K8S - 命名空间实战 - 从资源隔离到多环境管理

引言

在传统的物理机或虚拟机环境中，不同业务应用共享资源，容易导致权限冲突、资源争用和管理混乱。Kubernetes 通过命名空间（Namespace）实现资源逻辑隔离，将集群划分为多个虚拟子集群，从而解决以下问题：

• 资源组织：按业务、团队或环境分类管理

• 权限控制：限制用户/服务账号的操作范围

• 资源限制：分配 CPU/内存配额，防止资源抢占

• 环境隔离：支持开发、测试、生产环境独立部署

一、核心原理

1.1 命名空间的本质

命名空间是一种逻辑隔离机制，使得集群中的资源独立管理，但仍共享底层物理资源。

• 资源独立：同名资源（如 Deployment、Service）可在不同命名空间共存。

• 默认网络互通：跨命名空间访问需指定完整域名。

1.2 命名空间分类

系统级命名空间示例：

类型	说明
系统级命令空间	由Kubernetes自动创建，存放核心组件
用户自定义命名空间	由用户创建，用于业务应用部署

• default：默认命名空间（未指定时资源部署至此）

• kube-system：存放集群核心组件（如 kube-proxy、CoreDNS）

• kube-public：可供所有用户读取（含未认证用户）

• kube-node-lease：管理节点心跳信息

注意：业务应用请勿部署到系统命名空间，避免影响集群稳定性！

二、实战：命名空间创建与应用部署

首先确保你已经完成如下环境准备。

2.1 环境搭建

1.安装必要工具

确保已安装并配置好以下环境：

• Kubernetes 集群（可使用 Minikube 或 Kind 进行本地测试）

• kubectl命令行工具

• Docker（用于构建镜像）

如果还没有环境，可使用如下命令安装。

java 复制代码

# 安装 Docker 并验证
brew install docker
docker --version          # 预期输出：Docker version 20.10.x
docker run hello-world    # 验证基础功能
# 安装 kubectl 并验证
brew install kubectl
kubectl version --client  # 预期输出：Client Version: v1.28.x
# 安装 kind 并验证
brew install kind
kind version              # 预期输出：kind v0.20.x

2.创建本地 Kubernetes 集群

java 复制代码

kind create cluster --name k8s-demo
kubectl cluster-info  # 确认集群正常运

到此k8s 集群环境已经准备完毕。

2.2 创建与删除命名空间

空间命名规范：符合 DNS-1123 标准，

• 仅包含小写字母、数字和 -

• 以字母开头和结尾

方法 1：命令行创建命名空间

通过 kubectl命令行工具直接创建命名空间，适合快速操作。

java 复制代码

# 创建命名空间
kubectl create namespace dev

# 删除命名空间（谨慎操作）
kubectl delete namespace dev
删除命名空间是 异步过程，状态从 Active → Terminating，其下所有资源将被清理。

在同一命名空间，不能重复创建相同的命名空间。示例

# 第一次创建（成功）
kubectl create namespace dev
# Output: namespace/dev created

# 第二次重复创建（失败）
kubectl create namespace dev
# Output: Error from server (AlreadyExists): namespaces "dev" already exists

方法 2：YAML文件创建命名空间

通过 YAML 文件创建命名空间，适合版本控制和自动化管理。

java 复制代码

# namespace.yaml
apiVersion: v1
kind: Namespace
metadata:
  name: testing
# 将 namespace空间设置应用到集群
kubectl apply -f namespace.yaml
# 第一次应用（成功）
kubectl apply -f namespace.yaml
# Output: namespace/dev created
# 第二次重复应用（无变化）
kubectl apply -f namespace.yaml
# Output: namespace/dev unchanged

特点

幂等性：如果命名空间已存在，不会报错，而是维持现状。
版本控制：YAML 文件可提交至 Git，便于团队协作和变更审计。
扩展性：支持添加标签（labels）和注解（annotations），例如：

java 复制代码

apiVersion: v1
kind: Namespace
metadata:
  name: dev
  labels:
    env: development  # 资源环境标签
  annotations:
    owner: team-a     # 资源归属注解

也可通过命令为命名空间添加标签：

为命名空间添加标签

java 复制代码

kubectl label ns dev env=development
# 按标签过滤资源
kubectl get pods -n dev -l env=development

方式3：通过 Kubernetes API 编程创建

示例（Python + Kubernetes API）

java 复制代码

from kubernetes import client, config

# 加载 kubeconfig 配置
config.load_kube_config()

# 创建 API 客户端
v1 = client.CoreV1Api()

# 定义命名空间对象
namespace_name = "dev"
namespace = client.V1Namespace(metadata=client.V1ObjectMeta(name=namespace_name))

# 创建命名空间，异常处理
try:
    v1.create_namespace(body=namespace)
    print(f"Namespace '{namespace_name}' created successfully")
except client.exceptions.ApiException as e:
    if e.status == 409:
        print(f"Namespace '{namespace_name}' already exists.")
    else:
        print(f"Failed to create namespace '{namespace_name}': {e}")

适用场景

适用于 CI/CD，在部署流程中动态管理命名空间。

自动化集成，便于与 Python、Go、Java 编写的 Kubernetes 管理工具结合。

对比三种创建方式

2.3 在命名空间中部署应用

1.部署应用

方式 1：在 Manifest 文件中指定命名空间（可使用第4讲 2.3 中示例）

java 复制代码

# k8s/deployment.yaml

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: gitops-demo-app
  namespace: dev  # 指定命名空间

spec:
  replicas: 2

  selector:
    matchLabels:
      app: gitops-demo-app

  template:
    metadata:
      labels:
        app: gitops-demo-app

    spec:
      containers:
        - name: app
          image: your-dockerhub-username/gitops-demo-app:v1  # 替换为你的镜像
          ports:
            - containerPort: 5000

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# 检查命名空间是否存在，不存在则创建
kubectl get ns dev || kubectl create ns dev
把 deployment 应用到集群

kubectl apply -f deployment.yaml

方式 2：命令行指定命名空间（推荐）

java 复制代码

kubectl apply -f deployment.yaml -n dev

2.查看命名空间资源

查看上面示例输出：

java 复制代码

#查看 dev 命名空间下的 deployment 
kubectl get deployment -n dev

NAME              READY   UP-TO-DATE   AVAILABLE   AGE
gitops-demo-app   2/2     2            2           17h

# 查看dev命名空间下的所有资源 （Pod/Service等）
kubectl get all -n dev

NAME                                  READY   STATUS    RESTARTS   AGE
pod/gitops-demo-app-5d7b98d8d-2j6qk   1/1     Running   0          17h
pod/gitops-demo-app-5d7b98d8d-8k9xv   1/1     Running   0          17h

NAME                             READY   UP-TO-DATE   AVAILABLE   AGE
deployment.apps/gitops-demo-app   2/2     2            2           17h

NAME                                        DESIRED   CURRENT   READY   AGE
replicaset.apps/gitops-demo-app-5d7b98d8d   2         2         2       17h

注：UP-TO-DATE 表示已更新的 Pod 数。

三、实战：跨命名空间通信

3.1 基础知识

Kubernetes 默认允许跨命名空间访问，但需要使用完整的 DNS 名称：

<服务名>.<命名空间>.svc.cluster.local

• 服务名：Service 资源的名称（如 backend-service）。

• 命名空间：Service 所在的命名空间（如 dev）。

• svc.cluster.local：集群默认的 DNS 后缀（可配置）。

在同一命名空间中访问服务时，使用服务名即可：

• 同一命名空间：backend-service:80

在跨命名空间访问时，必须使用完整的 DNS 名称：

• 跨命名空间：backend-service.dev.svc.cluster.local:80

3.2 实战示例 - 跨命名空间访问

步骤 1：在 dev 命名空间创建 Service

通过 kubectl expose命令暴露 Deployment 为 Service（ClusterIP 类型）：

java 复制代码

kubectl expose deployment gitops-demo-app -n dev --port=80 --target-port=5000

参数说明：

• -n dev：指定命名空间为 dev。

• --port=80：Service 对外暴露的端口。

• --target-port=5000：容器内应用实际监听的端口（需与 Deployment 中定义的 containerPort一致）。

kubectl expose默认会直接创建 Service 并将其应用到集群中。等效的 Service YAML 配置（命令生成的 Service）为：

java 复制代码

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: gitops-demo-app
  namespace: dev
spec:
  selector:
    app: gitops-demo-app
  ports:
    - protocol: TCP
      port: 80
      targetPort: 5000
  type: ClusterIP

验证 Service

执行以下命令验证 Service 是否创建成功：

java 复制代码

kubectl get svc -n dev
预期输出：

NAME               TYPE        CLUSTER-IP      PORT(S)   AGE
gitops-demo-app    ClusterIP   10.96.123.456   80/TCP    5s

步骤 2：从 prod 命名空间发起跨命名空间访问

启动一个临时 Pod 测试跨命名空间访问：

java 复制代码

kubectl run curl-test -n prod \
  --image=curlimages/curl \
  --rm -it -- \
  curl http://gitops-demo-app.dev.svc.cluster.local

参数说明：

• -n prod：在 prod命名空间中运行 Pod。

• --rm -it：容器退出后自动删除此临时容器，并分配交互式终端。

• curl ：测试访问目标 Service。

预期结果：

• 成功：返回 gitops-demo-app服务的响应内容（例如：GitOps Demo v1，具体内容可见 Deployment 文件）。

• 失败的可能原因：

1.目标 Service未正确暴露端口。

2.NetworkPolicy限制了跨命名空间访问。

四、实战：资源配额限制

创建命名空间时增加资源限制，可以通过创建一个 LimitRange对象来限制该命名空间中的资源。LimitRange是 Kubernetes 中用于定义资源限制的策略，可以限制容器的 CPU 和内存等资源。

将 LimitRange和 Namespace一起创建，确保命名空间创建后自动应用这些资源限制。

1.创建 namespace.yaml 和 limitrange.yaml

java 复制代码

# namespace.yaml

apiVersion: v1
kind: Namespace
metadata:
  name: testing

---

# limitrange.yaml

apiVersion: v1
kind: LimitRange
metadata:
  name: default-limit
  namespace: testing
spec:
  limits:
  - max: 
      cpu: "2"
      memory: "4Gi"
    min:
      cpu: "200m"
      memory: "512Mi"
    default:
      cpu: "1"
      memory: "1Gi"
    defaultRequest:
      cpu: "500m"
      memory: "1Gi"
    type: Container

解析：

LimitRange资源限制了testing 命名空间中容器的资源使用：

1.max - 限制容器的最大CPU 和内存使用量，防止某个容器占用过多资源。

• CPU 最大 2 核（2），即容器最多只能申请 2 核 CPU。

• 内存最大 4Gi（4Gi），即容器最多只能申请 4GB 内存。

2.min（最小值）- 规定容器的最小资源申请量，避免某些 Pod 资源太少而影响运行。

• 最小 CPU 为 200毫核（200m），内存为 512Mi。

3.default（默认值）-如果 Pod 没有明确指定资源限制，那么 Kubernetes 自动分配的资源值。

• 默认 CPU 为 1 核，内存为 1Gi。

4.defaultRequest（默认请求）- 如果 Pod 没有指定请求资源，Kubernetes 自动分配的最小起始值。

• 默认请求 CPU 为 500m，内存为 1Gi。

2.应用到集群中

java 复制代码

kubectl apply -f namespace.yaml
kubectl apply -f limitrange.yaml

两个 YAML 文件都在同一个目录下，也可以一次性应用：

java 复制代码

kubectl apply -f .

这样，testing命名空间会被创建，同时应用了资源限制策略。

五、使用场景与最佳实践

5.1 何时使用命名空间？

5.2 命名空间规划建议

小型团队：

• 按环境划分：dev、testing、prod

• 按业务划分：web、database

大型组织：

• 独立集群 + 命名空间：每个团队独立集群，内部再划分命名空间。

六、总结

6.1 核心重点

• 核心价值：命名空间通过逻辑隔离实现资源组织、权限控制和环境管理，是 Kubernetes 多租户能力的关键。

• 软隔离 vs 硬隔离：

• 软隔离：命名空间（同一集群内逻辑隔离）

• 硬隔离：独立集群（物理隔离）

最佳实践：

• 避免修改系统命名空间，业务应用请用自定义命名空间

• 使用 -n 参数指定部署环境，避免误操作

附：操作速查表

java 复制代码

# 查看所有命名空间
kubectl get ns
# 快速切换默认命名空间（避免频繁输入 -n）
kubectl config set-context --current --namespace=dev
# 设置命名空间资源配额（需提前定义 ResourceQuota）
kubectl apply -f quota.yaml -n dev