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随着互联网规模的不断增长#xff0c;以及企业对敏捷开发、快速交付和高可用性的需求日益增强#xff0c;传统的单体架构逐渐暴露出局限性#xff0c;难以满足现代业务对动态扩展和高效迭代的要求。为此#xff0c;云原生应运而生。 云原生是为云计算时代…1. 云原生的诞生
随着互联网规模的不断增长以及企业对敏捷开发、快速交付和高可用性的需求日益增强传统的单体架构逐渐暴露出局限性难以满足现代业务对动态扩展和高效迭代的要求。为此云原生应运而生。 云原生是为云计算时代量身打造的一种应用开发理念与技术体系其目标是充分利用云计算的弹性、扩展性和自动化能力帮助企业构建敏捷、高可用、弹性扩展的系统。传统架构在灵活性、扩展性和效率方面的不足催生了云原生的诞生而其核心技术——容器化、微服务架构、自动化部署等彻底改变了软件开发和交付的方式。 值得注意的是云原生并非简单地将传统应用“迁移到云上”而是从设计之初就“为云而生”。它让开发流程更快、部署更敏捷、运维更高效能够帮助企业充分发挥云计算的优势如按需分配资源和动态扩展能力从而快速响应市场变化。无论是科技巨头还是初创公司都在通过云原生实现技术与业务的跨越式发展。 云原生不仅仅是一种技术而是现代化应用开发的一种理念和方法论。它以容器化、微服务、DevOps 和自动化为核心目的是充分利用云计算的弹性和高效性帮助企业快速适应市场变化提高开发效率和系统可靠性。
云原生的本质是“为云而生”拥抱云计算的动态性和分布式特性以实现更敏捷、更可靠的软件交付。
学习云原生让你掌握未来软件开发的核心技能摆脱传统架构的束缚成为技术浪潮中的先行者。这不仅是对技术的升级更是对未来的投资。
2. 云原生概述
2.1 云原生核心要素
云原生主要由以下四个核心要素构成
微服务 将单体应用拆分为多个小而独立的服务支持独立开发和部署。提高了系统的灵活性和可扩展性。 容器 提供一致的运行环境便于部署和迁移。Docker 是容器化的代表工具。 DevOps 通过文化、实践和工具实现开发与运维的协作缩短交付周期。强调自动化流程和持续监控。 持续交付 将软件的发布、部署等环节自动化确保快速、安全的功能更新。
2.2 应用场景
云原生应用的实际应用场景有很多以下是一些常见的例子
微服务架构云原生应用通常采用微服务架构将应用程序划分为一组独立的服务每个服务可以独立部署和扩展。这种架构使得应用程序更加灵活和可靠。
容器化云原生应用通常使用容器技术进行部署这使得应用程序可以轻松地在不同的环境中运行无论是本地还是云环境。
持续集成和持续部署CI/CD云原生应用通常采用CI/CD流程可以实现自动化的代码构建、测试和部署从而加快软件交付速度。
DevOps文化云原生应用鼓励开发和运维团队密切合作共同参与整个应用程序的生命周期。
自动化和可伸缩性云原生应用通常具有高度的自动化和可伸缩性可以根据需求自动扩展或缩减资源。
容错和高可用性云原生应用通常设计为具有容错能力和高可用性即使某个组件发生故障整个应用程序也能继续运行。
云服务集成云原生应用可以轻松地与云提供商提供的各种服务集成例如数据库、消息队列、存储等。
3. Kubernetes的诞生
在云原生的四大要素中无论是 微服务 的拆分与独立部署容器 的标准化交付还是 DevOps 的自动化流程以及 持续交付 所需的敏捷实践都需要一种高度自动化、灵活扩展的基础设施支持。
云原生的核心是将应用程序设计成云环境的原生应用即在系统设计之初就考虑到应用程序将运行在云环境中并以后不会脱离云环境独立运行
正是在这种背景下Kubernetes 应运而生。作为一个开源的容器编排平台Kubernetes 专注于解决云原生应用在部署、扩展和管理上的复杂性。它通过自动化容器化应用的部署与运维为开发者和运维人员提供了统一的工具使云原生理念从理论走向了实践。
KubernetesK8s是实现云原生架构的核心基础设施之一也是云原生生态的基石。它负责管理容器化应用的部署、运行和扩展与云原生理念紧密结合。
1. Kubernetes 是云原生的核心支柱
云原生的四个核心原则是 容器化、动态调度、服务网格 和 声明式 API。Kubernetes 通过其特性全面支持这些原则
容器化Kubernetes 管理和运行容器化的应用程序如 Docker 容器。动态调度Kubernetes 自动将工作负载分配到最佳节点上实现资源的高效利用。服务网格通过扩展组件如 Istio提供服务通信、监控和安全功能。声明式 APIKubernetes 使用声明式配置让用户定义目标状态Kubernetes 自动实现。
2. 云原生的基础设施
云原生应用需要一系列关键功能比如服务发现、负载均衡、配置管理等。传统架构中这些功能由独立的第三方组件提供而在云原生中这些功能往往由 Kubernetes 和云平台直接内置或扩展支持
2.1 服务发现和负载均衡
传统方式依赖 Nacos、Eureka 等服务发现工具和独立负载均衡器。Kubernetes 方式通过 Service 和 Ingress 提供服务发现和负载均衡功能。 kube-dns 或 CoreDNS 实现服务名称解析。Service 支持集群内的负载均衡。Ingress 提供基于 HTTP/HTTPS 的外部访问路由。
2.2 配置和密钥管理
传统方式依赖 Consul、Spring Cloud Config 等。Kubernetes 方式 ConfigMap用于存储和管理应用的配置信息。Secret用于存储敏感信息如密码、密钥并安全地挂载到容器。
2.3 弹性伸缩和自愈能力
传统方式需要开发自定义的弹性扩展脚本和监控工具。Kubernetes 方式 Horizontal Pod Autoscaler (HPA)基于 CPU/内存使用率自动扩展 Pod。Vertical Pod Autoscaler (VPA)自动调整 Pod 的资源分配。ReplicaSet 和 Deployment保证所需的 Pod 数量运行并在 Pod 失败时自动恢复。
2.4 日志和监控
传统方式独立部署 ELK Stack 或 Prometheus。Kubernetes 方式 日志采集通过 Sidecar 容器或 Fluentd 集成。监控通过 Prometheus 和 Kubernetes 的 Metrics Server。
3. 云原生与 Kubernetes 的协作
Kubernetes 是云原生应用的运行和管理平台它本身也支持云平台的特性。例如
与云存储整合Kubernetes 的 PersistentVolume 可以直接使用云服务如 AWS S3、阿里云 OSS。与云负载均衡整合Kubernetes 的 LoadBalancer 类型服务可以调用云平台的负载均衡器如 ELB、SLB。与云安全整合Kubernetes 支持使用云平台的密钥管理服务如 AWS KMS、阿里云 KMS。
4. Kubernetes 是云原生生态的基础
Kubernetes 是云原生计算基金会CNCF的核心项目很多云原生工具和技术都是围绕 Kubernetes 构建的比如
服务网格Istio、Linkerd持续交付ArgoCD、Flux容器运行时containerd、CRI-O云原生存储Rook、OpenEBS
通过 Kubernetes这些工具可以更好地协同工作为云原生应用提供全面的支持。
4.Kubernetes 核心架构
Kubernetes 采用控制平面Control Plane 和节点Node 的架构来协调资源管理和任务调度。 控制平面 控制平面是 Kubernetes 的“大脑”负责管理集群的所有操作包括资源分配、状态维护、调度和策略执行。主要组件包括 API Server集群的入口点处理外部请求并分发至其他组件。Scheduler负责将 Pod 分配到合适的节点。Controller Manager维护集群的期望状态例如处理副本数量、重启失败的 Pod。etcd保存所有集群数据的键值存储。 节点 节点是集群的执行单元负责实际运行工作负载。每个节点上运行以下关键组件 kubelet与控制平面通信接收指令并管理 Pod 生命周期。kube-proxy管理网络规则处理服务之间的通信和负载均衡。容器运行时例如 Docker 或 containerd负责容器的运行。
详细的kubenetes核心架构介绍可以参考学习kubernetes核心架构
5.Kubernetes核心概念
以下是 Kubernetes 的八个核心概念的介绍并配合 YAML 文件展示如何定义和使用这些组件。
1 资源与对象
资源和对象的关系 Kubernetes 中一切皆资源类似于 Linux 一切皆文件Java 一切皆对象。对象是资源的实例是持久化的实体如具体的 Pod 或 Service。控制平面负责资源和对象的定义、调度和维护。 API Server 提供统一的入口供用户通过 CLI 或编程接口创建、修改、删除资源对象。Controller Manager 通过控制器调节实际状态与期望状态的差异。 节点Node则是运行这些对象的执行环境。
2 对象规约与状态
规约Spec 描述对象的期望状态是对象创建时的核心配置。控制平面通过调度器Scheduler解析规约将资源分配给合适的节点。 状态Status 反映对象的实际运行状态由 Kubernetes 自动维护。节点报告实际状态如 Pod 的健康状况给控制平面的 API Server控制器根据差异做出调整。例如如果 Pod 异常退出控制器会通过节点反馈状态启动新的 Pod 实例。
即Spec是用户定义的期望状态而Status则是系统维护的实际运行状态控制平面持续调节Spec和Status确保二者尽可能保持一致。
3 资源的分类 元空间Metadata 是 Kubernetes 中每个资源的基础描述信息包含名称Name、标签Labels、注解Annotations等用于标识和管理资源。它是资源的“身份”和“注解”便于查询、分类和操作。 集群Cluster 是 Kubernetes 的运行环境包含多个节点和控制平面组件。集群统一管理所有资源并通过调度和自动化能力实现高效的应用部署与运行。 命名空间Namespace 是集群内的逻辑隔离机制用于将资源划分到不同的范围。它允许在一个集群中运行多个团队或项目避免资源命名冲突并提供访问权限控制。 用于对资源进行逻辑隔离。同一命名空间内的资源可以通信跨命名空间则默认隔离。控制平面通过 API Server 管理命名空间的边界规则确保隔离性。
4 Pod
Pod 是 Kubernetes 的最小部署单元。 Pod 中的容器共享网络和存储。一个 Pod 通常包含一个容器但也可以包含多个紧耦合的容器。节点是 Pod 的实际运行环境kubelet 负责在节点上启动和管理 Pod 的生命周期。 副本Replica 基于 Pod 模板PodTemplate创建的多个实例用于确保高可用性和负载分担。控制平面通过调度器决定将 Pod 副本部署到哪些节点。
下面给出一个yaml示例定义一个Pod
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:name: example-pod
spec:containers:- name: nginximage: nginx:1.21ports:- containerPort: 80
5 高级控制器
5.1 Deployment 和 ReplicaSet
ReplicaSet 确保指定数量的 Pod 副本始终运行。通过标签选择器Label Selector管理 Pod。控制平面通过 ReplicaSet 控制器动态调整副本数量。 Deployment 是 ReplicaSet 的封装支持滚动更新和版本回滚。部署无状态应用的首选工具。控制平面负责管理滚动更新的步骤节点则执行更新的具体操作。
下面给出一个yaml示例定义Deployment
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:name: nginx-deploymentlabels:app: nginx
spec:replicas: 3selector:matchLabels:app: nginxtemplate:metadata:labels:app: nginxspec:containers:- name: nginximage: nginx:1.14.2ports:- containerPort: 805.2 StatefulSet
管理有状态应用。 提供稳定的 Pod 标识、持久存储和有序部署。适合数据库等需要稳定网络标识的场景。控制平面确保 Pod 按预定义顺序启动或删除节点负责提供持久化存储的挂载和网络连接。
下面给出一个yaml示例定义StatefulSet
apiVersion: apps/v1
kind: StatefulSet
metadata:name: web
spec:selector:matchLabels:app: nginx # 必须匹配 .spec.template.metadata.labelsserviceName: nginxreplicas: 3 # 默认值是 1minReadySeconds: 10 # 默认值是 0template:metadata:labels:app: nginx # 必须匹配 .spec.selector.matchLabelsspec:terminationGracePeriodSeconds: 10containers:- name: nginximage: registry.k8s.io/nginx-slim:0.24ports:- containerPort: 80name: webvolumeMounts:- name: wwwmountPath: /usr/share/nginx/htmlvolumeClaimTemplates:- metadata:name: wwwspec:accessModes: [ ReadWriteOnce ]storageClassName: my-storage-classresources:requests:storage: 1Gi5.3 DaemonSet
DaemonSet 是 Kubernetes 中的一种控制器确保集群中每个节点或指定节点都运行一个特定的 Pod 副本。DaemonSet 常用于部署需要与每个节点交互的系统级服务例如日志收集器如 Fluentd、监控代理如 Prometheus Node Exporter或网络组件如 CNI 插件。当有新节点加入集群时DaemonSet 会自动在其上创建对应的 Pod 副本确保服务的一致性和覆盖性。此外DaemonSet 支持动态更新通过滚动更新机制可以逐步替换所有节点上的 Pod 副本。
DaemonSet 的一些典型用法
在每个节点上运行集群守护进程在每个节点上运行日志收集守护进程在每个节点上运行监控守护进程
下面给出一个yaml示例定义DaemonSet
apiVersion: apps/v1
kind: DaemonSet
metadata:name: fluentd-elasticsearchnamespace: kube-systemlabels:k8s-app: fluentd-logging
spec:selector:matchLabels:name: fluentd-elasticsearchtemplate:metadata:labels:name: fluentd-elasticsearchspec:tolerations:# 这些容忍度设置是为了让该守护进程集在控制平面节点上运行# 如果你不希望自己的控制平面节点运行 Pod可以删除它们- key: node-role.kubernetes.io/control-planeoperator: Existseffect: NoSchedule- key: node-role.kubernetes.io/masteroperator: Existseffect: NoSchedulecontainers:- name: fluentd-elasticsearchimage: quay.io/fluentd_elasticsearch/fluentd:v2.5.2resources:limits:memory: 200Mirequests:cpu: 100mmemory: 200MivolumeMounts:- name: varlogmountPath: /var/log# 可能需要设置较高的优先级类以确保 DaemonSet Pod 可以抢占正在运行的 Pod# priorityClassName: importantterminationGracePeriodSeconds: 30volumes:- name: varloghostPath:path: /var/log6. Job 和 CronJob
Job 运行一次性任务直至完成为止。适合任务型负载如数据处理。控制平面负责调度任务节点执行具体计算任务。
下面给出一个yaml示例定义Job
apiVersion: batch/v1
kind: Job
metadata:name: example-job
spec:template:spec:containers:- name: example-containerimage: busyboxcommand: [echo, Hello, Kubernetes!]restartPolicy: Never
CronJob 定时执行任务类似于 Unix 的 crontab。用于周期性操作如备份和报告生成。控制平面根据时间规则触发任务调度节点按要求运行任务。
下面给出一个yaml示例定义CronJob
apiVersion: batch/v1
kind: CronJob
metadata:name: example-cronjob
spec:schedule: */1 * * * *jobTemplate:spec:template:spec:containers:- name: example-containerimage: busyboxcommand: [date]restartPolicy: OnFailure
7. Service
Service 是 Pod 的访问入口。 提供服务发现和负载均衡功能。通过标签选择器管理 Pod确保请求被分配到正确的实例。控制平面动态维护 Pod 的 Endpoint 列表节点通过 kube-proxy 处理负载均衡和转发规则。
下面给出一个yaml示例定义Service
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:name: example-service
spec:selector:app: exampleports:- protocol: TCPport: 80targetPort: 808. Ingress
Ingress 是 HTTP(S) 路由的入口。 定义外部请求如何访问集群内部的服务。需要与 Ingress Controller 配合使用支持域名和路径路由规则。控制平面与 Ingress Controller 协同管理路由规则节点实现流量转发至对应的 Service。
工作流程
用户通过域名或路径发起请求。Ingress Controller 拦截请求根据定义的规则将其转发到相应的 Service。Service 将请求路由到后端 Pod。
下面给出一个yaml示例定义Ingress
apiVersion: networking.k8s.io/v1
kind: Ingress
metadata:name: example-ingress
spec:rules:- host: example.comhttp:paths:- path: /pathType: Prefixbackend:service:name: example-serviceport:number: 80
9.数据卷
在 Kubernetes 中ConfigMap、Downward API 和 Secret 是三种主要的配置和数据管理方式帮助应用程序以灵活、安全和标准化的方式管理配置和运行时信息。
ConfigMap 用于存储非敏感的配置信息例如应用程序的配置文件、环境变量或命令行参数。
特点
支持存储键值对或整个配置文件内容。数据可通过环境变量、命令行参数或挂载为文件的方式供 Pod 使用。非加密适用于非敏感数据。
Downward API 提供运行时信息如 Pod 名称、Namespace、资源请求限制等给容器使用。
特点
提供关于 Pod 和容器的元信息。通过环境变量或挂载为文件供 Pod 使用。无需事先创建对象直接基于 Pod 元数据。
Secret 用于存储敏感信息例如密码、API 密钥或证书。
特点
数据加密存储于 etcd 中Base64 编码非真正加密。提供更高的安全性适用于敏感信息。数据可通过环境变量或挂载为文件供 Pod 使用。
云原生通过微服务、容器、DevOps 和持续交付实现敏捷开发和稳定运行Kubernetes 是实现这一目标的核心技术。通过了解 Kubernetes 的资源模型、控制器和网络组件可以帮助企业构建高效、灵活和可扩展的云原生应用。
