Kubernetes

Kubernetes（K8s）是 Google 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。Kubernetes 提供服务发现、负载均衡、存储编排、自动扩缩容、自愈等功能，是云原生的事实标准。

Kubernetes 的架构

控制平面

控制平面负责集群的决策和响应，管理集群的状态。

API Server：集群的统一入口，处理 REST 请求，验证和配置数据。

Etcd：高可用的键值存储，存储集群的配置和状态数据。

Scheduler：负责调度 Pod 到合适的节点。

Controller Manager：运行控制器，维护集群的期望状态。

Cloud Controller Manager：与云服务商 API 交互，管理云资源。

数据平面

数据平面负责运行容器，由多个节点组成。

Kubelet：节点代理，负责管理 Pod、与 API Server 通信、汇报节点状态。

Kube-proxy：网络代理，负责 Service 的负载均衡和网络代理。

Container Runtime：容器运行时，负责运行容器（containerd、CRI-O）。

Kubernetes 的核心概念

Pod

Pod 是 Kubernetes 的最小调度单位，包含一个或多个容器，共享网络和存储。Pod 内的容器可以通过 localhost 通信，共享存储卷。

Pod 的生命周期：Pending（待调度）、Running（运行中）、Succeeded（成功终止）、Failed（失败终止）、Unknown（状态未知）。

Pod 的重启策略：Always（总是重启）、OnFailure（失败时重启）、Never（不重启）。

Node

Node 是集群的工作节点，运行 Pod。Node 的状态：Ready（就绪）、NotReady（未就绪）、OutOfDisk（磁盘不足）、MemoryPressure（内存压力）、DiskPressure（磁盘压力）、PIDPressure（进程数压力）。

Node 的调度：根据 Pod 的资源请求、节点选择器、亲和性、污点和容忍度，选择合适的节点运行 Pod。

Namespace

Namespace 是集群的虚拟分区，用于隔离资源。默认命名空间：default（默认）、kube-system（系统组件）、kube-public（公共资源）、kube-node-lease（节点租约）。

Label 和 Selector

Label 是键值对，用于标识资源。Selector 根据 Label 选择资源，用于 Pod 选择器、Service 选择器。

Label 和 Selector 实现资源间的松耦合，Service 通过 Selector 选择 Pod，Deployment 通过 Selector 管理 Pod。

Deployment

Deployment 管理 Pod 的副本数和版本，支持滚动更新、回滚。Deployment 创建 ReplicaSet，ReplicaSet 管理 Pod。

Deployment 的更新策略：RollingUpdate（滚动更新）、Recreate（重建）。

滚动更新：逐个替换 Pod，确保服务不中断。可以配置 maxSurge（最大新增 Pod 数）和 maxUnavailable（最大不可用 Pod 数）。

Service

Service 是 Pod 的稳定网络入口，提供负载均衡和服务发现。Service 通过 Selector 选择 Pod，将请求负载均衡到后端 Pod。

Service 的类型：ClusterIP（集群内部访问）、NodePort（通过节点端口访问）、LoadBalancer（通过负载均衡器访问）、ExternalName（外部名称映射）。

Service 的负载均衡策略：kube-proxy 支持 iptables 和 IPVS 模式，IPVS 性能更好。

Ingress

Ingress 是 HTTP/HTTPS 路由规则，将外部流量路由到 Service。Ingress 由 Ingress Controller 实现，如 Nginx Ingress Controller、Traefik Ingress Controller。

Ingress 支持基于主机名、路径的路由，支持 TLS 终止、WebSocket、gRPC。

ConfigMap 和 Secret

ConfigMap 存储配置数据，以环境变量或挂载文件的方式注入 Pod。

Secret 存储敏感数据（如密码、Token），Secret 数据以 Base64 编码存储，可以挂载为文件或环境变量。

PersistentVolume 和 PersistentVolumeClaim

PersistentVolume（PV）是集群的存储资源，由管理员或 StorageClass 动态创建。

PersistentVolumeClaim（PVC）是对存储的请求，Pod 通过 PVC 挂载存储。

StorageClass：存储类，定义存储的类型和参数，支持动态创建 PV。

PV 的访问模式：ReadWriteOnce（单节点读写）、ReadOnlyMany（多节点只读）、ReadWriteMany（多节点读写）。

Kubernetes 的调度

资源请求和限制

resources.requests：Pod 调度所需的最小资源，用于调度决策。

resources.limits：Pod 可用的最大资源，用于运行时限制。

CPU 资源：单位为 millicore（1 CPU = 1000m），可压缩，超过限制时被限流。

内存资源：单位为字节，不可压缩，超过限制时被 OOM Kill。

节点选择器

nodeSelector：通过 Label 选择节点，简单但功能有限。

nodeAffinity：节点亲和性，支持 required（必须满足）和 preferred（优先满足）。

podAffinity 和 podAntiAffinity：Pod 亲和性和反亲和性，控制 Pod 的调度位置。

污点和容忍度

Taint（污点）：标记节点，拒绝不匹配的 Pod 调度。

Toleration（容忍度）：Pod 可以容忍污点，即使节点有污点也可以调度。

常见污点：NoSchedule（不调度）、PreferNoSchedule（尽量不调度）、NoExecute（不调度且驱逐现有 Pod）。

Kubernetes 的自愈

健康检查

livenessProbe：存活探针，探测容器是否存活，失败时重启容器。

readinessProbe：就绪探针，探测容器是否就绪，失败时从 Service 移除。

startupProbe：启动探针，探测容器是否启动，用于慢启动容器。

探针类型：HTTP GET、TCP Socket、Exec（执行命令）。

自动重启

Kubernetes 通过 ReplicaSet 确保 Pod 的副本数，Pod 故障时自动重启。

自动调度

节点故障时，Kubernetes 自动将 Pod 调度到其他节点。

自动扩缩容

Horizontal Pod Autoscaler（HPA）：根据 CPU、内存或自定义指标自动调整 Pod 副本数。

Vertical Pod Autoscaler（VPA）：根据资源使用情况自动调整 Pod 的资源请求和限制。

Cluster Autoscaler：根据 Pod 调度失败情况自动调整节点数量。

Kubernetes 的网络

Pod 网络

Pod 有独立的 IP 地址，Pod 间可以直接通信，跨节点 Pod 通信通过 Overlay 网络（如 VXLAN）。

Service 网络

Service 有虚拟 IP（ClusterIP），kube-proxy 通过 iptables 或 IPVS 实现 ClusterIP 的负载均衡。

Ingress 网络

Ingress 提供 HTTP/HTTPS 路由，Ingress Controller 实现 Ingress 规则。

Kubernetes 的最佳实践

使用标签：为资源添加 Label，便于选择和管理。

使用命名空间：使用 Namespace 隔离不同环境、不同团队的资源。

设置资源限制：为 Pod 设置资源请求和限制，避免资源争抢。

使用健康检查：配置 livenessProbe 和 readinessProbe，确保 Pod 健康。

使用 ConfigMap 和 Secret：将配置和敏感信息存储在 ConfigMap 和 Secret，不要打包在镜像中。

使用 HPA：配置 HPA 自动扩缩容，提高资源利用率。

使用 RBAC：配置 Role-Based Access Control，限制访问权限。

定期备份 etcd：etcd 存储集群状态，定期备份 etcd 数据。

Kubernetes 是云原生的事实标准，理解 Kubernetes 的核心概念和最佳实践，有助于构建可扩展、高可用的云原生应用。