【云原生】二.Kubernetes基础入门：架构详解与环境搭建

写在前面

在容器化技术日益普及的今天，Docker解决了应用的打包和运行问题，但当容器数量增多、需要跨多台服务器部署时，如何高效管理这些容器就成了新的挑战。Kubernetes（简称K8s）正是为解决这个问题而生的容器编排平台，它能够自动化部署、扩展和管理容器化应用。

本篇文章将重点讲解Kubernetes是什么、核心架构、环境搭建方法以及kubectl基础命令。

一、Kubernetes简介

1.1 什么是Kubernetes

Kubernetes是Google开源的容器编排平台，源于Google内部使用了15年的Borg系统。Kubernetes这个名字来自希腊语，意为"舵手"或"飞行员"，它的logo是一个舵轮，象征着它作为容器集群"掌舵者"的角色。

Kubernetes的核心功能是自动化容器化应用的部署、扩展和管理。它提供了：

服务发现与负载均衡：自动暴露容器服务，分发网络流量
存储编排：自动挂载存储系统，支持多种存储后端
自动部署和回滚：声明式更新应用，支持自动回滚
自动装箱：根据资源需求和约束自动调度容器
自我修复：重启失败容器、替换和重新调度异常节点上的容器
密钥和配置管理：管理敏感信息和应用配置

1.2 为什么需要Kubernetes

当应用从单体架构转向微服务架构后，容器数量急剧增加。以一个典型的电商系统为例，可能包含用户服务、订单服务、支付服务、库存服务、网关服务等数十个微服务，每个服务可能需要多个实例。手动管理这些容器变得极其困难：

如何保证服务始终运行？
如何在服务器故障时自动迁移服务？
如何实现服务的自动扩缩容？
如何管理服务间的网络通信？

Kubernetes正是为解决这些问题而设计的。它像一个智能的运维团队，7x24小时监控和管理你的容器化应用。

1.3 Kubernetes vs Docker Swarm

|-------|---------------------|--------------|
| 对比项 | Kubernetes | Docker Swarm |
| 复杂度 | 较高，学习曲线陡峭 | 较低，上手简单 |
| 功能丰富度 | 非常丰富，企业级特性 | 基础功能，适合简单场景 |
| 生态系统 | 庞大，社区活跃 | 相对较小 |
| 自动扩缩容 | 支持HPA、VPA、CA | 不支持原生自动扩缩容 |
| 服务发现 | CoreDNS，功能强大 | 内置，功能基础 |
| 存储 | PV/PVC/StorageClass | Volume插件 |
| 适用场景 | 大规模生产环境 | 小型集群、开发测试 |

Docker Swarm适合快速入门和小规模部署，而Kubernetes则更适合企业级生产环境和复杂的微服务架构。

二、Kubernetes架构详解

Kubernetes集群采用Master-Worker架构，分为控制平面（Control Plane）和工作节点（Worker Node）两部分。

2.1 整体架构

复制代码

┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│                        Kubernetes集群架构                                 │
├─────────────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│                                                                         │
│   ┌─────────────────────────────────────────────────────────────────┐  │
│   │                      Master节点（控制平面）                         │  │
│   │  ┌─────────────┐  ┌─────────────┐  ┌─────────────┐              │  │
│   │  │ API Server  │  │Scheduler   │  │Controller  │              │  │
│   │  │  API服务器   │  │  调度器     │  │Manager     │              │  │
│   │  │             │  │             │  │ 控制器管理器 │              │  │
│   │  └─────────────┘  └─────────────┘  └─────────────┘              │  │
│   │         │                                                    │  │
│   │         ▼                                                    │  │
│   │  ┌─────────────────────────────────────────────────────────┐  │  │
│   │  │                         etcd                            │  │  │
│   │  │                    分布式键值存储                          │  │  │
│   │  └─────────────────────────────────────────────────────────┘  │  │
│   └─────────────────────────────────────────────────────────────────┘  │
│                                    │                                    │
│                                    ▼                                    │
│   ┌─────────────────────────────────────────────────────────────────┐  │
│   │                      Worker节点（工作节点）                         │  │
│   │  ┌─────────────┐  ┌─────────────┐  ┌─────────────┐              │  │
│   │  │   Kubelet   │  │ Kube-proxy  │  │ Container   │              │  │
│   │  │  节点代理    │  │  网络代理    │  │ Runtime     │              │  │
│   │  │             │  │             │  │ 容器运行时   │              │  │
│   │  └─────────────┘  └─────────────┘  └─────────────┘              │  │
│   │         │                                                    │  │
│   │         ▼                                                    │  │
│   │  ┌─────────────────────────────────────────────────────────┐  │  │
│   │  │                      Pods                               │  │  │
│   │  │  ┌───────┐  ┌───────┐  ┌───────┐  ┌───────┐           │  │  │
│   │  │  │ Pod 1 │  │ Pod 2 │  │ Pod 3 │  │ Pod 4 │           │  │  │
│   │  │  └───────┘  └───────┘  └───────┘  └───────┘           │  │  │
│   │  └─────────────────────────────────────────────────────────┘  │  │
│   └─────────────────────────────────────────────────────────────────┘  │
│                                                                         │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘

2.2 Master节点组件

Master节点负责集群的管理和调度，是集群的"大脑"。

API Server

API Server是Kubernetes的入口，所有组件和用户都通过它进行通信。它提供了RESTful API，用于查询和修改集群状态。API Server是唯一直接与etcd通信的组件，其他组件都需要通过API Server来获取或更新数据。

复制代码

# 查看API Server状态
kubectl get componentstatuses

# 查看API Server版本
kubectl version

Scheduler（调度器）

Scheduler负责将Pod调度到合适的Worker节点上。它根据多种因素进行调度决策：

资源需求（CPU、内存）
硬件/软件/策略约束
亲和性和反亲和性规则
数据局部性要求
服务间的干扰

查看调度器日志

kubectl logs -n kube-system kube-scheduler-master

查看节点资源使用情况

kubectl describe nodes

Controller Manager（控制器管理器）

Controller Manager运行着各种控制器，每个控制器负责一种资源的管理：

Node Controller：监控节点健康状态
Replication Controller：维护Pod副本数量
Deployment Controller：管理Deployment的滚动更新
Service Controller：管理Service和负载均衡器
Endpoint Controller：填充Service的Endpoints

查看控制器管理器日志

kubectl logs -n kube-system kube-controller-manager-master

etcd

etcd是一个高可用的键值存储系统，用于存储Kubernetes集群的所有数据。它是集群的"数据库"，存储了：

节点信息
Pod配置
Service定义
Secret和ConfigMap
集群状态

备份etcd数据

ETCDCTL_API=3 etcdctl snapshot save snapshot.db
--cacert=/etc/kubernetes/pki/etcd/ca.crt
--cert=/etc/kubernetes/pki/etcd/server.crt
--key=/etc/kubernetes/pki/etcd/server.key

查看etcd成员

ETCDCTL_API=3 etcdctl member list
--cacert=/etc/kubernetes/pki/etcd/ca.crt
--cert=/etc/kubernetes/pki/etcd/server.crt
--key=/etc/kubernetes/pki/etcd/server.key

2.3 Worker节点组件

Worker节点负责运行容器化应用，是集群的"劳动力"。

Kubelet

Kubelet是运行在每个节点上的代理，负责：

监听API Server，获取分配给本节点的Pod
挂载Pod所需的存储卷
下载Pod所需的Secret
通过容器运行时运行容器
周期性向API Server汇报节点状态

查看kubelet状态

systemctl status kubelet

查看kubelet日志

journalctl -u kubelet -f

Kube-proxy

Kube-proxy维护节点上的网络规则，实现Service的负载均衡：

为Service创建iptables或IPVS规则
将Service的ClusterIP流量转发到后端Pod
支持SessionAffinity

查看kube-proxy日志

kubectl logs -n kube-system kube-proxy-xxxxx

查看iptables规则

iptables -t nat -L KUBE-SERVICES

Container Runtime

容器运行时负责运行容器，Kubernetes支持多种容器运行时：

Docker：最流行的容器运行时（已弃用，使用containerd）
containerd：Docker的核心容器运行时
CRI-O：专为Kubernetes设计的轻量级运行时
Podman：无守护进程的容器运行时

查看容器运行时

kubectl describe node | grep -i "Container Runtime"

查看运行的容器

crictl ps

2.4 核心概念关系图

复制代码

┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│                        Kubernetes核心概念关系                              │
├─────────────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│                                                                         │
│   Namespace（命名空间）                                                  │
│   ┌─────────────────────────────────────────────────────────────────┐  │
│   │                                                                 │  │
│   │   Deployment（部署）                                             │  │
│   │   ┌─────────────────────────────────────────────────────────┐  │  │
│   │   │                                                         │  │  │
│   │   │   ReplicaSet（副本集）                                    │  │  │
│   │   │   ┌─────────────────────────────────────────────────┐  │  │  │
│   │   │   │                                                 │  │  │  │
│   │   │   │   Pod（最小调度单元）                              │  │  │  │
│   │   │   │   ┌─────────────────────────────────────────┐  │  │  │  │
│   │   │   │   │  Container（容器）                       │  │  │  │  │
│   │   │   │   │  ┌─────────┐  ┌─────────┐              │  │  │  │  │
│   │   │   │   │  │ 容器1   │  │ 容器2   │              │  │  │  │  │
│   │   │   │   │  └─────────┘  └─────────┘              │  │  │  │  │
│   │   │   │   └─────────────────────────────────────────┘  │  │  │  │
│   │   │   │                                                 │  │  │  │
│   │   │   └─────────────────────────────────────────────────┘  │  │  │
│   │   │                                                         │  │  │
│   │   └─────────────────────────────────────────────────────────┘  │  │
│   │                                                                 │  │
│   │   Service（服务）                                               │  │
│   │   ┌─────────────────────────────────────────────────────────┐  │  │
│   │   │  ClusterIP / NodePort / LoadBalancer                    │  │  │
│   │   │  ──────────────────────────────────────────────         │  │  │
│   │   │  选择器（Selector）→ Pod标签匹配                          │  │  │
│   │   └─────────────────────────────────────────────────────────┘  │  │
│   │                                                                 │  │
│   └─────────────────────────────────────────────────────────────────┘  │
│                                                                         │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘

三、本地开发环境搭建

学习Kubernetes需要一个实验环境，以下是几种常用的本地开发环境搭建方式。

3.1 Minikube

Minikube是最流行的本地Kubernetes环境，适合学习和开发测试。

安装Minikube（Windows）：

复制代码

# 使用Chocolatey安装
choco install minikube

# 或者手动下载
# 访问 https://minikube.sigs.k8s.io/docs/start/ 下载安装包

安装Minikube（macOS）：

复制代码

# 使用Homebrew安装
brew install minikube

安装Minikube（Linux）：

复制代码

# 下载并安装
curl -LO https://storage.googleapis.com/minikube/releases/latest/minikube-linux-amd64
sudo install minikube-linux-amd64 /usr/local/bin/minikube

启动Minikube：

复制代码

# 使用Docker驱动启动（推荐）
minikube start --driver=docker

# 指定Kubernetes版本
minikube start --kubernetes-version=v1.28.0

# 分配更多资源
minikube start --memory=4096 --cpus=4

# 查看状态
minikube status

# 停止集群
minikube stop

# 删除集群
minikube delete

常用Minikube命令：

复制代码

# 打开Kubernetes Dashboard
minikube dashboard

# SSH进入节点
minikube ssh

# 查看节点IP
minikube ip

# 挂载本地目录到节点
minikube mount /host/path:/vm/path

# 查看插件列表
minikube addons list

# 启用插件
minikube addons enable ingress
minikube addons enable metrics-server

3.2 Kind

Kind（Kubernetes in Docker）是在Docker容器中运行Kubernetes的工具，启动速度快，适合CI/CD场景。

安装Kind（macOS/Linux）：

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# macOS
brew install kind

# Linux
curl -Lo ./kind https://kind.sigs.k8s.io/dl/v0.20.0/kind-linux-amd64
chmod +x ./kind
sudo mv ./kind /usr/local/bin/kind

安装Kind（Windows）：

复制代码

# 使用Chocolatey
choco install kind

创建集群：

复制代码

# 创建默认集群
kind create cluster

# 指定集群名称
kind create cluster --name my-cluster

# 使用配置文件创建多节点集群
cat <<EOF > kind-config.yaml
kind: Cluster
apiVersion: kind.x-k8s.io/v1alpha4
nodes:
- role: control-plane
- role: worker
- role: worker
EOF

kind create cluster --config kind-config.yaml

# 查看集群列表
kind get clusters

# 删除集群
kind delete cluster --name my-cluster

3.3 k3s

k3s是Rancher出品的轻量级Kubernetes，二进制文件不到100MB，适合边缘计算和IoT场景。

安装k3s（Linux）：

复制代码

# 安装k3s
curl -sfL https://get.k3s.io | sh -

# 查看节点状态
sudo k3s kubectl get nodes

# 获取kubeconfig
sudo cat /etc/rancher/k3s/k3s.yaml

# 停止k3s
sudo systemctl stop k3s

# 卸载k3s
sudo /usr/local/bin/k3s-uninstall.sh

3.4 环境对比

|-------|----------|---------|---------|
| 特性 | Minikube | Kind | k3s |
| 启动速度 | 较慢 | 快 | 最快 |
| 资源占用 | 中等 | 低 | 最低 |
| 多节点支持 | 支持（需配置） | 支持 | 支持 |
| 适用场景 | 学习开发 | CI/CD测试 | 边缘计算、生产 |
| 易用性 | 最好 | 好 | 好 |

四、kubectl命令基础

kubectl是Kubernetes的命令行工具，用于与Kubernetes集群交互。

4.1 安装kubectl

安装kubectl（macOS）：

复制代码

# 使用Homebrew
brew install kubectl

# 或者使用curl下载
curl -LO "https://dl.k8s.io/release/$(curl -L -s https://dl.k8s.io/release/stable.txt)/bin/darwin/amd64/kubectl"
chmod +x kubectl
sudo mv kubectl /usr/local/bin/

安装kubectl（Linux）：

复制代码

# 使用curl下载
curl -LO "https://dl.k8s.io/release/$(curl -L -s https://dl.k8s.io/release/stable.txt)/bin/linux/amd64/kubectl"
chmod +x kubectl
sudo mv kubectl /usr/local/bin/

安装kubectl（Windows）：

复制代码

# 使用Chocolatey
choco install kubernetes-cli

# 或者使用curl下载
curl -LO "https://dl.k8s.io/release/v1.28.0/bin/windows/amd64/kubectl.exe"
# 将kubectl.exe添加到PATH

4.2 配置kubeconfig

kubeconfig文件用于配置kubectl访问集群的凭证。

复制代码

# 查看当前配置
kubectl config view

# 查看当前上下文
kubectl config current-context

# 切换上下文
kubectl config use-context minikube

# 查看所有上下文
kubectl config get-contexts

# 设置默认命名空间
kubectl config set-context --current --namespace=default

kubeconfig文件结构：

复制代码

apiVersion: v1
kind: Config
clusters:
- cluster:
    certificate-authority: /path/to/ca.crt
    server: https://kubernetes-api-server:6443
  name: my-cluster
contexts:
- context:
    cluster: my-cluster
    namespace: default
    user: my-user
  name: my-context
current-context: my-context
users:
- name: my-user
  user:
    client-certificate: /path/to/client.crt
    client-key: /path/to/client.key

4.3 常用命令详解

4.3.1 查看资源

复制代码

# 查看节点
kubectl get nodes
kubectl get nodes -o wide

# 查看Pod
kubectl get pods
kubectl get pods -n kube-system
kubectl get pods -o wide
kubectl get pods --show-labels

# 查看所有命名空间的Pod
kubectl get pods -A

# 查看Deployment
kubectl get deployments
kubectl get deploy

# 查看Service
kubectl get services
kubectl get svc

# 查看所有资源
kubectl get all
kubectl get all -A

4.3.2 创建资源

复制代码

# 使用命令行创建Deployment
kubectl create deployment nginx --image=nginx

# 使用YAML文件创建资源
kubectl apply -f deployment.yaml

# 创建命名空间
kubectl create namespace my-namespace

# 创建ConfigMap
kubectl create configmap my-config --from-literal=key1=value1

# 创建Secret
kubectl create secret generic my-secret --from-literal=password=mypassword

4.3.3 描述资源

复制代码

# 查看节点详情
kubectl describe node node-name

# 查看Pod详情
kubectl describe pod pod-name

# 查看Deployment详情
kubectl describe deployment deployment-name

# 查看Service详情
kubectl describe service service-name

4.3.4 日志和调试

复制代码

# 查看Pod日志
kubectl logs pod-name

# 实时查看日志
kubectl logs -f pod-name

# 查看指定容器的日志
kubectl logs pod-name -c container-name

# 查看之前容器的日志（容器重启后）
kubectl logs pod-name --previous

# 进入容器
kubectl exec -it pod-name -- /bin/bash

# 进入指定容器
kubectl exec -it pod-name -c container-name -- /bin/bash

# 端口转发
kubectl port-forward pod-name 8080:80

# 端口转发Service
kubectl port-forward svc/service-name 8080:80

4.3.5 删除资源

复制代码

# 删除Pod
kubectl delete pod pod-name

# 删除Deployment
kubectl delete deployment deployment-name

# 使用YAML文件删除资源
kubectl delete -f deployment.yaml

# 删除命名空间（会删除命名空间下所有资源）
kubectl delete namespace my-namespace

# 强制删除Pod
kubectl delete pod pod-name --force --grace-period=0

4.3.6 编辑资源

复制代码

# 编辑Deployment
kubectl edit deployment deployment-name

# 编辑Service
kubectl edit service service-name

# 编辑ConfigMap
kubectl edit configmap configmap-name

4.4 命令速查表

|------------------------|--------|
| 命令 | 说明 |
| kubectl get | 列出资源 |
| kubectl describe | 显示资源详情 |
| kubectl create | 创建资源 |
| kubectl apply | 应用配置文件 |
| kubectl delete | 删除资源 |
| kubectl edit | 编辑资源 |
| kubectl logs | 查看日志 |
| kubectl exec | 执行命令 |
| kubectl port-forward | 端口转发 |
| kubectl cp | 复制文件 |
| kubectl scale | 扩缩容 |
| kubectl rollout | 管理滚动更新 |
| kubectl label | 管理标签 |
| kubectl annotate | 管理注解 |
| kubectl top | 查看资源使用 |

五、第一个Kubernetes应用

让我们通过一个完整的示例，体验Kubernetes的部署流程。

5.1 创建Deployment

复制代码

# 创建nginx deployment
kubectl create deployment nginx --image=nginx:1.21

# 查看deployment状态
kubectl get deployments

# 查看pod状态
kubectl get pods

# 查看pod详情
kubectl describe pod nginx-xxxxx

5.2 扩容应用

复制代码

# 扩容到3个副本
kubectl scale deployment nginx --replicas=3

# 查看扩容结果
kubectl get pods

# 查看扩容状态
kubectl get deployment nginx

5.3 暴露服务

复制代码

# 创建Service
kubectl expose deployment nginx --port=80 --target-port=80 --type=NodePort

# 查看Service
kubectl get services

# 获取访问地址
minikube service nginx --url

# 或者使用端口转发
kubectl port-forward svc/nginx 8080:80

5.4 更新应用

复制代码

# 更新镜像版本
kubectl set image deployment/nginx nginx=nginx:1.22

# 查看滚动更新状态
kubectl rollout status deployment/nginx

# 查看更新历史
kubectl rollout history deployment/nginx

# 回滚到上一版本
kubectl rollout undo deployment/nginx

# 回滚到指定版本
kubectl rollout undo deployment/nginx --to-revision=1

5.5 清理资源

复制代码

# 删除Service
kubectl delete service nginx

# 删除Deployment
kubectl delete deployment nginx

5.6 使用YAML文件部署

创建nginx-deployment.yaml文件：

复制代码

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: nginx-deployment
  labels:
    app: nginx
spec:
  replicas: 3
  selector:
    matchLabels:
      app: nginx
  template:
    metadata:
      labels:
        app: nginx
    spec:
      containers:
      - name: nginx
        image: nginx:1.21
        ports:
        - containerPort: 80
---
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: nginx-service
spec:
  selector:
    app: nginx
  ports:
  - port: 80
    targetPort: 80
  type: NodePort

使用YAML文件部署：

复制代码

# 应用配置
kubectl apply -f nginx-deployment.yaml

# 查看部署结果
kubectl get all

# 删除资源
kubectl delete -f nginx-deployment.yaml

总结

这篇文章介绍了Kubernetes的基础知识，主要内容包括：

Kubernetes简介：了解了Kubernetes的定义、核心功能和与Docker Swarm的对比
架构详解：深入理解了Master节点和Worker节点的组件及其职责
环境搭建：掌握了Minikube、Kind、k3s三种本地开发环境的搭建方法
kubectl命令：学会了kubectl的安装配置和常用命令
第一个应用：通过部署nginx应用体验了Kubernetes的完整工作流程

Kubernetes的学习曲线虽然陡峭，但掌握基础知识后，后续的学习会变得顺畅。下一篇文章将深入讲解Kubernetes的核心对象------Pod和Label，这是理解Kubernetes工作原理的关键。

【云原生】二.Kubernetes基础入门：架构详解与环境搭建

写在前面

一、Kubernetes简介

1.1 什么是Kubernetes

1.2 为什么需要Kubernetes

1.3 Kubernetes vs Docker Swarm

二、Kubernetes架构详解

2.1 整体架构

2.2 Master节点组件

查看调度器日志

查看节点资源使用情况

查看控制器管理器日志

备份etcd数据

查看etcd成员

2.3 Worker节点组件

查看kubelet状态

查看kubelet日志

查看kube-proxy日志

查看iptables规则

查看容器运行时

查看运行的容器

2.4 核心概念关系图

三、本地开发环境搭建

3.1 Minikube

3.2 Kind

3.3 k3s

3.4 环境对比

四、kubectl命令基础

4.1 安装kubectl

4.2 配置kubeconfig

4.3 常用命令详解

4.3.1 查看资源

4.3.2 创建资源

4.3.3 描述资源

4.3.4 日志和调试

4.3.5 删除资源

4.3.6 编辑资源

4.4 命令速查表

五、第一个Kubernetes应用

5.1 创建Deployment

5.2 扩容应用

5.3 暴露服务

5.4 更新应用

5.5 清理资源

5.6 使用YAML文件部署

总结