Kubernetes 是什么？

Kubernetes（常简称为 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。它源自 Google 的 Borg 系统，是目前容器编排领域的事实标准。

核心架构

1. 控制平面（Control Plane）

text

控制平面组件：
├── API Server：集群前端，处理所有 REST 请求
├── etcd：分布式键值存储，保存集群状态
├── Scheduler：调度 Pod 到合适节点
├── Controller Manager：运行控制器进程
└── Cloud Controller Manager（可选）：与云服务商交互

2. 数据平面（Data Plane）

text

工作节点组件：
├── kubelet：节点代理，管理 Pod 生命周期
├── kube-proxy：网络代理，实现 Service 概念
├── Container Runtime：容器运行时（Docker、containerd等）
└── Pod：最小的部署单元

核心功能

1. 服务发现和负载均衡

  • 自动为 Pod 分配 DNS 名称或 IP 地址

  • 使用 Service 和 Ingress 暴露应用

2. 存储编排

  • 自动挂载存储系统

  • 支持本地存储、云存储、网络存储

3. 自动部署和回滚

  • 声明式配置管理

  • 滚动更新和回滚

4. 自动扩缩容

  • 基于 CPU/内存使用率自动扩缩

  • 基于自定义指标扩缩

5. 自我修复

  • 重启失败容器

  • 替换不可用节点

  • 杀死不健康容器

6. 密钥和配置管理

  • ConfigMap 和 Secret 管理配置

  • 敏感信息加密存储

核心概念

1. Pod

最小的部署单元，包含一个或多个容器

yaml

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: nginx-pod
  labels:
    app: nginx
spec:
  containers:
  - name: nginx
    image: nginx:1.21
    ports:
    - containerPort: 80
  - name: log-sidecar
    image: busybox
    command: ['sh', '-c', 'tail -f /var/log/nginx/access.log']

2. Deployment

管理 Pod 的副本和更新策略

yaml

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: nginx-deployment
spec:
  replicas: 3
  selector:
    matchLabels:
      app: nginx
  template:
    metadata:
      labels:
        app: nginx
    spec:
      containers:
      - name: nginx
        image: nginx:1.21
        ports:
        - containerPort: 80
        resources:
          requests:
            memory: "64Mi"
            cpu: "250m"
          limits:
            memory: "128Mi"
            cpu: "500m"
        livenessProbe:
          httpGet:
            path: /
            port: 80
          initialDelaySeconds: 3
          periodSeconds: 3

3. Service

暴露应用服务，提供负载均衡

yaml

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: nginx-service
spec:
  selector:
    app: nginx
  ports:
  - port: 80
    targetPort: 80
    nodePort: 30080  # NodePort 类型
  type: NodePort  # 或 ClusterIP、LoadBalancer

4. ConfigMap 和 Secret

配置和敏感信息管理

yaml

# ConfigMap
apiVersion: v1
kind: ConfigMap
metadata:
  name: app-config
data:
  app.properties: |
    database.host=mysql
    database.port=3306
    cache.enabled=true

# Secret
apiVersion: v1
kind: Secret
metadata:
  name: db-secret
type: Opaque
data:
  username: YWRtaW4=  # admin
  password: cGFzc3dvcmQ=  # password

5. Volume 和 PersistentVolume

存储管理

yaml

# PersistentVolumeClaim
apiVersion: v1
kind: PersistentVolumeClaim
metadata:
  name: mysql-pvc
spec:
  accessModes:
    - ReadWriteOnce
  resources:
    requests:
      storage: 10Gi
  storageClassName: fast

6. Namespace

资源隔离

bash

kubectl create namespace production
kubectl create namespace development

7. 其他重要资源

  • StatefulSet：有状态应用

  • DaemonSet：每个节点运行一个 Pod

  • Job/CronJob：批处理任务

  • HorizontalPodAutoscaler：自动扩缩容

  • NetworkPolicy：网络策略

安装 Kubernetes

1. 本地开发环境

bash

# 使用 Minikube（单节点集群）
brew install minikube  # macOS
minikube start --driver=docker --memory=4096 --cpus=2
minikube dashboard

# 使用 kind（Kubernetes in Docker）
brew install kind
kind create cluster --name dev-cluster

2. 生产环境安装

bash

# 使用 kubeadm（官方工具）
# 在所有节点上安装 Docker 和 kubeadm
sudo apt update
sudo apt install -y docker.io
sudo systemctl enable docker
sudo systemctl start docker

# 安装 kubeadm、kubelet、kubectl
sudo apt update && sudo apt install -y apt-transport-https curl
curl -s https://packages.cloud.google.com/apt/doc/apt-key.gpg | sudo apt-key add -
echo "deb https://apt.kubernetes.io/ kubernetes-xenial main" | sudo tee /etc/apt/sources.list.d/kubernetes.list
sudo apt update
sudo apt install -y kubelet kubeadm kubectl
sudo apt-mark hold kubelet kubeadm kubectl

# 初始化控制平面节点
sudo kubeadm init --pod-network-cidr=10.244.0.0/16

# 配置 kubectl
mkdir -p $HOME/.kube
sudo cp -i /etc/kubernetes/admin.conf $HOME/.kube/config
sudo chown $(id -u):$(id -g) $HOME/.kube/config

# 安装网络插件（Calico）
kubectl apply -f https://docs.projectcalico.org/manifests/calico.yaml

3. 云服务商托管

bash

# AWS EKS
eksctl create cluster --name my-cluster --region us-west-2 --nodegroup-name standard-workers --node-type t3.medium --nodes 3

# Google GKE
gcloud container clusters create my-cluster --num-nodes=3 --zone us-central1-a

# Azure AKS
az aks create --resource-group myResourceGroup --name myAKSCluster --node-count 3 --enable-addons monitoring --generate-ssh-keys

基本命令操作

1. 集群管理

bash

# 查看集群信息
kubectl cluster-info
kubectl config view
kubectl get nodes
kubectl describe node <node-name>

# 查看资源
kubectl api-resources
kubectl explain pod

2. Pod 操作

bash

# 创建 Pod
kubectl run nginx --image=nginx:1.21
kubectl apply -f pod.yaml

# 查看 Pod
kubectl get pods
kubectl get pods -o wide
kubectl get pods -w  # 监视模式
kubectl describe pod <pod-name>

# Pod 交互
kubectl logs <pod-name>
kubectl logs -f <pod-name>  # 实时日志
kubectl exec -it <pod-name> -- /bin/bash
kubectl cp <pod-name>:/path/to/file ./local/path

# 删除 Pod
kubectl delete pod <pod-name>
kubectl delete pods --all

3. Deployment 操作

bash

# 创建 Deployment
kubectl create deployment nginx --image=nginx:1.21 --replicas=3
kubectl apply -f deployment.yaml

# 查看 Deployment
kubectl get deployments
kubectl describe deployment <deployment-name>
kubectl get replicasets

# 扩缩容
kubectl scale deployment nginx --replicas=5
kubectl autoscale deployment nginx --min=2 --max=10 --cpu-percent=80

# 更新
kubectl set image deployment/nginx nginx=nginx:1.22
kubectl rollout status deployment nginx
kubectl rollout history deployment nginx

# 回滚
kubectl rollout undo deployment nginx
kubectl rollout undo deployment nginx --to-revision=2

# 删除
kubectl delete deployment nginx

4. Service 操作

bash

# 创建 Service
kubectl expose deployment nginx --port=80 --target-port=80 --type=NodePort
kubectl apply -f service.yaml

# 查看 Service
kubectl get services
kubectl describe service <service-name>

# 端口转发（本地访问）
kubectl port-forward service/nginx 8080:80
kubectl port-forward pod/<pod-name> 8080:80

# 删除 Service
kubectl delete service nginx

5. 配置管理

bash

# ConfigMap 和 Secret
kubectl create configmap app-config --from-file=config.properties
kubectl create secret generic db-secret --from-literal=username=admin --from-literal=password=secret

# 查看
kubectl get configmaps
kubectl get secrets
kubectl describe configmap app-config
kubectl get secret db-secret -o jsonpath='{.data.password}' | base64 --decode

# 使用配置
kubectl create deployment app --image=myapp --dry-run=client -o yaml > deployment.yaml
# 然后在 YAML 中添加 envFrom 或 volumeMounts

6. 命名空间操作

bash

# 创建命名空间
kubectl create namespace production
kubectl create namespace development

# 在指定命名空间操作
kubectl get pods -n production
kubectl apply -f deployment.yaml -n production

# 切换当前命名空间
kubectl config set-context --current --namespace=production

7. 调试和故障排查

bash

# 查看事件
kubectl get events --sort-by='.lastTimestamp'
kubectl get events -w

# 查看资源使用情况
kubectl top nodes
kubectl top pods

# 诊断工具
kubectl describe <resource> <name>
kubectl logs --previous <pod-name>  # 查看前一个容器的日志

# 网络调试
kubectl run busybox --image=busybox --restart=Never -- sleep 3600
kubectl exec busybox -- nslookup kubernetes.default
kubectl exec busybox -- wget -qO- http://nginx-service

# 资源清理
kubectl delete all --all  # 删除所有资源（当前命名空间）
kubectl delete all --all --all-namespaces

YAML 配置文件详解

1. 完整的 Deployment 示例

yaml

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: web-app
  namespace: production
  labels:
    app: web
    version: v1.0
  annotations:
    deployment.kubernetes.io/revision: "1"
spec:
  replicas: 3
  revisionHistoryLimit: 10
  strategy:
    type: RollingUpdate
    rollingUpdate:
      maxSurge: 1
      maxUnavailable: 0
  selector:
    matchLabels:
      app: web
      tier: frontend
  template:
    metadata:
      labels:
        app: web
        tier: frontend
        version: v1.0
    spec:
      serviceAccountName: web-sa
      terminationGracePeriodSeconds: 30
      containers:
      - name: web
        image: myregistry/web-app:v1.0
        imagePullPolicy: IfNotPresent
        ports:
        - name: http
          containerPort: 8080
          protocol: TCP
        env:
        - name: DATABASE_URL
          valueFrom:
            configMapKeyRef:
              name: app-config
              key: database.url
        - name: API_KEY
          valueFrom:
            secretKeyRef:
              name: app-secrets
              key: api-key
        envFrom:
        - configMapRef:
            name: app-config
        resources:
          requests:
            memory: "128Mi"
            cpu: "250m"
          limits:
            memory: "256Mi"
            cpu: "500m"
        livenessProbe:
          httpGet:
            path: /health
            port: 8080
          initialDelaySeconds: 30
          periodSeconds: 10
          timeoutSeconds: 5
          failureThreshold: 3
        readinessProbe:
          httpGet:
            path: /ready
            port: 8080
          initialDelaySeconds: 5
          periodSeconds: 5
          timeoutSeconds: 2
        volumeMounts:
        - name: config-volume
          mountPath: /etc/config
          readOnly: true
        - name: data-volume
          mountPath: /var/data
      volumes:
      - name: config-volume
        configMap:
          name: app-config
      - name: data-volume
        persistentVolumeClaim:
          claimName: web-pvc
      nodeSelector:
        disktype: ssd
      tolerations:
      - key: "special"
        operator: "Equal"
        value: "true"
        effect: "NoSchedule"
      affinity:
        nodeAffinity:
          requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
            nodeSelectorTerms:
            - matchExpressions:
              - key: kubernetes.io/os
                operator: In
                values:
                - linux

2. 完整的 Service 和 Ingress 示例

yaml

# Service
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: web-service
  namespace: production
spec:
  selector:
    app: web
    tier: frontend
  ports:
  - name: http
    port: 80
    targetPort: 8080
    protocol: TCP
  - name: https
    port: 443
    targetPort: 8443
    protocol: TCP
  type: ClusterIP  # 也可以是 NodePort、LoadBalancer

# Ingress (需要 Ingress Controller)
apiVersion: networking.k8s.io/v1
kind: Ingress
metadata:
  name: web-ingress
  namespace: production
  annotations:
    nginx.ingress.kubernetes.io/rewrite-target: /
    nginx.ingress.kubernetes.io/ssl-redirect: "true"
    cert-manager.io/cluster-issuer: "letsencrypt-prod"
spec:
  tls:
  - hosts:
    - app.example.com
    secretName: app-tls
  rules:
  - host: app.example.com
    http:
      paths:
      - path: /
        pathType: Prefix
        backend:
          service:
            name: web-service
            port:
              number: 80

3. StatefulSet 示例（有状态应用）

yaml

apiVersion: apps/v1
kind: StatefulSet
metadata:
  name: mysql
spec:
  serviceName: mysql
  replicas: 3
  selector:
    matchLabels:
      app: mysql
  template:
    metadata:
      labels:
        app: mysql
    spec:
      containers:
      - name: mysql
        image: mysql:8.0
        env:
        - name: MYSQL_ROOT_PASSWORD
          valueFrom:
            secretKeyRef:
              name: mysql-secret
              key: root-password
        ports:
        - containerPort: 3306
          name: mysql
        volumeMounts:
        - name: mysql-data
          mountPath: /var/lib/mysql
  volumeClaimTemplates:
  - metadata:
      name: mysql-data
    spec:
      accessModes: ["ReadWriteOnce"]
      resources:
        requests:
          storage: 10Gi

实际应用场景

1. 微服务部署

bash

# 目录结构
microservices/
├── frontend/
│   ├── deployment.yaml
│   └── service.yaml
├── api-service/
│   ├── deployment.yaml
│   └── service.yaml
├── user-service/
│   ├── deployment.yaml
│   └── service.yaml
├── product-service/
│   ├── deployment.yaml
│   └── service.yaml
└── kustomization.yaml  # 使用 Kustomize 管理

# 使用 Kustomize 部署
kubectl apply -k .

2. CI/CD 集成

yaml

# .gitlab-ci.yml 示例
stages:
  - build
  - test
  - deploy

variables:
  K8S_NAMESPACE: production
  DOCKER_TAG: $CI_COMMIT_SHORT_SHA

build:
  stage: build
  script:
    - docker build -t $CI_REGISTRY_IMAGE:$DOCKER_TAG .
    - docker push $CI_REGISTRY_IMAGE:$DOCKER_TAG

deploy:
  stage: deploy
  script:
    - kubectl config set-context --current --namespace=$K8S_NAMESPACE
    - kubectl set image deployment/web-app web-app=$CI_REGISTRY_IMAGE:$DOCKER_TAG
    - kubectl rollout status deployment/web-app

3. 蓝绿部署

bash

# 创建 v1 版本
kubectl apply -f deployment-v1.yaml

# 创建 v2 版本（不同标签）
kubectl apply -f deployment-v2.yaml

# 通过 Service 切换流量
kubectl patch service web-service -p '{"spec":{"selector":{"version":"v2"}}}'

# 回滚到 v1
kubectl patch service web-service -p '{"spec":{"selector":{"version":"v1"}}}'

生态系统和工具

1. 监控和日志

bash

# Prometheus + Grafana
helm repo add prometheus-community https://prometheus-community.github.io/helm-charts
helm install prometheus prometheus-community/prometheus
helm install grafana grafana/grafana

# ELK/EFK 日志栈
kubectl apply -f https://raw.githubusercontent.com/elastic/cloud-on-k8s/1.7/config/samples/elasticsearch.yaml
kubectl apply -f https://raw.githubusercontent.com/elastic/cloud-on-k8s/1.7/config/samples/kibana.yaml
kubectl apply -f https://raw.githubusercontent.com/fluent/fluentd-kubernetes-daemonset/master/fluentd-daemonset-elasticsearch.yaml

2. 服务网格

bash

# Istio 安装
curl -L https://istio.io/downloadIstio | sh -
cd istio-*
./bin/istioctl install --set profile=demo
kubectl label namespace default istio-injection=enabled

3. 包管理工具

bash

# Helm 包管理器
helm repo add bitnami https://charts.bitnami.com/bitnami
helm install my-release bitnami/nginx

# 创建自定义 Chart
helm create mychart
helm install my-app ./mychart
helm upgrade my-app ./mychart

最佳实践

1. 资源管理

yaml

# 总是设置资源限制
resources:
  requests:
    memory: "256Mi"
    cpu: "250m"
  limits:
    memory: "512Mi"
    cpu: "500m"

# 使用 LimitRange 和 ResourceQuota
apiVersion: v1
kind: LimitRange
metadata:
  name: mem-limit-range
spec:
  limits:
  - default:
      memory: 512Mi
    defaultRequest:
      memory: 256Mi
    type: Container

2. 安全性

bash

# 使用非 root 用户运行容器
securityContext:
  runAsNonRoot: true
  runAsUser: 1000

# 限制权限
securityContext:
  capabilities:
    drop:
    - ALL
  readOnlyRootFilesystem: true

# 使用 NetworkPolicy
apiVersion: networking.k8s.io/v1
kind: NetworkPolicy
metadata:
  name: default-deny
spec:
  podSelector: {}
  policyTypes:
  - Ingress
  - Egress

3. 配置管理

bash

# 使用 ConfigMap 和 Secret，而不是硬编码
# 使用环境变量或配置文件注入配置
# 敏感信息使用 Secret，并启用加密

# 启用 Secret 加密
apiVersion: apiserver.config.k8s.io/v1
kind: EncryptionConfiguration
resources:
  - resources:
    - secrets
    providers:
    - aescbc:
        keys:
        - name: key1
          secret: <base64-encoded-secret>

4. 监控和告警

bash

# 使用 Prometheus Operator
kubectl apply -f https://raw.githubusercontent.com/prometheus-operator/prometheus-operator/main/bundle.yaml

# 配置 ServiceMonitor
apiVersion: monitoring.coreos.com/v1
kind: ServiceMonitor
metadata:
  name: web-app-monitor
spec:
  selector:
    matchLabels:
      app: web-app
  endpoints:
  - port: web
    interval: 30s
    path: /metrics

5. 备份和恢复

bash

# 使用 Velero 备份
velero install \
  --provider aws \
  --bucket my-backup-bucket \
  --secret-file ./credentials \
  --use-volume-snapshots=false

# 创建备份
velero backup create my-backup --include-namespaces production

# 恢复
velero restore create --from-backup my-backup

常见问题解决

1. Pod 无法启动

bash

# 查看详细状态
kubectl describe pod <pod-name>

# 查看事件
kubectl get events --field-selector involvedObject.name=<pod-name>

# 查看容器日志
kubectl logs <pod-name> --previous

# 常见原因：
# - 镜像拉取失败
# - 资源不足
# - 配置错误
# - 健康检查失败

2. 节点问题

bash

# 查看节点状态
kubectl get nodes
kubectl describe node <node-name>

# 节点排空（维护前）
kubectl drain <node-name> --ignore-daemonsets --delete-emptydir-data

# 节点恢复
kubectl uncordon <node-name>

# 常见问题：
# - 磁盘空间不足
# - 内存压力
# - 网络问题

3. 网络问题

bash

# 测试服务连通性
kubectl run test --image=busybox --rm -it --restart=Never -- wget -qO- http://service-name.namespace.svc.cluster.local

# 查看网络策略
kubectl get networkpolicies
kubectl describe networkpolicy <policy-name>

# 检查 DNS
kubectl run dns-test --image=busybox --rm -it --restart=Never -- nslookup kubernetes.default

4. 资源清理

bash

# 清理已停止的容器
kubectl delete pods --field-selector=status.phase=Succeeded

# 清理未使用的资源
kubectl delete deployments,services,configmaps,secrets --all

# 清理命名空间中的所有资源
kubectl delete all --all -n <namespace>

总结

Kubernetes 是一个强大但复杂的系统，学习曲线相对陡峭。建议的学习路径：

  1. 基础入门：理解核心概念（Pod、Deployment、Service）

  2. 实际操作：在本地环境（Minikube/kind）练习

  3. 深入理解：学习存储、网络、安全等高级主题

  4. 生产实践：学习监控、日志、CI/CD 集成

  5. 生态系统：探索 Helm、Istio、Operator 等工具

Kubernetes 已经成为云原生应用的事实标准，掌握它将极大提升你在现代软件开发领域的竞争力。

帮助文档和学习资源

官方文档

中文资源

学习平台

书籍推荐

  1. 《Kubernetes in Action》 - Marko Luksa

  2. 《Kubernetes 权威指南》 - 龚正等

  3. 《Kubernetes 进阶实战》 - 马永亮

  4. 《云原生模式》 - Cornelia Davis

认证

社区和支持

视频教程

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