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Kubernetes通常简称为 K8s是一个用于自动化部署、扩展和管理容器化应用程序的开源容器编排平台。它由 Google 于 2014 年开源后来交由 CNCFCloud Native Computing Foundation管理。Kubernetes 的名字来自希腊语意思是“舵手”或“飞行员”表明它的作用是为容器化应用提供控制与调度。
Kubernetes 解决了容器管理的复杂性通过集群化的方式将一组物理或虚拟机器组织起来形成一个统一的计算资源池并在这个资源池上自动化地部署、扩展、负载均衡和恢复应用程序。 Kubernetes 的基础组件
Kubernetes 的架构分为两个主要部分控制平面Control Plane和工作节点Worker Nodes。这两者共同管理和调度容器化应用的生命周期。
1. 控制平面Control Plane
控制平面是 Kubernetes 的“大脑”负责集群的管理和调度工作。其核心组件包括 API ServerAPI Server 是 Kubernetes 集群的入口负责处理所有的 API 请求。开发者、运维人员、以及 Kubernetes 内部组件都通过 API Server 来与 Kubernetes 交互。它是整个集群管理的核心组件。 EtcdKubernetes 使用 etcd 作为分布式键值存储用于存储集群的所有状态数据。Etcd 是集群的一致性数据存储保存着集群的配置、Pod 的状态信息等。 Controller Manager它负责管理 Kubernetes 的各种控制器包括节点控制器、复制控制器等。控制器负责监控集群的状态确保实际状态与期望状态一致。例如如果某个 Pod 异常退出控制器将启动新的 Pod 进行替换。 Scheduler调度器负责为未分配的 Pod 选择合适的节点Node来运行。它根据资源利用率、节点健康状况等多种因素来做出决策确保应用的高可用性和性能。
2. 工作节点Worker Nodes
工作节点是实际运行容器化应用程序的地方。每个节点上都有几个关键组件 Kubelet这是在每个节点上运行的主要代理进程负责与控制平面通信并执行调度器分配的任务。它会监控 Pod 的状态并向控制平面报告。 Kube-proxy这是 Kubernetes 内部的网络代理负责为每个 Pod 提供网络通信并实现服务的负载均衡。 Container Runtime这是在节点上负责运行容器的实际工具常见的有 Docker、containerd 等。Kubernetes 支持多种容器运行时接口CRI。 Kubernetes 的核心概念
Kubernetes 提供了一系列抽象层用来管理容器化应用的运行、扩展、和故障恢复。以下是 Kubernetes 中几个关键的抽象和概念
1. Pod
Pod 是 Kubernetes 的最小部署单元代表着运行在集群上的一个或多个容器。通常容器会共享同一个 Pod 的网络和存储资源。尽管每个 Pod 通常只包含一个容器但也可以将多个紧密耦合的容器放在同一个 Pod 中共同工作。
2. Service
Service 是 Kubernetes 提供的持久服务抽象用于定义一组运行在 Pod 上的容器服务。它为这些容器分配一个静态 IP 地址和 DNS 名称并负责负载均衡。通过 Service可以实现在 Pod 动态创建和销毁的情况下保持外部的访问稳定。
3. Deployment
Deployment 是一种声明式的资源对象负责管理 Pod 的副本数、滚动更新等。它可以保证某个应用的指定数量的副本始终在集群中运行并且提供了自动滚动更新、回滚等功能。
4. Namespace
Namespace 是 Kubernetes 中用来进行资源隔离的逻辑分组机制。不同的 Namespace 中可以有相同名称的资源对象它们之间互不影响。常用来对大型集群进行资源管理和权限隔离。
5. Ingress
Ingress 是 Kubernetes 提供的入口资源用来控制从外部流量如何进入集群内部的服务。通过 Ingress可以定义 HTTP 和 HTTPS 路由规则将外部请求转发给相应的服务。 Kubernetes 的工作原理
Kubernetes 的核心工作原理是基于 声明式管理Declarative Management和 控制循环Control Loop来实现的。用户通过配置文件定义期望的集群状态Kubernetes 通过控制器不断对比实际状态和期望状态并自动进行调整使两者保持一致。
1. 声明式管理
在 Kubernetes 中用户通过声明式配置文件通常为 YAML 或 JSON 格式来定义期望的状态。这个期望状态可以包括应用运行的 Pod 数量、容器镜像版本、服务的暴露方式等。
当用户提交这些配置文件后Kubernetes 的控制平面会将这些声明保存到 etcd 中并开始调度和管理相应的资源直到集群的实际状态与声明的期望状态一致。
2. 控制循环
控制循环是 Kubernetes 的核心原理之一。它不断监控集群的实际状态如 Pod 的数量、健康状况等并与期望状态进行比较。如果检测到差异控制器会采取行动修复这些差异。例如如果某个 Pod 异常退出控制器会自动创建新的 Pod以恢复到期望的副本数。
这个循环持续不断地运行确保 Kubernetes 集群始终处于一致的状态无需手动干预。
3. 调度与扩展
当用户定义了 Pod 或 DeploymentKubernetes 的调度器会根据当前集群的资源情况选择合适的节点运行这些 Pod。Kubernetes 支持横向自动扩展Horizontal Pod Autoscaler可以根据 Pod 的 CPU 或内存使用情况动态增加或减少 Pod 的数量。
4. 自愈能力
Kubernetes 具备强大的自愈能力能够在应用或节点出现故障时自动进行修复。例如当某个节点失效时Kubernetes 会自动将该节点上运行的容器重新调度到其他健康的节点上运行确保应用的高可用性。 Kubernetes 的优势 自动化管理Kubernetes 能够自动调度、扩展和恢复应用减少了人工干预的需要提高了系统的可管理性。 弹性与扩展性Kubernetes 支持自动扩展容器集群可以根据流量动态调整资源确保系统的性能和稳定性。 自愈能力Kubernetes 能够自动检测应用故障并进行修复保证系统的高可用性。 跨平台支持Kubernetes 支持多种云平台和本地部署环境使得应用能够轻松迁移和扩展避免厂商锁定。 总结
Kubernetes 是一个强大的容器编排平台通过抽象复杂的基础设施细节提供了一种声明式的管理方式。其核心组件包括控制平面和工作节点利用声明式配置和控制循环来管理容器化应用的生命周期。借助 Kubernetes开发和运维人员能够更高效地管理、扩展和维护容器化的应用程序从而大幅提升系统的可扩展性、可靠性和自动化管理水平。
