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Kubernetes (k8s) 实战教程预备：基础知识入门——扬帆起航前的必修课

在当今云原生时代，Kubernetes（常简称为 k8s）已成为容器编排领域的事实标准。它提供了一个强大、可扩展且具有弹性的平台，用于自动化部署、扩展和管理容器化应用程序。无论您是希望提升技能的开发人员、寻求高效运维的工程师，还是对现代基础设施充满好奇的技术爱好者，掌握 Kubernetes 都将为您打开一扇通往新世界的大门。

然而，直接投身于复杂的 Kubernetes 实战操作，往往会因为缺乏必要的基础知识而感到困惑和挫败。如同建造摩天大楼需要坚实的地基一样，深入 K8s 实战之前，充分理解其核心概念、架构和基本原理至关重要。本文旨在为您铺设这条“地基”，详细梳理 Kubernetes 入门所需的基础知识，助您为即将到来的实战教程做好充分准备。

一、 回到起点：为什么需要 Kubernetes？容器化浪潮的挑战

要理解 Kubernetes 的价值，我们首先需要回顾一下容器化技术（尤其是 Docker）带来的变革以及随之而来的挑战。

  1. 容器化的兴起 (以 Docker 为例)

    • 轻量级虚拟化：与传统虚拟机 (VM) 不同，容器共享宿主机的操作系统内核，仅打包应用程序及其依赖项。这使得容器启动速度快、资源占用少、环境一致性高。
    • 解决了“环境不一致”问题：开发人员可以在本地构建包含所有依赖的容器镜像，确保应用在开发、测试、生产环境中表现一致。
    • 微服务架构的助推器：容器非常适合封装和部署独立的微服务单元，促进了敏捷开发和应用的解耦。

  2. 容器化带来的新挑战
    随着应用规模的扩大和微服务数量的增多，手动管理大量容器变得异常复杂：

    • 部署与调度：如何在众多服务器（节点）上高效地部署和分发容器？如何根据资源需求智能地选择合适的节点？
    • 服务发现与负载均衡：当容器（尤其是微服务）动态创建和销毁时，服务之间如何相互发现？如何将流量均匀地分发到提供同一服务的多个容器实例？
    • 弹性伸缩：如何根据负载变化自动增加或减少容器实例的数量？
    • 健康检查与自愈：如何监控容器和节点的健康状况？当容器或节点发生故障时，如何自动替换或恢复？
    • 配置管理与密钥管理：如何安全、便捷地管理应用程序的配置信息和敏感数据（如密码、API 密钥）？
    • 存储管理：对于需要持久化数据的有状态应用，如何为容器提供可靠、持久的存储卷？
    • 滚动更新与回滚：如何实现应用程序的平滑升级（不中断服务），并在出现问题时快速回滚到上一个稳定版本？

正是为了系统性地解决以上这些挑战，以 Google 内部 Borg 系统为基础的 Kubernetes 应运而生。它提供了一个统一的框架和 API，将底层的基础设施（物理机、虚拟机、云资源）抽象为一个巨大的资源池，自动化地管理容器化应用的整个生命周期。

二、 容器基础：理解 Kubernetes 的“积木”

既然 Kubernetes 是容器编排平台，那么理解容器本身，特别是 Docker 的核心概念，是学习 K8s 的前提。

  1. 镜像 (Image)

    • 一个只读的模板，包含了运行应用程序所需的所有内容：代码、运行时库、环境变量、配置文件等。
    • 分层构建：Docker 镜像由多个只读层叠加而成，这种分层结构提高了构建和分发的效率，也节省了存储空间。
    • 类比：可以将其想象成安装操作系统的 ISO 文件或虚拟机的快照模板。

  2. 容器 (Container)

    • 镜像的可运行实例。每个容器都是相互隔离的，拥有自己的文件系统、网络栈和进程空间。
    • 基于镜像创建：容器启动时，会在镜像的最上层添加一个可写层，所有的修改都发生在这个层。
    • 类比：可以将其看作是通过 ISO 文件安装好的操作系统实例，或者是从模板创建出来的虚拟机。

  3. Dockerfile

    • 一个文本文件，包含了一系列指令，用于定义如何构建 Docker 镜像。它描述了基础镜像、需要安装的软件、复制代码、暴露端口、运行命令等步骤。
    • 自动化镜像构建：通过 docker build 命令，可以根据 Dockerfile 自动、可重复地构建镜像。

  4. 仓库 (Registry)

    • 用于存储和分发 Docker 镜像的服务。最著名的公共仓库是 Docker Hub。企业内部也常搭建私有仓库（如 Harbor）。
    • docker pull 从仓库拉取镜像，docker push 将本地构建的镜像推送到仓库。

理解这些概念后，您就能明白 Kubernetes 所管理的“工作负载”最终都是以容器的形式运行在集群节点上的。

三、 Kubernetes 核心架构：宏观视角

一个运行中的 Kubernetes 集群主要由两类节点组成：控制平面节点（Control Plane Nodes, 以前称为 Master Nodes）和工作节点（Worker Nodes）。

  1. 控制平面 (Control Plane)
    控制平面是集群的大脑，负责做出全局决策（例如调度），以及检测和响应集群事件（例如，当 Deployment 的实际副本数不满足期望值时，启动新的 Pod）。控制平面组件可以在集群中的任何节点上运行，但为了简单起见，通常会将它们集中运行在几个专用的节点上，以确保高可用性。主要组件包括：

    • API Server (kube-apiserver)：Kubernetes API 的前端，是整个集群的入口点。所有组件（包括用户、kubectl 命令行工具、UI 等）都通过 API Server 进行交互。它负责处理 REST 请求、验证请求、更新对象状态到 etcd。
    • etcd: 一个高可用的键值存储系统，用于持久化存储整个集群的状态（配置数据、对象定义、集群状态等）。是集群的“单一事实来源 (Single Source of Truth)”。可靠性至关重要。
    • 调度器 (kube-scheduler)：监视新创建的、尚未分配节点的 Pod，并根据资源需求、策略、亲和性/反亲和性规则、数据局部性等因素，选择一个最佳的工作节点来运行该 Pod。
    • 控制器管理器 (kube-controller-manager)：运行一系列后台控制器进程。每个控制器负责监控集群状态，并尝试将当前状态驱动到期望状态。常见的控制器包括：
      • Node Controller: 负责节点故障检测和响应。
      • Replication Controller/ReplicaSet Controller: 维护 Pod 的副本数量。
      • Deployment Controller: 管理应用的部署和滚动更新。
      • Service Controller: 根据 Service 定义创建或管理底层云提供商的负载均衡器等。
    • 云控制器管理器 (cloud-controller-manager)（可选）：嵌入了特定云平台的控制逻辑。它允许将 Kubernetes 与云提供商的 API（如负载均衡器、存储卷等）进行集成，将云相关的逻辑与核心 K8s 代码解耦。

  2. 工作节点 (Worker Nodes)
    工作节点是集群中真正运行应用程序容器（Pods）的地方。每个工作节点都由控制平面管理，并运行以下关键组件：

    • Kubelet: 运行在每个工作节点上的代理。它负责与控制平面的 API Server 通信，接收 Pod 的规范 (PodSpec)，并确保这些 Pod 中的容器按照规范运行。它还负责向 API Server 汇报节点的健康状况和 Pod 的状态。
    • Kube-proxy: 运行在每个工作节点上的网络代理。它维护节点上的网络规则，实现了 Kubernetes Service 的概念。它允许集群内部或外部的网络流量路由到正确的 Pod。它可以基于 iptables、IPVS 或 eBPF 等技术实现。
    • 容器运行时 (Container Runtime)：负责实际运行容器的软件。Kubernetes 支持多种容器运行时，最常见的是 Docker，但也支持 containerd、CRI-O 等符合 CRI (Container Runtime Interface) 规范的运行时。Kubelet 通过 CRI 与容器运行时交互。

理解这个主从架构是掌握 K8s 的第一步。控制平面负责管理和决策，工作节点负责执行和运行负载。

四、 Kubernetes 核心对象（API Objects）：构建应用的基石

在 Kubernetes 中，一切皆对象。用户通过创建、更新或删除这些对象来定义、部署和管理应用程序。这些对象代表了集群的期望状态。以下是一些最基础、最重要的对象：

  1. Pod

    • 定义：Pod 是 Kubernetes 中可以创建和管理的最小部署单元。它代表了集群中运行的一个进程实例。
    • 构成：一个 Pod 可以包含一个或多个紧密关联的容器。这些容器共享相同的网络命名空间（同一个 IP 地址和端口空间）、存储卷（Volumes），并且通常一起调度到同一个节点上。
    • 用途：通常，一个 Pod 只运行一个主应用程序容器。但对于需要紧密协作的辅助容器（如日志收集器、服务网格 sidecar 代理），可以将它们放在同一个 Pod 中。
    • 生命周期：Pod 是短暂的 (ephemeral)。它们被创建、分配唯一 ID (UID)，然后调度到节点上运行，直到它们终止（完成任务或被删除）或节点故障。Pod 不会自动“复活”在另一个节点上；这个任务由更高级别的控制器（如 Deployment）负责。

  2. Service (svc)

    • 定义：Service 是一个抽象层，它定义了一组逻辑上的 Pod（通常由标签选择器 Label Selector 确定）以及访问这些 Pod 的策略（通常是负载均衡）。
    • 解决的问题：由于 Pod 是短暂的，其 IP 地址会随着创建和销毁而改变。Service 提供了一个稳定的 IP 地址和 DNS 名称，客户端可以通过这个稳定的端点访问后端的一组 Pod，而无需关心 Pod 的具体 IP 或它们是否发生了变化。
    • 功能：服务发现和负载均衡。Kube-proxy 在每个节点上根据 Service 的定义设置网络规则（如 iptables 或 IPVS），将访问 Service IP 的流量转发到其后端健康的 Pod 之一。
    • 类型：
      • ClusterIP (默认)：仅在集群内部可见的虚拟 IP。适用于集群内部服务之间的通信。
      • NodePort：在每个节点的指定静态端口上暴露服务。可以通过 <NodeIP>:<NodePort> 从集群外部访问。
      • LoadBalancer：在支持的云提供商上（如 AWS, GCP, Azure）自动创建一个外部负载均衡器，并将流量导向 Service。这是将服务暴露给公共互联网的标准方式。
      • ExternalName：将 Service 映射到集群外部的一个 DNS 名称，通过返回 CNAME 记录实现。

  3. Deployment

    • 定义：Deployment 是用于管理无状态应用（如 Web 服务器）副本的最常用对象。它提供了一种声明式的方式来定义应用的期望状态。
    • 核心功能：
      • 副本管理：确保指定数量（replicas）的 Pod 副本始终处于运行状态。它通过管理底层的 ReplicaSet 来实现这一点。
      • 滚动更新 (Rolling Update)：允许您平滑地将应用从一个版本升级到另一个版本，逐个替换旧 Pod，而不会导致服务中断。
      • 回滚 (Rollback)：如果新版本出现问题，可以轻松地回滚到之前的稳定版本。
    • 工作机制：当您创建一个 Deployment 时，它会创建一个 ReplicaSet。ReplicaSet 负责维护 Pod 副本数。当您更新 Deployment（例如，更改镜像版本）时，Deployment 会创建一个新的 ReplicaSet，并逐步将 Pod 从旧 ReplicaSet 迁移到新 ReplicaSet，同时控制可用 Pod 的数量，确保服务连续性。

  4. ReplicaSet (rs)

    • 定义：ReplicaSet 的目标是确保任何时候都有指定数量的 Pod 副本在运行。
    • 与 Deployment 的关系：通常，您不应直接操作 ReplicaSet。而是通过 Deployment 来管理它们。Deployment 使用 ReplicaSet 来实现副本数量保证和版本控制。

  5. Namespace

    • 定义：Namespace 提供了在同一物理集群内划分虚拟集群的机制。它为资源名称提供了一个作用域。
    • 用途：
      • 隔离：不同 Namespace 中的资源名称可以相同。例如，可以在 dev Namespace 和 prod Namespace 中都创建一个名为 my-app 的 Deployment。
      • 资源配额 (Resource Quotas)：可以为每个 Namespace 设置资源限制（如 CPU、内存、存储使用量）。
      • 访问控制 (RBAC)：可以基于 Namespace 对用户或服务账户的权限进行细粒度控制。
    • 默认 Namespaces：Kubernetes 启动时会创建几个默认 Namespace，如 default (未指定 Namespace 的对象默认在此)、kube-system (运行 K8s 系统组件)、kube-public (公共可读数据)。

  6. ConfigMap & Secret

    • 目的：将配置信息和敏感数据（如密码、API 密钥、TLS 证书）与应用程序的容器镜像解耦。这使得配置更易于管理和更新，也更安全。
    • ConfigMap: 用于存储非敏感的配置数据（键值对）。可以作为环境变量、命令行参数或卷挂载到 Pod 中。
    • Secret: 用于存储敏感数据。存储方式与 ConfigMap 类似，但 Kubernetes 会对其进行特殊处理（例如，默认情况下存储在 etcd 中可能是 base64 编码，可以通过 RBAC 限制访问，某些集成可能会提供加密）。也可以作为环境变量或卷挂载到 Pod 中（通常挂载为文件）。

  7. Volume

    • 定义：Volume 是 Pod 中容器可以访问的存储目录。Kubernetes Volume 的生命周期与 Pod 绑定（通常情况下），但其内容可能比 Pod 本身更持久。
    • 解决的问题：容器的文件系统是临时的。当容器崩溃或重启时，其中的数据会丢失。Volume 提供了一种持久化数据或在 Pod 内多个容器间共享数据的方式。
    • 类型：Kubernetes 支持多种类型的 Volume，包括：
      • emptyDir: 一个临时的空目录，生命周期与 Pod 相同。用于 Pod 内多个容器间共享文件，或作为临时缓存。
      • hostPath: 将宿主机节点上的文件或目录挂载到 Pod 中。需要谨慎使用，因为它将 Pod 与特定节点耦合，且存在安全风险。
      • 云存储卷 (如 awsElasticBlockStore, gcePersistentDisk, azureDisk)：直接使用云提供商的块存储服务。
      • 网络文件系统 (如 nfs, cephfs)：挂载网络存储。
      • configMap, secret: 将 ConfigMap 或 Secret 的数据作为文件挂载到 Pod 中。
      • persistentVolumeClaim (下一节介绍)。

  8. PersistentVolume (PV) & PersistentVolumeClaim (PVC)

    • 背景：直接使用云存储或网络存储 Volume 会将 Pod 的定义与具体的存储实现细节耦合。为了解耦，Kubernetes 引入了 PV 和 PVC。
    • PersistentVolume (PV)：由集群管理员配置的一块网络存储。它是一个集群级别的资源，就像一个节点。PV 封装了底层存储（如 NFS、iSCSI、云硬盘）的实现细节。PV 具有生命周期，独立于使用它的任何 Pod。
    • PersistentVolumeClaim (PVC)：由用户（开发者）发起的存储请求。它类似于 Pod 请求 CPU 和内存。用户在 PVC 中指定所需的存储大小、访问模式（如 ReadWriteOnce, ReadOnlyMany, ReadWriteMany）等要求，而不关心具体的存储后端。
    • 绑定过程：Kubernetes 控制平面会查找满足 PVC 要求的可用 PV，并将它们绑定 (Bind) 在一起。一旦绑定，用户就可以像使用普通 Volume 一样，在 Pod 定义中引用这个 PVC，从而获得持久化存储。
    • 优势：将存储的“提供 (Provisioning)”（由管理员负责的 PV）与存储的“消费 (Consumption)”（由用户负责的 PVC）分离，提高了抽象性和可移植性。

理解这些核心对象是使用 Kubernetes 的关键。您将主要通过编写 YAML 文件来定义这些对象的期望状态，然后使用 kubectl 工具将其应用到集群中。

五、 与 Kubernetes 交互：kubectl

kubectl 是 Kubernetes 的主要命令行工具。您将使用它来：

  • 查看集群状态：kubectl get nodes, kubectl get pods, kubectl get services
  • 查看对象详情：kubectl describe pod <pod-name>, kubectl describe service <service-name>
  • 创建、更新、删除资源：通常使用 kubectl apply -f <your-yaml-file.yaml> 来应用 YAML 文件中定义的资源。也可以使用 kubectl create, kubectl edit, kubectl delete。
  • 执行命令和调试：kubectl exec -it <pod-name> -- /bin/bash 进入容器内部，kubectl logs <pod-name> 查看 Pod 日志。
  • 管理集群配置：切换上下文（连接到不同集群或用户），管理 Namespace 等。

熟练掌握 kubectl 的常用命令是进行 K8s 实战的基础。

六、 网络基础概念

Kubernetes 网络是一个复杂但至关重要的主题。入门阶段需要了解：

  • Pod 网络：每个 Pod 都有自己唯一的 IP 地址（在集群内部）。同一节点上的 Pod 可以直接通信。不同节点上的 Pod 通信需要通过网络插件 (CNI – Container Network Interface) 实现，如 Calico, Flannel, Cilium 等。重要的是，需要保证任何 Pod 都可以直接访问任何其他 Pod 的 IP 地址，无需 NAT。
  • Service 网络：Service 提供了一个稳定的虚拟 IP，用于访问一组 Pod。kube-proxy 负责将流量从 Service IP 导向后端 Pod IP。
  • 集群 DNS：Kubernetes 通常会部署一个内部 DNS 服务 (如 CoreDNS)，使得可以通过 Service 名称（例如 my-service.my-namespace.svc.cluster.local 或简写 my-service 在同一 Namespace 内）来解析到 Service 的 ClusterIP。这是服务发现的关键机制。
  • Ingress (可选但常用)：对于需要从集群外部访问的 HTTP/HTTPS 服务，通常不直接使用 NodePort 或 LoadBalancer 类型的 Service（后者可能成本高昂）。Ingress 资源定义了外部流量如何路由到集群内部的 Services。需要配合 Ingress Controller (如 Nginx Ingress Controller, Traefik) 来工作，Ingress Controller 通常是一个部署在集群内的负载均衡器或代理服务器。

七、 声明式配置与 YAML

Kubernetes 提倡声明式 (Declarative) 的管理方式，而不是命令式 (Imperative)。

  • 命令式：您告诉系统“做什么”，例如 kubectl run my-nginx --image=nginx（创建一个 Nginx Pod）。
  • 声明式：您告诉系统“期望的状态是什么”，例如，编写一个 YAML 文件描述一个包含 Nginx 容器的 Pod，然后使用 kubectl apply -f pod.yaml。Kubernetes 控制器会负责将当前状态调整到您声明的期望状态。

YAML (YAML Ain’t Markup Language) 是 Kubernetes 定义 API 对象的标准格式。它是一种人类可读的数据序列化语言。您需要熟悉 YAML 的基本语法（缩进表示层级，key: value 格式，列表用 - 表示）来编写 Kubernetes 配置文件。

声明式配置的优势：
* 幂等性：无论执行 kubectl apply 多少次，只要 YAML 文件不变，最终状态都一样。
* 版本控制：可以将 YAML 文件存储在 Git 等版本控制系统中，追踪变更，方便协作和回滚。
* 自动化 (GitOps)：基于 Git 仓库中的 YAML 文件自动部署和管理集群状态。

八、 为实战教程做好准备

在开始具体的 K8s 实战教程之前，建议您准备好以下环境和技能：

  1. 本地 Kubernetes 环境：为了方便实验和学习，您需要在本地机器上运行一个单节点或多节点的 Kubernetes 集群。常用工具包括：
    • Minikube: 在虚拟机或容器中运行一个单节点 K8s 集群。简单易用，适合入门。
    • kind (Kubernetes in Docker): 使用 Docker 容器作为 K8s 集群的节点。启动快，资源占用相对较少。
    • Docker Desktop: 其自带的 Kubernetes 功能可以在 Mac 和 Windows 上轻松启用一个单节点集群。
    • k3s / k3d: 轻量级的 Kubernetes 发行版，k3d 是在 Docker 中运行 k3s 的工具。
  2. 安装 kubectl：确保您的机器上安装了 kubectl 命令行工具，并配置好连接到您的本地集群。
  3. 基本的 Linux 命令行知识：因为经常需要在命令行与 kubectl 交互，并可能需要进入容器内部调试。
  4. Docker 基础：理解 Docker 镜像、容器、Dockerfile 的概念，并能执行基本的 Docker 命令（build, run, pull, push）。
  5. 文本编辑器：熟练使用一款文本编辑器（如 VS Code, Vim, Emacs）来编写和修改 YAML 文件。

结语：基础牢固，方能行稳致远

Kubernetes 是一个功能强大但也相对复杂的系统。本文梳理的基础知识——从容器化的挑战到 K8s 的核心架构、关键对象、交互方式以及网络、存储、配置管理等基本概念——是您踏上 K8s 实战之旅不可或缺的行囊。

理解这些基础，您将能更好地明白实战教程中每个操作背后的原理，而不仅仅是依样画葫芦。当遇到问题时，扎实的基础也能帮助您更快地定位和解决问题。虽然初看内容繁多，但不必追求一次性完全精通。在后续的实战练习中，这些概念会不断被应用和巩固。

现在，您已经对 Kubernetes 的世界有了一个初步的轮廓和地图。带着这些知识，您可以更有信心地翻开实战教程的下一页，开始构建、部署和管理您的第一个容器化应用了！祝您在 Kubernetes 的学习之路上乘风破浪，收获满满！

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