第一章：Kubernetes基础概念与架构 - 在线学习与练习平台

1.1 Kubernetes简介

什么是Kubernetes

Kubernetes（简称K8s）是一个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程序。它最初由Google开发，现在由Cloud Native Computing Foundation (CNCF)维护。

核心特性

自动化部署和回滚 - 自动部署应用程序并在出现问题时回滚
服务发现和负载均衡 - 自动分配IP地址和DNS名称，并在多个容器间分配负载
存储编排 - 自动挂载存储系统，如本地存储、公有云存储等
自我修复 - 重启失败的容器，替换和重新调度不响应的容器
密钥和配置管理 - 管理敏感信息和应用程序配置
水平扩展 - 根据CPU使用率或其他指标自动扩展应用程序

为什么需要Kubernetes

传统部署方式的问题： - 资源利用率低 - 应用程序之间相互影响 - 扩展困难 - 部署复杂

容器化部署的优势： - 资源隔离 - 轻量级 - 可移植性 - 快速启动

Kubernetes的价值： - 自动化运维 - 高可用性 - 弹性伸缩 - 服务治理

1.2 Kubernetes架构

整体架构图

┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│                    Kubernetes Cluster                       │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│                     Control Plane                          │
│  ┌─────────────┐ ┌─────────────┐ ┌─────────────┐           │
│  │   API       │ │   etcd      │ │ Scheduler   │           │
│  │   Server    │ │             │ │             │           │
│  └─────────────┘ └─────────────┘ └─────────────┘           │
│  ┌─────────────┐ ┌─────────────┐                           │
│  │ Controller  │ │ Cloud       │                           │
│  │ Manager     │ │ Controller  │                           │
│  └─────────────┘ └─────────────┘                           │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│                      Worker Nodes                          │
│  ┌─────────────────────────────────────────────────────┐   │
│  │ Node 1                                              │   │
│  │ ┌─────────┐ ┌─────────┐ ┌─────────┐ ┌─────────┐     │   │
│  │ │ kubelet │ │ kube-   │ │  Pod 1  │ │  Pod 2  │     │   │
│  │ │         │ │ proxy   │ │         │ │         │     │   │
│  │ └─────────┘ └─────────┘ └─────────┘ └─────────┘     │   │
│  └─────────────────────────────────────────────────────┘   │
│  ┌─────────────────────────────────────────────────────┐   │
│  │ Node 2                                              │   │
│  │ ┌─────────┐ ┌─────────┐ ┌─────────┐ ┌─────────┐     │   │
│  │ │ kubelet │ │ kube-   │ │  Pod 3  │ │  Pod 4  │     │   │
│  │ │         │ │ proxy   │ │         │ │         │     │   │
│  │ └─────────┘ └─────────┘ └─────────┘ └─────────┘     │   │
│  └─────────────────────────────────────────────────────┘   │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘

Control Plane组件

1. API Server (kube-apiserver)

作用： - Kubernetes集群的前端，所有组件都通过API Server进行通信 - 提供RESTful API接口 - 负责认证、授权、准入控制 - 是唯一与etcd直接交互的组件

特点： - 无状态设计 - 支持水平扩展 - 所有操作都通过API Server

2. etcd

作用： - 分布式键值存储系统 - 存储集群的所有配置信息和状态数据 - 提供数据的一致性和高可用性

存储内容： - 集群配置信息 - 资源对象的状态 - 网络配置 - 密钥和配置映射

3. Scheduler (kube-scheduler)

作用： - 负责Pod的调度决策 - 根据资源需求、约束条件等选择合适的节点 - 考虑亲和性、反亲和性、污点和容忍等因素

调度流程： 1. 过滤阶段：筛选可用节点 2. 打分阶段：为节点打分 3. 选择阶段：选择最高分节点

4. Controller Manager (kube-controller-manager)

作用： - 运行各种控制器 - 监控集群状态并做出相应调整 - 确保实际状态与期望状态一致

主要控制器： - Node Controller：监控节点状态 - Replication Controller：维护Pod副本数量 - Endpoints Controller：管理Service端点 - Service Account & Token Controllers：管理服务账户和令牌

5. Cloud Controller Manager

作用： - 与云提供商API交互 - 管理云特定的控制器 - 实现云平台的集成

功能： - 节点管理 - 路由管理 - 服务负载均衡 - 存储卷管理

Worker Node组件

1. kubelet

作用： - 节点上的主要代理 - 与API Server通信 - 管理Pod的生命周期 - 监控容器健康状态

功能： - Pod管理 - 容器运行时交互 - 节点状态报告 - 资源监控

2. kube-proxy

作用： - 网络代理组件 - 实现Service的网络规则 - 提供负载均衡功能

代理模式： - iptables模式（默认） - IPVS模式 - userspace模式（已弃用）

3. Container Runtime

作用： - 负责运行容器 - 管理容器镜像 - 提供容器运行环境

支持的运行时： - Docker - containerd - CRI-O - rkt（已弃用）

1.3 核心概念

1. Pod

定义： Pod是Kubernetes中最小的可部署单元，包含一个或多个紧密相关的容器。

特点： - 共享网络和存储 - 同一Pod中的容器总是被调度到同一节点 - 具有唯一的IP地址 - 生命周期短暂

Pod示例：

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: nginx-pod
  labels:
    app: nginx
spec:
  containers:
  - name: nginx
    image: nginx:1.20
    ports:
    - containerPort: 80
    resources:
      requests:
        memory: "64Mi"
        cpu: "250m"
      limits:
        memory: "128Mi"
        cpu: "500m"
  - name: sidecar
    image: busybox
    command: ['sh', '-c', 'while true; do echo $(date) >> /var/log/app.log; sleep 30; done']
    volumeMounts:
    - name: log-volume
      mountPath: /var/log
  volumes:
  - name: log-volume
    emptyDir: {}

2. ReplicaSet

定义： ReplicaSet确保指定数量的Pod副本在任何时候都在运行。

功能： - 维护Pod副本数量 - 自动替换失败的Pod - 支持扩缩容

ReplicaSet示例：

apiVersion: apps/v1
kind: ReplicaSet
metadata:
  name: nginx-replicaset
  labels:
    app: nginx
spec:
  replicas: 3
  selector:
    matchLabels:
      app: nginx
  template:
    metadata:
      labels:
        app: nginx
    spec:
      containers:
      - name: nginx
        image: nginx:1.20
        ports:
        - containerPort: 80

3. Deployment

定义： Deployment为Pod和ReplicaSet提供声明式更新。

功能： - 管理ReplicaSet - 支持滚动更新 - 支持回滚 - 支持暂停和恢复

Deployment示例：

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: nginx-deployment
  labels:
    app: nginx
spec:
  replicas: 3
  strategy:
    type: RollingUpdate
    rollingUpdate:
      maxSurge: 1
      maxUnavailable: 1
  selector:
    matchLabels:
      app: nginx
  template:
    metadata:
      labels:
        app: nginx
    spec:
      containers:
      - name: nginx
        image: nginx:1.20
        ports:
        - containerPort: 80
        livenessProbe:
          httpGet:
            path: /
            port: 80
          initialDelaySeconds: 30
          periodSeconds: 10
        readinessProbe:
          httpGet:
            path: /
            port: 80
          initialDelaySeconds: 5
          periodSeconds: 5

4. Service

定义： Service是一种抽象，定义了一组Pod的逻辑集合和访问策略。

类型： - ClusterIP：集群内部访问（默认） - NodePort：通过节点端口访问 - LoadBalancer：通过云提供商的负载均衡器访问 - ExternalName：通过DNS CNAME记录访问

Service示例：

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

5. Namespace

定义： Namespace提供了一种在单个集群中隔离资源组的方法。

默认命名空间： - default：默认命名空间 - kube-system：系统组件命名空间 - kube-public：公共资源命名空间 - kube-node-lease：节点租约命名空间

Namespace示例：

apiVersion: v1
kind: Namespace
metadata:
  name: development
  labels:
    environment: dev
    team: backend

6. ConfigMap

定义： ConfigMap用于存储非敏感的配置数据。

使用方式： - 环境变量 - 命令行参数 - 配置文件

ConfigMap示例：

apiVersion: v1
kind: ConfigMap
metadata:
  name: app-config
data:
  database_host: "mysql.example.com"
  database_port: "3306"
  log_level: "info"
  app.properties: |
    server.port=8080
    spring.datasource.url=jdbc:mysql://mysql.example.com:3306/mydb
    spring.datasource.username=user
    logging.level.root=INFO

7. Secret

定义： Secret用于存储敏感数据，如密码、令牌、密钥等。

类型： - Opaque：任意用户定义的数据 - kubernetes.io/service-account-token：服务账户令牌 - kubernetes.io/dockercfg：Docker配置文件 - kubernetes.io/tls：TLS证书和密钥

Secret示例：

apiVersion: v1
kind: Secret
metadata:
  name: app-secret
type: Opaque
data:
  username: YWRtaW4=  # base64编码的"admin"
  password: MWYyZDFlMmU2N2Rm  # base64编码的密码
---
apiVersion: v1
kind: Secret
metadata:
  name: tls-secret
type: kubernetes.io/tls
data:
  tls.crt: LS0tLS1CRUdJTi... # base64编码的证书
  tls.key: LS0tLS1CRUdJTi... # base64编码的私钥

1.4 资源对象管理

1. 标签和选择器

标签（Labels）： - 键值对形式的元数据 - 用于标识和组织资源 - 支持查询和选择

选择器（Selectors）： - 基于标签选择资源 - 支持等值和集合操作

示例：

# 标签示例
metadata:
  labels:
    app: nginx
    version: v1.20
    environment: production
    tier: frontend

# 选择器示例
selector:
  matchLabels:
    app: nginx
    environment: production
  matchExpressions:
  - key: version
    operator: In
    values: ["v1.20", "v1.21"]
  - key: tier
    operator: NotIn
    values: ["backend"]

2. 注解（Annotations）

定义： 注解是附加到对象的非标识性元数据。

用途： - 存储工具和库的配置信息 - 记录部署信息 - 存储调试信息

示例：

metadata:
  annotations:
    kubernetes.io/change-cause: "Update to nginx 1.20"
    deployment.kubernetes.io/revision: "3"
    prometheus.io/scrape: "true"
    prometheus.io/port: "9090"
    nginx.ingress.kubernetes.io/rewrite-target: "/"

3. 字段选择器

定义： 字段选择器允许根据资源字段的值选择Kubernetes资源。

支持的字段： - metadata.name - metadata.namespace - status.phase（对于Pod） - spec.nodeName（对于Pod）

示例：

# 选择特定名称的Pod
kubectl get pods --field-selector metadata.name=nginx-pod

# 选择运行状态的Pod
kubectl get pods --field-selector status.phase=Running

# 选择特定节点上的Pod
kubectl get pods --field-selector spec.nodeName=node-1

# 组合条件
kubectl get pods --field-selector status.phase=Running,spec.nodeName=node-1

1.5 Kubernetes API

1. API版本

版本格式： - Alpha：v1alpha1, v2alpha1 - Beta：v1beta1, v2beta1 - Stable：v1, v2

API组： - 核心组（Core Group）：/api/v1 - 命名组（Named Groups）：/apis/GROUP_NAME/VERSION

2. 资源类型

核心资源： - Pod - Service - ConfigMap - Secret - Namespace - Node - PersistentVolume - PersistentVolumeClaim

扩展资源： - Deployment（apps/v1） - StatefulSet（apps/v1） - DaemonSet（apps/v1） - Ingress（networking.k8s.io/v1） - NetworkPolicy（networking.k8s.io/v1）

3. API操作

CRUD操作： - CREATE：创建资源 - READ：读取资源 - UPDATE：更新资源 - DELETE：删除资源

特殊操作： - PATCH：部分更新 - WATCH：监听资源变化 - LIST：列出资源

示例：

# 创建资源
kubectl create -f deployment.yaml

# 读取资源
kubectl get deployment nginx-deployment

# 更新资源
kubectl apply -f deployment.yaml

# 删除资源
kubectl delete deployment nginx-deployment

# 部分更新
kubectl patch deployment nginx-deployment -p '{"spec":{"replicas":5}}'

# 监听变化
kubectl get pods --watch

1.6 集群网络

1. 网络模型

Kubernetes网络要求： - 每个Pod都有唯一的IP地址 - Pod之间可以直接通信，无需NAT - 节点和Pod之间可以直接通信 - Pod看到的自己的IP地址与其他Pod看到的一致

2. 网络组件

CNI（Container Network Interface）： - 定义容器网络接口标准 - 支持插件化网络解决方案

常见CNI插件： - Flannel：简单的覆盖网络 - Calico：基于BGP的网络和网络策略 - Weave：简单易用的网络解决方案 - Cilium：基于eBPF的高性能网络

3. 服务网络

ClusterIP： - 集群内部虚拟IP - 通过kube-proxy实现负载均衡 - 默认服务类型

NodePort： - 在每个节点上开放端口 - 端口范围：30000-32767 - 可以从集群外部访问

LoadBalancer： - 云提供商的负载均衡器 - 自动分配外部IP - 适用于云环境

ExternalName： - DNS CNAME记录 - 将服务映射到外部DNS名称 - 不提供代理功能

1.7 存储系统

1. 存储类型

临时存储： - emptyDir：Pod生命周期内的临时存储 - hostPath：挂载节点文件系统路径

持久存储： - PersistentVolume（PV）：集群级别的存储资源 - PersistentVolumeClaim（PVC）：用户对存储的请求

2. 存储类（StorageClass）

定义： StorageClass为管理员提供了描述存储”类”的方法。

功能： - 动态供应存储 - 定义存储参数 - 支持不同的存储后端

示例：

apiVersion: storage.k8s.io/v1
kind: StorageClass
metadata:
  name: fast-ssd
provisioner: kubernetes.io/aws-ebs
parameters:
  type: gp2
  replication-type: none
allowVolumeExpansion: true
volumeBindingMode: WaitForFirstConsumer

3. 卷类型

常见卷类型： - awsElasticBlockStore - azureDisk - gcePersistentDisk - nfs - iscsi - cephfs - glusterfs

总结

本章介绍了Kubernetes的基础概念和架构，包括：

核心概念

集群架构 - Control Plane和Worker Node的组件及其作用
资源对象 - Pod、Deployment、Service等核心资源
网络模型 - 集群网络和服务发现机制
存储系统 - 持久化存储和动态供应

关键特性

声明式API - 通过YAML描述期望状态
自动化运维 - 自我修复、自动扩展、滚动更新
服务发现 - 内置DNS和负载均衡
资源管理 - 标签选择器和命名空间隔离

设计原则

声明式 - 描述期望状态而非执行步骤
控制器模式 - 持续监控并调整实际状态
API驱动 - 所有操作通过API进行
可扩展性 - 支持插件和自定义资源

下一章我们将学习如何安装和配置Kubernetes集群，包括单节点和多节点集群的搭建方法。

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📚 第一章：Kubernetes基础概念与架构

1.1 Kubernetes简介

什么是Kubernetes

核心特性

为什么需要Kubernetes

1.2 Kubernetes架构

整体架构图

Control Plane组件

1. API Server (kube-apiserver)

2. etcd

3. Scheduler (kube-scheduler)

4. Controller Manager (kube-controller-manager)

5. Cloud Controller Manager

Worker Node组件

1. kubelet

2. kube-proxy

3. Container Runtime

1.3 核心概念

1. Pod

2. ReplicaSet

3. Deployment

4. Service

5. Namespace

6. ConfigMap

7. Secret

1.4 资源对象管理

1. 标签和选择器

2. 注解（Annotations）

3. 字段选择器

1.5 Kubernetes API

1. API版本

2. 资源类型

3. API操作

1.6 集群网络

1. 网络模型

2. 网络组件

3. 服务网络

1.7 存储系统

1. 存储类型

2. 存储类（StorageClass）

3. 卷类型

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