Kubernetes（K8s）入门实践

Kubernetes（K8s）入门实践

前言

Kubernetes，简称 K8s，是一个开源的容器编排平台，主要用于自动化部署、扩展和管理容器化应用。

在云原生技术体系中，K8s 已经成为非常重要的基础设施能力。它可以帮助我们更高效地管理容器应用的整个生命周期，例如部署、扩容、滚动更新、故障恢复、服务发现和负载均衡等。

本文将按照自己的入门学习路线，介绍 Kubernetes 的基本概念、整体架构、核心组件以及常用实践。

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1. 什么是 Kubernetes？

Kubernetes 是由 Google 开源的容器编排系统，主要用于自动化容器化应用的部署、扩展和管理。

在没有 Kubernetes 之前，如果我们想运行多个容器应用，通常需要手动处理很多事情，例如：

• 容器部署在哪台机器上
• 某个容器挂了如何自动恢复
• 多个容器之间如何通信
• 应用如何扩容和缩容
• 新版本如何平滑发布
• 服务如何对外暴露

而 Kubernetes 的出现，就是为了解决这些问题。

简单来说，Kubernetes 的目标是：

让容器化应用的部署和管理变得简单、高效和可靠。

Kubernetes 提供了很多能力，例如：

• 服务发现
• 负载均衡
• 自动扩缩容
• 滚动更新
• 故障自愈
• 配置管理
• 密钥管理
• 存储编排

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2. K8s 架构

Kubernetes 采用主从架构，主要由 控制平面 Control Plane 和 工作节点 Worker Node 组成。

控制平面负责管理整个集群，工作节点负责真正运行应用容器。

可以简单理解为：

• Control Plane：负责管理和调度
• Worker Node：负责运行具体业务应用

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2.1 Control Plane 控制平面

Control Plane 是 Kubernetes 集群的大脑，负责整个集群的管理、调度和状态维护。

核心组件包括：

组件	说明
API Server	K8s 的统一入口，提供 REST API，所有请求都通过它处理
Scheduler	负责将 Pod 调度到合适的 Worker 节点
Controller Manager	负责维护集群状态，例如副本数量、节点状态等
etcd	高可用的键值存储，用于保存集群的所有数据

其中，API Server 是整个 Kubernetes 的入口。无论是用户执行 kubectl 命令，还是集群内部组件之间通信，最终都会通过 API Server 完成。

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2.2 Worker Node 工作节点

Worker Node 是真正运行应用容器的节点。

每个 Worker Node 中通常包含以下组件：

组件	说明
Kubelet	运行在节点上，负责管理 Pod 和容器的生命周期
Kube-proxy	负责为 Service 提供网络代理和负载均衡
Container Runtime	容器运行时，负责真正启动和运行容器，例如 containerd

在 Worker Node 上，业务应用最终会以 Pod 的形式运行。

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3. 核心概念

Kubernetes 中有很多资源对象，可以先从以下几个核心概念开始。

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3.1 Pod

Pod 是 Kubernetes 中最小的部署单元。

一个 Pod 中可以包含一个或多个容器，这些容器会共享网络、存储等资源。

通常情况下，一个 Pod 中只运行一个主要业务容器。

Pod 的特点：

• K8s 中最小的调度单位
• 一个 Pod 可以包含一个或多个容器
• 同一个 Pod 内的容器共享网络
• Pod 的生命周期通常比较短
• Pod 异常后可以被重新创建

Pod 示例：

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: nginx-pod
spec:
  containers:
    - name: nginx
      image: nginx:latest
      ports:
        - containerPort: 80

创建 Pod：

kubectl apply -f pod.yaml

查看 Pod：

kubectl get pods

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3.2 Deployment

Deployment 用于管理无状态应用，是日常使用最频繁的资源对象之一。

它并不是直接运行容器，而是通过 ReplicaSet 来管理 Pod。

Deployment 的主要作用：

• 管理 Pod 副本数量
• 支持滚动更新
• 支持版本回滚
• 自动恢复异常 Pod
• 保证应用始终运行在期望状态

Deployment 示例：

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:latest
          ports:
            - containerPort: 80

创建 Deployment：

kubectl apply -f deployment.yaml

查看 Deployment：

kubectl get deployments

查看 Pod：

kubectl get pods

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3.3 Service

Pod 的 IP 地址不是固定的。当 Pod 被删除或重新创建后，它的 IP 地址可能会发生变化。

如果其他服务直接访问 Pod IP，就会出现访问不稳定的问题。

Service 的作用就是为一组 Pod 提供一个稳定的访问入口。

常见 Service 类型如下：

类型	说明
ClusterIP	默认类型，只能在集群内部访问
NodePort	通过节点端口暴露服务
LoadBalancer	通过云厂商负载均衡器暴露服务
ExternalName	将服务映射到外部域名

Service 示例：

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: nginx-service
spec:
  type: NodePort
  selector:
    app: nginx
  ports:
    - port: 80
      targetPort: 80
      nodePort: 30080

3.4 Namespace

Namespace 用于在同一个 Kubernetes 集群中划分不同的逻辑空间。

它可以帮助我们将不同环境、不同项目或不同团队的资源进行隔离。

常见使用场景：

• 开发环境：dev
• 测试环境：sit / uat
• 生产环境：prod
• 不同团队资源隔离
• 不同项目资源隔离

创建 Namespace：

kubectl create namespace dev

查看 Namespace：

kubectl get namespaces

在指定 Namespace 中创建资源：

kubectl apply -f deployment.yaml -n dev

查看指定 Namespace 下的 Pod：

kubectl get pods -n dev

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3.5 ConfigMap & Secret

在实际项目中，应用通常需要读取配置，例如端口号、数据库地址、环境变量等。

如果把这些配置直接写死在镜像中，就会导致镜像不够灵活。

Kubernetes 提供了 ConfigMap 和 Secret 来解决这个问题。

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ConfigMap

ConfigMap 用于保存普通配置信息。

示例：

apiVersion: v1
kind: ConfigMap
metadata:
  name: app-config
data:
  APP_ENV: production
  APP_PORT: "8080"

在 Pod 中使用 ConfigMap：

env:
  - name: APP_ENV
    valueFrom:
      configMapKeyRef:
        name: app-config
        key: APP_ENV

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Secret

Secret 用于保存敏感信息，例如密码、Token、证书等。

示例：

apiVersion: v1
kind: Secret
metadata:
  name: app-secret
type: Opaque
stringData:
  DB_PASSWORD: "123456"

在 Pod 中使用 Secret：

env:
  - name: DB_PASSWORD
    valueFrom:
      secretKeyRef:
        name: app-secret
        key: DB_PASSWORD

需要注意的是，Secret 虽然用于保存敏感数据，但并不代表默认就是绝对安全的。生产环境中还需要结合 RBAC、加密存储等方式一起使用。

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4. 安装 K8s

学习 Kubernetes 可以选择多种安装方式。

如果只是本地学习，可以使用 Minikube 或 Kind。如果想更接近生产环境，可以使用 kubeadm 搭建集群。

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4.1 使用 kubeadm 安装

kubeadm 是 Kubernetes 官方提供的集群初始化工具，适合学习 K8s 集群搭建过程。

安装前通常需要准备：

• 至少 2 台 Linux 服务器
• 关闭 swap
• 配置容器运行时
• 安装 kubeadm、kubelet、kubectl
• 配置网络插件

初始化 Master 节点：

kubeadm init

初始化成功后，会生成一条 kubeadm join 命令，用于 Worker 节点加入集群。

配置 kubectl：

mkdir -p $HOME/.kube

sudo cp -i /etc/kubernetes/admin.conf $HOME/.kube/config

sudo chown $(id -u):$(id -g) $HOME/.kube/config

查看节点：

kubectl get nodes

安装网络插件后，节点状态会逐渐变为 Ready。

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4.2 本地学习环境推荐

如果只是入门学习，不建议一开始就搭建复杂集群，可以先使用 Minikube：

minikube start

或者使用 Kind：

kind create cluster

这两种方式更适合本地快速学习和实验。

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5. 常用命令

Kubernetes 日常操作主要通过 kubectl 命令完成。

查看节点：

kubectl get nodes

查看 Pod：

kubectl get pods

查看所有资源：

kubectl get all

查看 Deployment：

kubectl get deployments

查看 Service：

kubectl get svc

查看资源详情：

kubectl describe pod pod-name

查看日志：

kubectl logs pod-name

进入容器：

kubectl exec -it pod-name -- /bin/sh

删除资源：

kubectl delete -f deployment.yaml

查看当前上下文：

kubectl config current-context

切换 Namespace：

kubectl config set-context --current --namespace=dev

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6. 部署一个示例应用

下面使用 Deployment 和 Service 部署一个简单的 Nginx 应用。

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6.1 创建 Deployment

创建 nginx-deployment.yaml 文件：

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: demo-nginx
spec:
  replicas: 2
  selector:
    matchLabels:
      app: demo-nginx
  template:
    metadata:
      labels:
        app: demo-nginx
    spec:
      containers:
        - name: nginx
          image: nginx:latest
          ports:
            - containerPort: 80

执行命令：

kubectl apply -f nginx-deployment.yaml

查看 Deployment：

kubectl get deployments

查看 Pod：

kubectl get pods

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6.2 创建 Service

创建 nginx-service.yaml 文件：

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: demo-nginx-service
spec:
  type: NodePort
  selector:
    app: demo-nginx
  ports:
    - port: 80
      targetPort: 80
      nodePort: 30080

执行命令：

kubectl apply -f nginx-service.yaml

查看 Service：

kubectl get svc

访问服务：

http://节点IP:30080

如果使用的是 Minikube，可以执行：

minikube service demo-nginx-service

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6.3 扩容应用

将副本数扩容到 5 个：

kubectl scale deployment demo-nginx --replicas=5

查看 Pod 数量：

kubectl get pods

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6.4 更新应用

修改镜像版本：

kubectl set image deployment/demo-nginx nginx=nginx:1.25

查看更新状态：

kubectl rollout status deployment/demo-nginx

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6.5 回滚应用

如果新版本有问题，可以回滚到上一个版本：

kubectl rollout undo deployment/demo-nginx

查看历史版本：

kubectl rollout history deployment/demo-nginx

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