Kubernetes简介

K8S概念和特性

部署发展历程

我们的项目部署也在经历下面的这样一个历程

传统部署 -> 虚拟化部署时代 -> 容器部署时代

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  • 物理机部署时代：在早期架构中，应用直接运行在物理服务器上，每台机器通常只承载一个核心业务以避免冲突。这种方式虽然性能最好，但资源利用率极低，且缺乏隔离机制，应用之间容易相互影响，扩容只能依赖增加物理设备，成本高且不具备弹性
  • 虚拟机部署时代：为了解决资源利用率和隔离问题，引入了虚拟化技术，通过 Hypervisor 在一台物理机上运行多个虚拟机，每个虚拟机拥有独立的操作系统，实现了较强的隔离性和更高的资源利用率。但虚拟机本身较为笨重，启动慢、资源开销大，仍然存在一定程度的资源浪费。
  • 容器部署时代：容器通过共享宿主机内核，利用 Namespace 和 Cgroups 实现进程级的隔离与资源控制，相比虚拟机更加轻量，启动速度快、部署效率高，并具备良好的可移植性。但当容器规模扩大后，管理、调度、网络和故障恢复等问题变得复杂，因此需要 Kubernetes 这样的编排系统来进行统一管理。
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传统物理机部署存在资源利用率低和无法隔离的问题
→ 引入虚拟化，提高资源利用率并实现隔离
→ 但虚拟机过重，启动慢、资源浪费
→ 引入容器，基于内核实现轻量级隔离
→ 但容器数量增加后，管理复杂度爆炸
→ Kubernetes 诞生，用于容器编排和自动化管理

容器的优势，本质可以收敛为4类：

  • 标准化交付（最核心）:容器将应用及其依赖打包成镜像，实现“一次构建，到处运行”，保证开发、测试、生产环境一致。
  • 轻量高效:容器共享宿主机内核，无需完整操作系统，资源开销小，启动速度快，可以实现高密度部署。
  • 易于自动化（DevOps核心）:容器镜像具有不可变性，支持版本化管理，可以方便地进行持续集成、持续部署和快速回滚。
  • 架构演进支撑（微服务）:容器为微服务架构提供了良好的运行和交付基础，使应用可以拆分为多个独立服务并灵活部署。
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容器之所以流行，主要得益于以下几个方面：
首先，容器通过镜像实现应用及其依赖的标准化封装，保证了环境一致性和跨平台可移植性；
其次，容器基于共享内核实现轻量化运行，启动速度快、资源利用率高；
同时，容器镜像具有不可变性，天然支持 CI/CD 流程，便于持续交付和快速回滚；
最后，容器为微服务架构提供了良好的支撑，使应用可以以更灵活的方式进行拆分和部署。

K8S概述

Kubernetes（简称 K8s）是一个开源的容器编排平台，用于自动化管理多主机上的容器化应用。 它通过声明式的方式，对应用的部署、扩缩容、更新和故障恢复进行统一管理，使容器集群的运维自动化。

相比传统基于脚本或虚拟机的部署方式，Kubernetes 将应用运行环境与底层基础设施解耦，通过容器实现轻量化和可移植性，同时通过编排能力解决容器规模化后的调度、网络和管理问题。

在 Kubernetes 中，多个容器会被组织成一个最小调度单位（Pod），以更好地进行管理和服务发现。

Kubernetes 的核心能力包括自动部署、自动扩缩容、自愈能力、服务发现与负载均衡，以及滚动更新与回滚。

K8S功能

① 调度能力（Scheduling）

自动将 Pod 分配到合适的节点运行

② 自愈能力（Self-healing）

自动修复异常状态，使系统始终接近期望状态

③ 自动扩缩容（Scaling）

根据负载动态调整 Pod 数量（HPA）

④ 服务发现与负载均衡

通过 Service 和 Ingress 实现访问和流量分发

⑤ 应用发布能力

支持滚动更新、灰度发布、版本回滚

⑥ 配置与存储管理

提供 ConfigMap、Secret、PV/PVC 管理配置和数据

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Kubernetes 提供了一系列核心能力，用于实现容器化应用的自动化运维。
首先，Kubernetes 具备调度能力，可以根据资源情况自动将 Pod 分配到合适的节点运行；
其次，通过自愈机制，系统可以自动恢复异常状态，例如 Pod 重建、节点故障迁移等；
同时，Kubernetes 支持基于负载的自动扩缩容，实现资源的动态调整；
在网络方面，通过 Service 和 Ingress 提供服务发现和负载均衡能力；
在应用发布方面，支持滚动更新和版本回退，保证业务无中断升级；
此外，Kubernetes 还提供配置管理（ConfigMap、Secret）和存储编排（PV/PVC），满足有状态应用的需求。

K8S架构组件

完整架构图

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Kubernetes 架构组成

Kubernetes 集群由控制平面（Control Plane）和工作节点（Node）组成。

控制平面（Control Plane）/master节点架构图

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Node节点架构图

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k8s 集群控制节点，对集群进行调度管理，接受集群外用户去集群操作请求；

  • 控制平面（Control Plane）

    负责整个集群的管理和调度，是集群的大脑。

    • API Server 集群的统一入口，所有组件都通过它进行通信，负责请求处理、认证授权以及数据存储交互。
    • etcd 分布式键值存储，用于保存集群的所有状态数据，是集群的“数据库”。
    • Scheduler 负责 Pod 的调度，根据资源情况和调度策略选择合适的 Node。
    • Controller Manager 通过控制循环（Control Loop）不断将当前状态调整为期望状态，例如副本数控制、节点故障处理等。

  • 工作节点（Node）

    负责运行实际的应用容器。

    • kubelet 运行在每个节点上的代理，负责与 API Server 通信，并管理本节点上的 Pod 生命周期。
    • kube-proxy 负责网络转发，实现 Service 的负载均衡（基于 iptables 或 IPVS）。
    • Container Runtime 容器运行时（如 containerd），负责容器的创建和运行。

    可选组件

    • Fluentd / 日志系统 用于日志采集与集中管理（非核心组件）

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K8S核心概念

Kubernetes 通过一系列核心对象来管理容器化应用，这些对象可以分为运行、控制、访问和管理几个层面。

Pod（最小运行单元）

  • Kubernetes 中最小的调度单位
  • 由一个或多个容器组成
  • 共享网络和存储
  • 本身是短暂的，但在 Controller 管理下可自动恢复

Volume（存储）

  • 为 Pod 提供数据持久化能力
  • 可以挂载到多个容器
  • 支持本地、网络和云存储

Controller（控制器）

  • 用于维持资源的期望状态（Control Loop）

    常见类型：

    • Deployment（无状态应用）
    • StatefulSet（有状态应用）
    • DaemonSet（每节点一个）
    • Job / CronJob（任务）

Deployment（最常用控制器）

  • 管理 Pod 副本数量
  • 支持滚动更新和版本回滚
  • 通过 ReplicaSet 间接管理 Pod

Service（服务）

  • 通过 Label 选择一组 Pod
  • 提供稳定访问地址
  • 实现服务发现和负载均衡

Label（标签）

  • 用于标识资源对象
  • 是 Kubernetes 进行调度、选择和管理的核心机制

Namespace（命名空间）

  • 提供集群内的逻辑隔离
  • 支持资源配额与访问控制

API（接口）

  • Kubernetes 是一个 API 驱动系统
  • 所有操作都通过 API Server 完成

Pod 为什么存在？为什么不是直接用容器？

Kubernetes 不直接调度容器，而是通过 Pod 作为最小调度单位，将一组强相关的容器封装在一起，使它们共享网络、存储和生命周期，从而解决多容器协同运行的问题。