetes 的应用场景
Kubernetes 的应用场景非常广泛，涵盖了互联网、金融、医疗、教育等多个行业：
微服务架构：Kubernetes 是实现微服务架构的理想平台，它能够轻松管理大量的微服务容器，实现服务的自动化部署、扩展和通信。
持续集成与持续交付（CI/CD）：结合 Jenkins、GitLab CI/CD 等工具，Kubernetes 可以构建高效的 CI/CD 流水线，实现代码的快速部署和迭代。
大数据与人工智能：在大数据处理和人工智能训练场景中，Kubernetes 可以有效地管理和调度计算资源，提高任务的执行效率。
多租户环境：Kubernetes 支持多租户模式，能够为不同的租户提供隔离的资源和环境，适用于云服务提供商和企业内部的多部门协作。
二、Kubernetes 核心概念
2.1 集群（Cluster）
Kubernetes 集群是由多个节点（Node）组成的集合，用于运行容器化应用程序。一个完整的 Kubernetes 集群通常包含控制平面（Control Plane）和工作节点（Worker Node）。
2.1.1 控制平面
控制平面负责管理和控制整个集群，它由多个组件组成：
etcd：一个高可靠的分布式键值存储系统，用于保存集群的配置信息和状态数据。
API Server：Kubernetes 集群的入口，负责接收和处理来自客户端的请求，并与其他组件进行通信。所有对集群的操作（如创建、更新、删除资源等）都通过 API Server 进行。
Scheduler：负责将新创建的 Pod 调度到合适的工作节点上。它会根据节点的资源情况、Pod 的需求以及各种调度策略进行决策。
Controller Manager：负责管理集群中的各种控制器，如 Node Controller、Replication Controller、Deployment Controller 等。这些控制器通过监控集群状态并进行相应的调整，确保集群始终处于期望的状态。
2.1.2 工作节点
工作节点是实际运行容器化应用的地方，每个工作节点上都运行着以下组件：
Kubelet：工作节点上的代理，负责与控制平面通信，接收并执行 Pod 的创建、删除等操作，同时监控 Pod 和容器的状态，并将状态信息上报给控制平面。
Container Runtime：用于运行容器的软件，常见的有 Docker、containerd 等。Kubelet 通过调用 Container Runtime 来创建和管理容器。
Kube Proxy：负责为 Pod 提供网络代理和负载均衡功能，确保 Pod 之间以及 Pod 与外部服务之间的通信正常。
2.2 Pod
Pod 是 Kubernetes 中最小的可部署和可管理的计算单元，它是一个或多个紧密相关的容器的集合。这些容器共享网络命名空间、存储卷等资源，可以在同一个工作节点上协同工作。
例如，一个 Web 应用的 Pod 可能包含一个运行 Web 服务器的容器和一个运行数据库连接池的容器，它们通过共享的网络命名空间进行通信。
每个 Pod 都有自己唯一的 IP 地址，在集群内部，Pod 之间可以通过 IP 地址直接通信。同时，Kubernetes 为 Pod 提供了生命周期管理，包括创建、运行、重启、删除等操作。
2.3 控制器（Controller）
控制器是 Kubernetes 中用于管理 Pod 的资源对象，它通过监控 Pod 的实际状态，并与期望状态进行比较，来确保 Pod 始终处于正确的运行状态。常见的控制器类型有：
Deployment：最常用的控制器之一，用于管理无状态应用程序的部署和更新。通过 Deployment，可以轻松实现滚动更新、回滚等操作，确保应用程序的升级过程平滑且可回滚。
StatefulSet：用于管理有状态应用程序，如数据库等。它能够保证 Pod 的顺序性和唯一性，为每个 Pod 分配固定的存储和网络标识，确保有状态应用的状态能够正确保存和恢复。
DaemonSet：确保集群中的每个节点（或符合特定条件的节点）上都运行一个 Pod 副本。常用于部署系统监控、日志收集等需要在每个节点上运行的服务。
Job：用于执行一次性的任务，如数据备份、批量处理等。当任务完成后，Job 会自动删除对应的 Pod。
CronJob：基于时间调度的 Job，类似于 Linux 系统中的 Cron 任务。可以按照指定的时间周期（如每分钟、每小时、每天等）运行任务。
2.4 服务（Service）
在 Kubernetes 集群中，Pod 的 IP 地址是动态分配的，当 Pod 被重新调度或删除重建时，其 IP 地址会发生变化。这就导致其他 Pod 无法通过固定的 IP 地址与目标 Pod 进行通信。服务（Service）就是为了解决这个问题而引入的概念。
Service 是一个抽象层，它定义了一组 Pod 的逻辑集合，并为这些 Pod 提供了一个固定的访问入口。Service 通过标签选择器（Label Selector）来选择与之关联的 Pod，当 Pod 的 IP 地址发生变化时，Service 会自动更新其内部的端点（Endpoint）列表，确保流量能够正确地转发到目标 Pod。
Service 有多种类型，包括 ClusterIP、NodePort、LoadBalancer 和 ExternalName 等：
ClusterIP：默认的服务类型，它为服务分配一个集群内部的虚拟 IP 地址，只能在集群内部通过该 IP 地址进行访问。
NodePort：在 ClusterIP 的基础上，将服务映射到集群中每个节点的一个随机端口上，外部可以通过节点的 IP 地址和该端口访问服务。
LoadBalancer：适用于云环境，它会自动创建一个外部负载均衡器，并将服务暴露到互联网上。不同的云提供商对 LoadBalancer 的实现方式有所不同。
ExternalName：通过将服务映射到一个 DNS 名称，而不是实际的 Pod，用于将集群外部的服务引入到集群内部进行访问。
2.5 存储（Storage）
在 Kubernetes 中，容器的存储管理至关重要。Pod 中的容器可能需要持久化存储数据，例如数据库容器需要保存数据文件，日志收集容器需要存储日志文件等。Kubernetes 提供了多种存储解决方案：
Volume：Volume 是 Pod 中可以被多个容器访问的共享目录，它的生命周期与 Pod 相同。常见的 Volume 类型有 emptyDir（临时存储，Pod 删除时数据丢失）、hostPath（挂载宿主机目录）、NFS（挂载 NFS 服务器上的目录）等。
PersistentVolume（PV）：PersistentVolume 是集群中已存在的一块存储资源，它可以是 NFS、Ceph 等存储系统中的一部分。PV 是独立于 Pod 的资源，管理员可以提前创建好 PV，供 Pod 使用。
PersistentVolumeClaim（PVC）：PersistentVolumeClaim 是用户对存储资源的请求，它向集群申请一定大小和访问模式（如 ReadWriteOnce、ReadOnlyMany、ReadWriteMany）的存储。Kubernetes 会根据 PVC 的要求，将合适的 PV 绑定给 PVC，然后 Pod 可以通过 PVC 来使用 PV 提供的存储。
2.6 网络（Network）
Kubernetes 网络模型旨在解决集群中 Pod 之间、Pod 与服务之间以及集群与外部网络之间的通信问题。Kubernetes 对网络有以下要求：
所有 Pod 都可以在不使用 NAT 的情况下与其他 Pod 通信：这意味着每个 Pod 都应该有一个可路由的 IP 地址，并且能够直接与其他 Pod 进行网络通信。
所有节点都可以在不使用 NAT 的情况下与所有 Pod 通信：节点需要能够直接访问 Pod 的 IP 地址，以便进行容器的管理和通信。
Pod 的 IP 地址与节点看到的 IP 地址是相同的：保证 Pod 内部和外部看到的 IP 地址一致，避免网络地址转换带来的问题。
为了满足这些要求，Kubernetes 支持多种网络方案，如 Flannel、Calico、Weave Net 等。这些网络方案通过不同的技术实现 Pod 网络的互联互通，例如 Flannel 通过 VxLAN 技术实现跨节点 Pod 通信，Calico 通过 BGP 路由协议实现网络可达性。
三、Kubernetes 安装与配置
3.1 安装前准备
在安装 Kubernetes 之前，需要进行一些准备工作：
硬件要求：确保控制平面节点和工作节点满足一定的硬件配置要求，如 CPU、内存、磁盘空间等。一般来说，控制平面节点建议至少 2 核 CPU、4GB 内存，工作节点根据实际应用负载进行配置。
操作系统：Kubernetes 支持多种 Linux 操作系统，如 Ubuntu、CentOS 等。建议使用官方推荐的稳定版本的操作系统，并确保系统已更新到最新的安全补丁。
关闭 Swap：为了确保 Kubernetes 的性能和稳定性，需要关闭系统的 Swap 分区。可以通过修改/etc/fstab文件或使用命令swapoff -a临时关闭 Swap。
配置主机名和 hosts 文件：为每个节点设置唯一的主机名，并在所有节点的/etc/hosts文件中添加节点的 IP 地址和主机名映射，确保节点之间能够通过主机名进行通信。
3.2 使用 kubeadm 安装 Kubernetes
kubeadm 是 Kubernetes 官方提供的一种快速、简单的安装工具，它可以帮助用户快速搭建一个 Kubernetes 集群。以下是使用 kubeadm 安装 Kubernetes 的基本步骤：
3.2.1 安装 Docker 或 containerd
Kubernetes 需要容器运行时来运行容器，这里以 Docker 为例：
在 CentOS 系统上安装 Docker：
sudo yum update
sudo yum install -y yum-utils
sudo yum-config-manager --add-repo https://download.docker.com/linux/centos/docker-ce.repo
sudo yum install -y docker-ce docker-ce-cli containerd.io
sudo systemctl start docker
sudo systemctl enable docker
在 Ubuntu 系统上安装 Docker：
sudo apt update
sudo apt install -y apt-transport-https ca-certificates curl gnupg-agent software-properties-common
curl -fsSL https://download.docker.com/linux/ubuntu/gpg | sudo apt-key add -
sudo add-apt-repository "deb [arch=amd64] https://download.docker.com/linux/ubuntu $(lsb_release -cs) stable"
sudo apt update
sudo apt install -y docker-ce docker-ce-cli containerd.io
sudo systemctl start docker
sudo systemctl enable docker
3.2.2 安装 kubeadm、kubelet 和 kubectl
添加 Kubernetes 软件源：
cat < [kubernetes] name=Kubernetes baseurl=https://packages.cloud.google.com/yum/repos/kubernetes-el7-\$basearch enabled=1 gpgcheck=1 repo_gpgcheck=1 gpgkey=https://packages.cloud.google.com/yum/doc/yum-key.gpg https://packages.cloud.google.com/yum/doc/rpm-package-key.gpg exclude=kubelet kubeadm kubectl EOF 安装 kubeadm、kubelet 和 kubectl： sudo yum install -y kubelet kubeadm kubectl --disableexcludes=kubernetes sudo systemctl enable --now kubelet 3.2.3 初始化控制平面 在控制平面节点上执行以下命令初始化集群： sudo kubeadm init --pod-network-cidr=10.244.0.0/16 这里--pod-network-cidr参数指定了 Pod 网络的 IP 地址段，不同的网络方案可能需要不同的 IP 段。初始化完成后，会输出一些配置信息和加入工作节点的命令，需要保存好这些信息。 3.2.4 配置 kubectl 在控制平面节点上，执行以下命令配置 kubectl，以便可以使用 kubectl 命令行工具管理集群： mkdir -p $HOME/.kube sudo cp -i /etc/kubernetes/admin.conf $HOME/.kube/config sudo chown $(id -u):$(id -g) $HOME/.kube/config 3.2.5 加入工作节点 在每个工作节点上，执行控制平面初始化时输出的加入命令，将工作节点加入到集群中： sudo kubeadm join 3.2.6 安装网络插件 Kubernetes 集群初始化完成后，还需要安装网络插件，如 Flannel： kubectl apply -f https://raw.githubusercontent.com/coreos/flannel/master/Documentation/kube-flannel.yml 3.3 其他安装方式 除了使用 kubeadm 安装 Kubernetes 外，还有其他安装方式： 二进制包安装：从 Kubernetes 官方下载二进制包，手动配置和启动各个组件。这种方式灵活性高，但安装和配置过程相对复杂，适合对 Kubernetes 原理有深入了解的用户。 使用云服务提供商的 Kubernetes 服务：如 Google Kubernetes Engine（GKE）、Amazon Elastic Kubernetes Service（EKS）、Azure Kubernetes Service（AKS）等。这些云服务提供了托管的 Kubernetes 集群，用户无需关注集群的安装和运维细节，可以快速创建和使用 Kubernetes 集群。 四、Kubernetes 资源管理 4.1 创建和管理 Pod 4.1.1 使用命令行创建 Pod 可以使用kubectl run命令快速创建一个 Pod。例如，创建一个运行 Nginx 镜像的 Pod： kubectl run nginx-pod --image=nginx 该命令会创建一个名为nginx-pod的 Pod，并使用 Nginx 镜像启动容器。可以使用kubectl get pods命令查看 Pod 的运行状态： kubectl get pods 4.1.2 使用 YAML 文件创建 Pod 更推荐使用 YAML 文件来定义和创建 Pod，这样可以更清晰地描述 Pod 的配置信息。以下是一个使用 YAML 文件创建 Nginx Pod 的示例： apiVersion: v1 kind: Pod metadata: name: nginx-pod labels: app: nginx spec: containers: - name: nginx-container image: nginx ports: - containerPort: 80 将上述内容保存为nginx-pod.yaml文件，然后使用以下命令创建 Pod： kubectl apply -f nginx-pod.yaml 4.1.3 查看和管理 Pod 查看 Pod 详细信息：使用kubectl describe pod 进入 Pod 的容器：使用kubectl exec -it kubectl exec -it nginx-pod -- nginx-container bash 删除 Pod：使用kubectl delete pod 【摩尔狮教育】的独特优势助力解决问题 摩尔狮教育的课程不仅有理论知识和实践方法，还有强大的师资团队和教学服务。在我学习解决Kubernetes课程过程中，老师会结合实际的企业案例进行讲解，让我了解到在真实的工作场景中可能遇到的各种复杂情况。而且，当我在实践中遇到问题时，无论是在学习群里提问，还是预约老师一对一辅导，都能得到及时、专业的解答。 当遇到Kubernetes学习过程中出现疑问时，不要慌张。借助在摩尔狮教育学到的知识和技能，从理论分析到实践排查，多维度入手，就能精准定位并解决问题。如果你也想掌握这些实用的网络技术，不妨来摩尔狮教育学习，开启你的技术提升之旅！