Kubernetes（k8s）全面解析：从入门到实践

最近打算写一个流水线可视化平台，所以打算写一篇文章详细说说关于Kubernetes的原理和使用

一、Kubernetes 简介

1.1 什么是Kubernetes？

Kubernetes（简称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。其核心能力包括：

• 服务发现与负载均衡

• 存储编排

• 自动扩缩容

• 自我修复

• 密钥与配置管理

1.2 核心概念

术语	说明
Pod	最小部署单元，包含1个或多个共享存储/网络的容器
Node	工作节点，运行容器的主机
Deployment	定义Pod的创建和更新策略
Service	抽象访问Pod的逻辑集合，提供稳定IP和DNS名称

---

二、Kubernetes 架构详解

2.1 集群架构图

graph TD
    A[Control Plane] --> B[API Server]
    A --> C[Scheduler]
    A --> D[Controller Manager]
    A --> E[etcd]
    F[Worker Node] --> G[Kubelet]
    F --> H[Kube-Proxy]
    F --> I[Container Runtime]

2.2 核心组件

控制平面（Control Plane）

1. API Server：集群操作的唯一入口

2. etcd：分布式键值存储，保存集群状态

3. Scheduler：将Pod分配到合适节点

4. Controller Manager：执行节点管理、任务调度等控制循环

工作节点（Worker Node）

1. Kubelet：与Control Plane通信，管理Pod生命周期

2. Kube-Proxy：维护网络规则

3. 容器运行时：Docker/containerd等

三、实战部署示例

3.1 创建Nginx Deployment

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

3.2 暴露Service

yaml

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: nginx-service
spec:
  selector:
    app: nginx
  ports:
    - protocol: TCP
      port: 80
      targetPort: 80
  type: LoadBalancer

四、网络模型解析

4.1 Pod网络通信

sequenceDiagram
    Pod1->>Pod2: 直接通信（通过CNI插件）
    Pod1->>Service: 虚拟IP访问
    Service->>Pod2: 负载均衡转发

4.2 网络策略示例

yaml

apiVersion: networking.k8s.io/v1
kind: NetworkPolicy
metadata:
  name: allow-web
spec:
  podSelector:
    matchLabels:
      role: web
  ingress:
  - from:
    - podSelector:
        matchLabels:
          role: client
    ports:
    - protocol: TCP
      port: 80

五、存储管理

5.1 PersistentVolume（PV）配置

yaml

apiVersion: v1
kind: PersistentVolume
metadata:
  name: pv-vol1
spec:
  capacity:
    storage: 10Gi
  accessModes:
    - ReadWriteOnce
  hostPath:
    path: "/mnt/data"

5.2 StorageClass示例

yaml

apiVersion: storage.k8s.io/v1
kind: StorageClass
metadata:
  name: fast-storage
provisioner: kubernetes.io/aws-ebs
parameters:
  type: gp3
  fsType: ext4

六、监控与日志

6.1 监控架构

graph TD
    A[数据源] -->|指标/日志/事件| B[采集层]
    B -->|数据聚合| C[存储层]
    C -->|查询分析| D[可视化层]
    C -->|告警规则| E[告警层]
    D -->|仪表盘| F[用户]
    E -->|通知| F[用户]

    subgraph 数据源
        A1[Kubernetes API Server]
        A2[Node Exporter]
        A3[Kube-state-metrics]
        A4[应用自定义指标]
        A5[容器运行时]
    end

    subgraph 采集层
        B1[Prometheus]
        B2[Fluentd]
        B3[Metrics Server]
    end

    subgraph 存储层
        C1[Prometheus TSDB]
        C2[Elasticsearch]
        C3[Thanos]
    end

    subgraph 可视化层
        D1[Grafana]
        D2[Kibana]
    end

    subgraph 告警层
        E1[Alertmanager]
        E2[PrometheusRule]
    end

架构说明 2610

1. 数据源层：包含 Kubernetes 核心组件（API Server、etcd）、节点资源（Node Exporter）、集群状态（Kube-state-metrics）及业务应用指标

2. 采集层：

   • Prometheus 负责指标抓取（支持服务发现机制）

   • Fluentd 实现日志收集

   • Metrics Server 提供基础资源监控

3. 存储层：

   • Prometheus TSDB 存储短期监控数据

   • Thanos 实现长期存储和多集群聚合

4. 可视化层：通过 Grafana 自定义仪表盘展示多维数据

5. 告警层：Alertmanager 实现分级告警路由，支持邮件/Slack 等通知方式

6.1 核心监控组件原理

1.Prometheus-Operator 架构

工作流程 210：

1. CRD 管理：通过自定义资源（Prometheus、ServiceMonitor 等）声明监控配置

2. 动态发现：

   • ServiceMonitor 自动发现 Kubernetes Service

   • PodMonitor 直接监控 Pod 端点

3. 配置热加载：Operator 监听 CRD 变更并实时更新 Prometheus 配置

4. 高可用保障：支持多副本 Prometheus 实例 + Thanos 侧车模式

示例 ServiceMonitor 配置：

yaml

apiVersion: monitoring.coreos.com/v1
kind: ServiceMonitor
metadata:
  name: api-server-monitor
spec:
  selector:
    matchLabels:
      component: apiserver
  endpoints:
  - port: https-metrics
    interval: 30s
    scheme: https
    tlsConfig:
      insecureSkipVerify: true

常用命令

kubectl top nodes # 查看节点资源使用

kubectl logs <pod-name> # 查看Pod日志

kubectl describe pod <pod-name> # 诊断Pod状态

七、实践

1. 使用Declarative方式管理资源（YAML文件）

2. 设置资源请求/限制（requests/limits）

3. 采用RBAC进行权限控制

4. 定期升级集群版本

5. 使用Helm进行应用打包

下一期介绍Kubernetes原理