Kubernetes 进阶实战：CRD、Gateway API 与优先级调度

本文将深入探讨 Kubernetes 的三个高级特性：自定义资源定义（CRD）、新一代 Gateway API 和优先级调度（PriorityClass）。这些功能代表了 Kubernetes 的可扩展性和高级调度能力，是构建生产级云原生平台的关键技术。

一、CRD：扩展 Kubernetes API

自定义资源定义（CRD）允许用户扩展 Kubernetes API，定义自己的资源类型，从而将自定义应用逻辑集成到 Kubernetes 生态中。

1. 创建简单的 CRD

# cronjob-crd.yaml
apiVersion: apiextensions.k8s.io/v1
kind: CustomResourceDefinition
metadata:
  name: cronjobs.stable.example.com
spec:
  group: stable.example.com
  versions:
    - name: v1
      served: true
      storage: true
      schema:
        openAPIV3Schema:
          type: object
          properties:
            spec:
              type: object
              properties:
                cronSpec:
                  type: string
                image:
                  type: string
                replicas:
                  type: integer
  scope: Namespaced
  names:
    plural: cronjobs
    singular: cronjob
    kind: CronJob
    shortNames:
    - cj

应用 CRD：

kubectl apply -f cronjob-crd.yaml

2. 创建自定义资源实例

# my-cronjob.yaml
apiVersion: "stable.example.com/v1"
kind: CronJob
metadata:
  name: my-custom-cronjob
spec:
  cronSpec: "* * * * *"
  image: my-app:latest
  replicas: 3

扩展内容：CRD 与 Operator 模式

1. 控制器集成：CRD 通常与自定义控制器配合使用，实现完整的 Operator 模式

2. 验证规则：可以通过 OpenAPI v3 schema 定义资源验证规则

3. 版本管理：支持多版本共存和版本转换

4. 生态集成：成熟的 Operator 框架如 Kubebuilder、Operator SDK

二、Gateway API：新一代服务网络标准

Gateway API 是 Kubernetes 官方推出的新一代服务网络 API，旨在替代传统的 Ingress，提供更丰富、更面向角色的网络功能。

1. 创建 GatewayClass

# gateway-class.yaml
apiVersion: gateway.networking.k8s.io/v1
kind: GatewayClass
metadata:
  name: company-gateway-class
spec:
  controllerName: example.com/gateway-controller
  parametersRef:
    name: company-gateway-parameters
    group: example.com
    kind: GatewayParameters

2. 创建 Gateway 和 HTTPRoute

# gateway-and-route.yaml
apiVersion: gateway.networking.k8s.io/v1
kind: Gateway
metadata:
  name: company-gateway
spec:
  gatewayClassName: company-gateway-class
  listeners:
  - name: web
    port: 80
    protocol: HTTP
    allowedRoutes:
      namespaces:
        from: Same
---
apiVersion: gateway.networking.k8s.io/v1
kind: HTTPRoute
metadata:
  name: http-app-route
spec:
  parentRefs:
  - name: company-gateway
  rules:
  - matches:
    - path:
        type: PathPrefix
        value: /app
    backendRefs:
    - name: app-service
      port: 8080
  - matches:
    - path:
        type: PathPrefix
        value: /api
    backendRefs:
    - name: api-service
      port: 3000

扩展内容：Gateway API 优势

1. 面向角色设计：清晰分离基础设施管理员、应用开发者的职责

2. 跨命名空间路由：支持跨命名空间的流量管理

3. 丰富的路由能力：支持基于 Header、查询参数等复杂路由规则

4. 服务网格集成：为服务网格提供标准化的流量管理接口

三、PriorityClass：精细化 Pod 调度优先级

PriorityClass 允许为 Pod 设置优先级，影响调度器在资源紧张时的决策，确保关键业务优先获得资源。

1. 创建 PriorityClass

# priorityclasses.yaml
apiVersion: scheduling.k8s.io/v1
kind: PriorityClass
metadata:
  name: high-priority
value: 1000000
globalDefault: false
description: "用于关键业务 Pod"
---
apiVersion: scheduling.k8s.io/v1
kind: PriorityClass
metadata:
  name: medium-priority
value: 500000
globalDefault: true
description: "默认优先级"
---
apiVersion: scheduling.k8s.io/v1
kind: PriorityClass
metadata:
  name: low-priority
value: 100000
globalDefault: false
description: "用于批处理任务"

2. 在 Pod 中使用 PriorityClass

# high-priority-pod.yaml
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: critical-app
spec:
  containers:
  - name: app
    image: critical-app:latest
    resources:
      requests:
        memory: "256Mi"
        cpu: "500m"
      limits:
        memory: "512Mi"
        cpu: "1000m"
  priorityClassName: high-priority

扩展内容：优先级调度实战策略

1. 系统优先级保留：Kubernetes 系统组件使用 2000000000 及以上优先级

2. 抢占机制：高优先级 Pod 可以抢占低优先级 Pod 的资源

3. 资源配额关联：结合 ResourceQuota 确保优先级策略有效执行

4. 多租户场景：为不同业务部门分配不同优先级类别

实战案例：构建完整应用栈

完整部署示例

# complete-stack.yaml
apiVersion: scheduling.k8s.io/v1
kind: PriorityClass
metadata:
  name: production-priority
value: 1000000

---
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: web-app
spec:
  replicas: 3
  selector:
    matchLabels:
      app: web-app
  template:
    metadata:
      labels:
        app: web-app
    spec:
      priorityClassName: production-priority
      containers:
      - name: web
        image: nginx:latest
        ports:
        - containerPort: 80

---
apiVersion: gateway.networking.k8s.io/v1
kind: HTTPRoute
metadata:
  name: web-app-route
spec:
  parentRefs:
  - name: company-gateway
  rules:
  - matches:
    - path:
        type: PathPrefix
        value: /
    backendRefs:
    - name: web-app
      port: 80

总结

这三个高级特性代表了 Kubernetes 平台的不同维度的扩展能力：

1. CRD：提供了 API 层面的扩展能力，让 Kubernetes 能够管理任意类型的资源

2. Gateway API：重新定义了服务网络的标准，提供更强大、更规范的流量管理能力

3. PriorityClass：实现了调度层面的精细化控制，确保关键业务的服务质量

掌握这些特性，意味着您不仅能够使用 Kubernetes，更能够根据业务需求定制和优化 Kubernetes 平台。这些技能对于构建企业级云原生平台、实现真正的 GitOps 和自动化运维至关重要。

在实际应用中，建议将这些特性与 CI/CD 流程、监控告警、安全策略等结合，构建完整的云原生技术体系。