Kubernetes（K8s）全面解析：核心概念、架构与实践

[一、K8s 是什么？](#一、K8s 是什么？)

[二、K8s 的核心优势](#二、K8s 的核心优势)

[三、K8s 的核心概念](#三、K8s 的核心概念)

[1. Pod](#1. Pod)

[2. 控制器（Controller）](#2. 控制器（Controller）)

[3. Service](#3. Service)

[4. 命名空间（Namespace）](#4. 命名空间（Namespace）)

[5. 配置与存储](#5. 配置与存储)

[6. 标签与选择器（Label/Selector）](#6. 标签与选择器（Label/Selector）)

[四、K8s 的架构设计](#四、K8s 的架构设计)

[1. 控制平面（Master 节点）](#1. 控制平面（Master 节点）)

[2. 节点（Node 节点）](#2. 节点（Node 节点）)

[五、K8s 的基本使用流程](#五、K8s 的基本使用流程)

[1. 环境部署](#1. 环境部署)

[2. 核心命令](#2. 核心命令)

（1）集群信息查看

[（2）资源操作（以 Deployment 为例）](#（2）资源操作（以 Deployment 为例）)

[（3）Service 操作](#（3）Service 操作)

（4）配置与存储操作

[3. 资源清单（YAML 文件）](#3. 资源清单（YAML 文件）)

[（1）Deployment 清单（nginx-deployment.yaml）](#（1）Deployment 清单（nginx-deployment.yaml）)

[（2）Service 清单（nginx-service.yaml）](#（2）Service 清单（nginx-service.yaml）)

[六、K8s 的核心功能实践](#六、K8s 的核心功能实践)

[1. 应用部署与扩缩容](#1. 应用部署与扩缩容)

[2. 滚动更新与回滚](#2. 滚动更新与回滚)

[3. 服务暴露与访问](#3. 服务暴露与访问)

[4. 数据持久化](#4. 数据持久化)

[七、K8s 的生态工具](#七、K8s 的生态工具)

八、总结

Kubernetes（简称 K8s）是 Google 开源的容器编排平台 ，旨在自动化容器的部署、扩展、运维和管理，是云原生生态的核心技术。它将零散的容器组织成高可用、可伸缩的应用集群，解决了大规模容器管理的复杂性问题。以下从核心概念、架构设计、核心功能、使用流程等维度，全面拆解 K8s。

一、K8s 是什么？

K8s 的名字源于希腊语 "舵手" 或 "飞行员"，寓意为容器集群的 "导航系统"。其核心目标是：让容器化应用在集群中高效、可靠地运行，提供自动化的容器编排能力（如调度、伸缩、自愈、负载均衡）。

简单来说：如果 Docker 是 "集装箱"（封装应用），K8s 就是 "港口调度系统"（管理集装箱的装卸、运输、堆叠）。

二、K8s 的核心优势

自动化运维：自动完成容器的部署、重启、扩缩容，减少人工干预。
高可用性：节点或容器故障时自动调度到其他节点，保证服务不中断。
弹性伸缩：根据 CPU 使用率、QPS 等指标自动增减容器数量。
负载均衡：内置服务发现和负载均衡，实现容器间的通信与流量分发。
滚动更新与回滚：无停机更新应用版本，更新失败时可快速回滚。
跨环境兼容：支持公有云（AWS、Azure）、私有云、混合云，实现 "一次部署，到处运行"。

三、K8s 的核心概念

1. Pod

定义：K8s 的最小部署单元，是一个或多个容器的组合（共享网络、存储）。
特性：
- 容器共享 Pod 的 IP 和端口空间（Pod 内容器可通过localhost通信）。
- 生命周期短暂（被调度到节点后，若节点故障或 Pod 被删除，不会重建，需通过控制器管理）。
- 包含 "基础设施容器"（Pause 容器），用于维持 Pod 的网络命名空间。
示例：一个 Web 应用 Pod 可能包含 "应用容器 + 日志收集容器"。

2. 控制器（Controller）

用于管理 Pod 的生命周期，确保 Pod 按期望状态运行。常见控制器：

Deployment：最常用的控制器，管理无状态应用，支持滚动更新、扩缩容、回滚。
StatefulSet：管理有状态应用（如数据库），保证 Pod 的名称、网络标识、存储的唯一性。
DaemonSet：在集群每个节点上运行一个 Pod 副本（如日志收集、监控 Agent）。
Job/CronJob：运行一次性任务（Job）或定时任务（CronJob）。

3. Service

定义：为 Pod 提供稳定的网络访问入口，解决 Pod 动态 IP 变化的问题。
类型：
- ClusterIP：默认类型，仅集群内部可访问（通过虚拟 IP）。
- NodePort：在每个节点开放一个静态端口，外部可通过 "节点 IP + 端口" 访问。
- LoadBalancer：结合云服务商的负载均衡器，对外暴露服务（公有云常用）。
- Ingress：非 Service 类型，通过 Ingress Controller 实现 HTTP/HTTPS 路由（如域名转发）。

4. 命名空间（Namespace）

定义：用于隔离集群资源（如 Pod、Service、Deployment），实现多租户管理。
默认命名空间 ：
- default：未指定命名空间的资源默认放在这里。
- kube-system：K8s 系统组件所在的命名空间。
- kube-public：公共资源命名空间（所有用户可读）。

5. 配置与存储

ConfigMap：存储非敏感配置数据（如环境变量、配置文件），可挂载到 Pod 中。
Secret：存储敏感数据（如密码、Token、证书），数据会被 Base64 编码（需加密增强安全性）。
Volume：Pod 的持久化存储，支持多种存储类型（如本地存储、NFS、云存储）。
PersistentVolume（PV）/PersistentVolumeClaim（PVC）：PV 是集群的存储资源，PVC 是 Pod 对存储的申请（类似 "存储租赁"）。

6. 标签与选择器（Label/Selector）

标签：键值对形式的元数据（如app=nginx、env=prod），用于标识资源。
选择器 ：通过标签筛选资源（如 Deployment 通过selector匹配 Pod 标签），实现资源关联。

四、K8s 的架构设计

K8s 采用主从架构（Master-Node），分为控制平面（Control Plane）和节点（Node）两部分。

1. 控制平面（Master 节点）

负责集群的全局决策（调度、管理），包含以下核心组件：

kube-apiserver：集群的统一入口，所有操作通过 API Server 执行（RESTful API），提供认证、授权、准入控制。
etcd：集群的数据库，存储所有集群状态数据（配置、元数据），需保证高可用。
kube-scheduler：负责 Pod 的调度（将 Pod 分配到合适的 Node 节点），基于资源需求、节点亲和性等策略。
kube-controller-manager：包含多种控制器（节点控制器、副本控制器、Service 控制器等），维护集群状态。
cloud-controller-manager：与云服务商集成的控制器（可选），管理云资源（如负载均衡器、云存储）。

2. 节点（Node 节点）

负责运行容器化应用，包含以下核心组件：

kubelet：Node 节点的代理，与 API Server 通信，管理 Pod 的生命周期（启动、停止容器），确保 Pod 按期望运行。
kube-proxy：维护 Node 节点的网络规则，实现 Service 的负载均衡（转发流量到 Pod）。
容器运行时（Container Runtime）：运行容器的软件，如 containerd、CRI-O（早期用 Docker，需通过 cri-dockerd 适配）。
容器网络接口（CNI）：实现 Pod 间的网络通信（如 Flannel、Calico、Cilium）。

五、K8s 的基本使用流程

1. 环境部署

K8s 的部署方式有多种，适合不同场景：

Minikube ：单机版 K8s，适合开发测试（minikube start一键启动）。
kubeadm：官方工具，用于部署生产级集群（需多台服务器）。
云服务商托管 K8s：如 AWS EKS、Azure AKS、阿里云 ACK（无需手动维护控制平面）。

2. 核心命令

K8s 的命令行工具是kubectl，常用命令如下：

（1）集群信息查看

bash

运行

复制代码

# 查看集群节点
kubectl get nodes

# 查看集群信息
kubectl cluster-info

# 查看命名空间
kubectl get namespaces

（2）资源操作（以 Deployment 为例）

bash

运行

复制代码

# 创建Deployment（从YAML文件）
kubectl apply -f nginx-deployment.yaml

# 查看Deployment
kubectl get deployments

# 查看Pod
kubectl get pods

# 查看Pod详情
kubectl describe pod <pod-name>

# 查看Pod日志
kubectl logs <pod-name>

# 进入Pod容器
kubectl exec -it <pod-name> -- /bin/bash

# 扩缩容Deployment
kubectl scale deployment nginx-deployment --replicas=5

# 删除Deployment
kubectl delete deployment nginx-deployment

（3）Service 操作

bash

运行

复制代码

# 创建Service
kubectl apply -f nginx-service.yaml

# 查看Service
kubectl get services

# 查看Service详情
kubectl describe service nginx-service

（4）配置与存储操作

bash

运行

复制代码

# 创建ConfigMap
kubectl create configmap app-config --from-literal=env=prod --from-file=app.conf

# 创建Secret
kubectl create secret generic db-secret --from-literal=username=root --from-literal=password=123456

# 查看ConfigMap/Secret
kubectl get configmaps
kubectl get secrets

3. 资源清单（YAML 文件）

K8s 通过 YAML 文件定义资源（声明式 API），以下是一个完整的 Deployment+Service 示例：

（1）Deployment 清单（nginx-deployment.yaml）

yaml

复制代码

apiVersion: apps/v1  # API版本（不同资源版本不同）
kind: Deployment     # 资源类型
metadata:
  name: nginx-deployment  # 资源名称
  namespace: default      # 命名空间
spec:
  replicas: 3  # 副本数
  selector:
    matchLabels:
      app: nginx  # 匹配Pod标签
  template:
    metadata:
      labels:
        app: nginx  # Pod标签
    spec:
      containers:
      - name: nginx  # 容器名称
        image: nginx:1.25  # 容器镜像
        ports:
        - containerPort: 80  # 容器端口
        resources:  # 资源限制
          limits:
            cpu: "1"
            memory: "1Gi"
          requests:
            cpu: "0.5"
            memory: "512Mi"
        env:  # 环境变量（从ConfigMap/Secret注入）
        - name: ENV
          valueFrom:
            configMapKeyRef:
              name: app-config
              key: env
        - name: DB_PASSWORD
          valueFrom:
            secretKeyRef:
              name: db-secret
              key: password

（2）Service 清单（nginx-service.yaml）

yaml

复制代码

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: nginx-service
spec:
  type: NodePort  # Service类型
  selector:
    app: nginx  # 匹配Pod标签
  ports:
  - port: 80        # Service端口
    targetPort: 80  # Pod端口
    nodePort: 30080 # 节点端口（范围30000-32767）

六、K8s 的核心功能实践

1. 应用部署与扩缩容

部署应用 ：kubectl apply -f nginx-deployment.yaml
手动扩缩容 ：kubectl scale deployment nginx-deployment --replicas=5
自动扩缩容 ：通过 HPA（Horizontal Pod Autoscaler）基于 CPU 使用率自动扩缩容：

bash

运行
复制代码
```
kubectl autoscale deployment nginx-deployment --min=2 --max=10 --cpu-percent=50
```

2. 滚动更新与回滚

更新镜像版本 ：

bash

运行

复制代码

kubectl set image deployment/nginx-deployment nginx=nginx:1.26

查看更新状态 ：kubectl rollout status deployment/nginx-deployment
回滚到上一版本 ：kubectl rollout undo deployment/nginx-deployment

3. 服务暴露与访问

NodePort 访问 ：通过节点IP:30080访问服务。

Ingress 访问 ：配置 Ingress 实现域名访问（需先部署 Ingress Controller，如 Nginx Ingress）：

yaml

复制代码

apiVersion: networking.k8s.io/v1
kind: Ingress
metadata:
  name: nginx-ingress
spec:
  rules:
  - host: nginx.example.com
    http:
      paths:
      - path: /
        pathType: Prefix
        backend:
          service:
            name: nginx-service
            port:
              number: 80

4. 数据持久化

通过 PV/PVC 实现 Pod 数据持久化：

yaml

复制代码

# PV清单
apiVersion: v1
kind: PersistentVolume
metadata:
  name: nginx-pv
spec:
  capacity:
    storage: 10Gi
  accessModes:
    - ReadWriteOnce
  hostPath:
    path: /data/nginx-pv  # 本地存储路径

# PVC清单
apiVersion: v1
kind: PersistentVolumeClaim
metadata:
  name: nginx-pvc
spec:
  accessModes:
    - ReadWriteOnce
  resources:
    requests:
      storage: 5Gi

# Deployment挂载PVC
spec:
  containers:
  - name: nginx
    volumeMounts:
    - name: nginx-storage
      mountPath: /usr/share/nginx/html
  volumes:
  - name: nginx-storage
    persistentVolumeClaim:
      claimName: nginx-pvc

七、K8s 的生态工具

监控与日志：Prometheus（监控）+ Grafana（可视化）、ELK Stack（日志收集分析）、Loki（轻量级日志系统）。
服务网格：Istio（流量管理、安全、可观测性）、Linkerd（轻量级服务网格）。
CI/CD 集成：Jenkins、GitLab CI、ArgoCD（GitOps 工具）。
容器镜像仓库：Harbor（私有仓库）、Docker Hub（公有仓库）。
集群管理工具：KubeSphere（可视化管理平台）、Rancher（多集群管理）。

八、总结

Kubernetes 是容器编排领域的事实标准，通过抽象化的资源定义和自动化的管理能力，解决了大规模容器集群的运维复杂性。掌握 K8s 的核心概念（Pod、Deployment、Service）、架构设计和实践操作，是云原生开发和运维的必备技能。后续可深入学习 K8s 的高级特性（如调度策略、安全机制、集群联邦），以及云原生生态的其他技术（如 Service Mesh、Serverless）。