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学习K8s第一步： Kubernetes入门指南

在当今云原生和微服务盛行的时代，Kubernetes（常简称为K8s）已经成为容器编排和管理的行业标准。无论是大型互联网公司还是初创企业，掌握Kubernetes都意味着拥抱更高效、更弹性、更可靠的应用部署与运维方式。然而，对于初学者来说，K8s庞大而复杂的概念体系可能会让人望而生畏。

本篇文章旨在为你揭开Kubernetes的神秘面纱，作为你学习旅程的第一步。我们将从最基础的概念讲起，介绍K8s是什么、为什么需要它，以及如何迈出实践的第一步。请准备好，我们即将踏上这场激动人心的云原生之旅！

第一章：K8s是什么？为什么我们需要它？

1.1 什么是Kubernetes (K8s)？

Kubernetes，源自希腊语，意为“舵手”或“引航员”。它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。简单来说，如果Docker等容器技术解决了“如何在任何地方运行我的应用”的问题，那么Kubernetes就是解决“如何大规模、可靠地运行和管理成千上万个这样的应用实例”的问题。

你可以把Kubernetes集群想象成一个庞大的、分布式的“云操作系统”。在这个操作系统上，你不需要关心底层的物理机或虚拟机，只需要提交你的应用程序（打包成容器镜像），告诉K8s你想要运行多少个实例，它们之间如何互相访问，以及如何对外提供服务。Kubernetes会负责：

  • 自动化部署与回滚: 轻松地将你的应用程序部署到集群中，并在需要时回滚到之前的版本。
  • 自动扩缩容: 根据流量负载或其他指标，自动增加或减少应用程序的实例数量。
  • 自我修复: 当容器或节点发生故障时，自动重启失败的容器，或在新的节点上重新调度容器。
  • 服务发现与负载均衡: 为你的应用程序提供一个稳定的网络地址，并自动将流量分发到健康的实例上。
  • 存储编排: 自动挂载指定的存储系统（如本地存储、云存储等）到容器中。
  • 配置管理与密文管理: 安全地管理应用程序的配置信息和敏感数据（如密码、密钥）。

Kubernetes最初由Google设计并捐赠给云原生计算基金会（CNCF），现在已经拥有一个庞大而活跃的社区。

1.2 为什么我们需要Kubernetes？

在没有容器编排工具的时代，部署和管理应用程序，特别是微服务架构下的应用，面临着诸多挑战：

  • 手动部署与更新效率低下: 当你有几十个甚至几百个服务，每个服务有多个实例时，手动SSH到服务器进行部署、更新、重启几乎是不可能的。
  • 资源利用率不高: 不同的应用可能部署在不同的服务器上，难以实现资源的统一管理和优化。
  • 高可用性难以保证: 如果某个服务器宕机，上面的应用实例就会中断服务，需要人工介入恢复。
  • 弹性伸缩困难: 应对突发的流量高峰需要手动增加服务器和应用实例，响应速度慢。
  • 服务之间的通信复杂: 如何让不同的服务找到并互相通信是一个棘手的问题，特别是当服务实例的IP地址经常变化时。
  • 配置管理混乱: 不同的环境（开发、测试、生产）有不同的配置，手动管理容易出错。

Kubernetes正是为了解决这些问题而诞生的。它提供了一个声明式的API，你只需要描述你期望的应用状态（例如：我想要运行3个Nginx实例，它们可以通过80端口访问），K8s就会尽力将当前状态调整到期望状态。这极大地提高了运维效率，降低了出错率，并提供了强大的自愈和弹性能力。

简单来说，使用Kubernetes意味着：

  • 提高了开发和运维效率: 自动化一切重复性工作。
  • 增强了应用的可靠性和可用性: 自动处理故障，保证服务不中断。
  • 实现了资源的更优利用: 在集群范围内统一调度和管理资源。
  • 简化了微服务管理: 提供了内置的服务发现和负载均衡。
  • 增强了应用的可移植性: 基于容器，可以在任何支持K8s的环境中运行。

因此，学习和掌握Kubernetes，对于希望构建和管理现代、可伸缩、高可用应用的人来说，已经是必不可少的技能。

第二章：入门前的准备：你需要了解的基础知识

在深入Kubernetes之前，了解一些基础概念会非常有帮助，这能让你更快地理解K8s的工作原理和术语。

2.1 容器基础（推荐Docker）

Kubernetes是围绕容器构建的。最流行的容器技术是Docker。在学习K8s之前，建议你至少了解：

  • 什么是容器: 容器是一种轻量级、可移植、自给自足的软件包，包含应用程序运行所需的一切（代码、运行时、系统工具、系统库等）。
  • 什么是镜像（Image）: 镜像是容器的只读模板，包含运行应用程序所需的文件系统和元数据。
  • 什么是容器实例（Container）: 镜像是容器的运行实例。
  • 如何构建镜像: 理解Dockerfile的基本语法。
  • 如何运行容器: 了解docker run等基本命令。

提示: 如果你对Docker还不熟悉，可以先花一些时间学习Docker的基础知识。这是学习K8s的坚实基础。

2.2 Linux基础

Kubernetes集群通常运行在Linux操作系统上。熟悉基本的Linux命令（如ls, cd, pwd, cp, mv, rm, ssh, systemctl, journalctl, top/htop）和概念（如文件系统、进程、网络配置）会非常有帮助，特别是在排查问题时。

2.3 YAML基础

Kubernetes使用YAML（YAML Ain’t Markup Language）文件来定义其各种资源对象（如 Pod、Deployment、Service等）。YAML是一种人类可读的数据序列化格式，常用于配置文件。你需要了解YAML的基本语法，包括：

  • 缩进: YAML使用缩进来表示结构层次，务必注意不能使用Tab键，只能使用空格。
  • 键值对: key: value
  • 列表/数组: 使用 - 开头表示列表项。
  • 字典/对象: 使用缩进表示嵌套的键值对。

例如，一个简单的YAML结构：

yaml
person:
name: Alice
age: 30
cities:
- New York
- London
isStudent: false

你不需要成为YAML专家，但能够阅读和编写基本的K8s资源定义文件是必需的。

第三章：迈出第一步：搭建本地K8s环境

学习任何新技术，动手实践都是最有效的方式。在学习Kubernetes的第一步，搭建一个本地的单节点K8s集群是最好的选择。这样你可以在自己的电脑上安全地实验，而无需复杂的云环境设置或担心费用。

有几种流行的本地Kubernetes解决方案可供选择：

  1. Minikube: 一个轻量级的工具，可以在虚拟机中快速启动一个单节点的Kubernetes集群。它支持多种虚拟化驱动（VirtualBox, VMware, KVM, HyperV等）。
  2. Kind (Kubernetes in Docker): 使用Docker容器作为节点来运行本地Kubernetes集群。它特别适合用于测试K8s本身或自动化CI/CD流程。
  3. Docker Desktop (内置Kubernetes): 如果你已经在使用Docker Desktop（适用于Windows和macOS），它通常内置了启动一个单节点K8s集群的选项，非常方便。

推荐：对于初学者，如果你的系统支持且已经安装了Docker Desktop，直接启用内置的Kubernetes是最快捷的方式。否则，Minikube是一个非常成熟和广泛使用的选项。

下面我们以Minikube为例，简述搭建步骤（具体步骤请参考官方文档，因为安装细节可能随版本变化）：

  1. 安装虚拟机软件: 例如 VirtualBox 或 VMware Fusion。
  2. 安装kubectl: Kubectl是Kubernetes的命令行工具，用于与集群进行交互。你需要根据你的操作系统下载并安装它。访问 https://kubernetes.io/docs/tasks/tools/install-kubectl/ 获取详细指南。
  3. 安装Minikube: 访问 https://minikube.sigs.k8s.io/docs/start/ 根据你的操作系统下载并安装Minikube。
  4. 启动Minikube集群: 打开终端，运行命令：
    bash
    minikube start
    Minikube会自动下载必要的镜像和组件，并在虚拟机中启动一个单节点的K8s集群。这个过程可能需要一些时间，取决于你的网络状况。
  5. 验证集群状态: 集群启动完成后，可以使用kubectl命令检查集群信息：
    bash
    kubectl cluster-info
    kubectl get nodes
    kubectl cluster-info 会显示Kubernetes控制平面（Master）和各个服务（如 CoreDNS, Dashboard）的地址。kubectl get nodes 会显示集群中的节点列表，你应该看到一个节点，状态是 Ready。

恭喜你！你现在已经拥有了一个可供实验的本地Kubernetes环境。

第四章：Kubernetes核心概念初探

在开始动手实践之前，让我们简单了解几个最最核心的Kubernetes概念。这将帮助你理解后续操作的意义。

4.1 Node（节点）

Node是Kubernetes集群中的工作机器，可以是虚拟机或物理机。每个Node都运行着必要的服务来管理容器，包括：

  • kubelet: 负责与Kubernetes控制平面通信，管理运行在Node上的Pod。
  • Container Runtime: 运行容器的软件，如Docker、containerd、CRI-O。
  • kube-proxy: 负责Pod之间的网络通信和服务发现。

Node由Master（控制平面）管理。当一个Node发生故障时，Master会将运行在该Node上的工作负载调度到其他健康的Node上。

4.2 Pod

Pod是Kubernetes中最小的可部署计算单元。 它代表集群中运行的一个或一组紧密相关的容器。

一个Pod中的容器：

  • 共享网络命名空间: 它们共享同一个IP地址和端口空间，可以通过 localhost 互相通信。
  • 共享存储卷（Volume）: 如果配置了卷，它们可以访问共享的数据。
  • 总是被一起调度: 它们会被调度到同一个Node上运行。

通常情况下，一个Pod只包含一个容器。但在某些场景下，可以将紧密耦合的多个容器打包到同一个Pod中（例如，一个主应用容器和一个Sidecar日志收集容器）。

Pod是短暂的。当一个Pod死亡（因为Node故障或Pod被删除），它不会自己恢复。我们通常不直接创建单个的Pod，而是使用更上层的控制器来管理Pod的生命周期。

4.3 Deployment（部署）

Deployment是一个更高层次的控制器，用于管理无状态的Pod。它提供了一种声明式的方式来更新Pod和ReplicaSets。

Deployment的主要功能：

  • 管理ReplicaSet: Deployment会创建一个或多个ReplicaSet。
  • 管理Pod副本数: 通过ReplicaSet确保指定数量的Pod副本正在运行。
  • 滚动更新: 以一种受控的方式逐步用新版本的Pod替换旧版本的Pod，避免服务中断。
  • 回滚: 如果新版本出现问题，可以轻松回滚到之前的稳定版本。

对于大多数无状态的应用（如Web服务器、API服务），Deployment是推荐的部署方式。你只需要告诉Deployment你想要运行多少个Pod副本，使用哪个容器镜像，Deployment就会负责创建和维护这些Pod。

4.4 Service（服务）

Pod是短暂的，它们的IP地址可能会随着Pod的创建、删除或调度而改变。这给服务之间的通信带来了问题：客户端如何找到并访问正确的Pod实例？

Service解决了这个问题。它是一个抽象层，为一组Pod提供了一个稳定的网络端点（一个固定的IP地址和端口）。客户端只需要连接Service的IP地址和端口，Service会自动将请求负载均衡到其背后健康运行的Pod实例上。

Service有几种类型，最常见的有：

  • ClusterIP: Service获得一个集群内部IP地址，只能在集群内部访问。这是默认类型。
  • NodePort: Service通过集群中 每个 Node的特定端口暴露服务。可以通过 NodeIP:NodePort 从集群外部访问。
  • LoadBalancer: 在云环境中，Kubernetes会请求云提供商创建一个外部负载均衡器，将流量导向Service。
  • ExternalName: 将服务映射到外部DNS名称。

对于你的第一个应用程序，我们通常会使用 Deployment 来管理 Pod，然后使用 Service（可能是 NodePort 类型，方便本地访问）来暴露应用程序。

第五章：你的第一个K8s实践：部署一个Web应用

现在，是时候将理论付诸实践了！我们将使用 kubectl 命令，通过声明式配置（YAML） 来部署一个简单的Nginx Web服务器应用。虽然前面提到了简单的命令式方式 (kubectl create deployment), 但学会使用YAML是管理K8s资源的更标准和推荐的方法，所以我们直接从YAML开始。

5.1 定义你的应用 (YAML 文件)

首先，创建一个名为 nginx-app.yaml 的文件，并在其中定义一个Deployment和一个Service：

“`yaml

定义一个 Deployment

apiVersion: apps/v1 # Deployment 资源所属的 API 版本
kind: Deployment # 资源的类型是 Deployment
metadata:
name: nginx-deployment # Deployment 的名称
spec:
replicas: 3 # 希望运行的 Pod 副本数量
selector:
matchLabels: # 用于选择哪些 Pod 属于这个 Deployment
app: nginx # Pod 必须带有 label “app: nginx”
template: # 定义 Pod 的模板
metadata:
labels: # Pod 的标签
app: nginx
spec:
containers: # Pod 中包含的容器列表
– name: nginx # 容器的名称
image: nginx:latest # 容器使用的镜像
ports:
– containerPort: 80 # 容器内部应用监听的端口

— # — 是 YAML 分隔符，表示定义下一个 K8s 资源

定义一个 Service

apiVersion: v1 # Service 资源所属的 API 版本
kind: Service # 资源的类型是 Service
metadata:
name: nginx-service # Service 的名称
spec:
selector:
app: nginx # Service 将流量转发到带有 label “app: nginx” 的 Pod
ports:
– protocol: TCP # 协议类型
port: 80 # Service 监听的端口 (Service 的 ClusterIP:port)
targetPort: 80 # 流量转发到 Pod 的哪个端口 (Pod 的 containerPort)
nodePort: 30000 # (可选，如果 Service type 是 NodePort) Node 上暴露的端口，范围通常在 30000-32767
type: NodePort # Service 的类型，这里使用 NodePort 方便从外部访问本地集群
“`

解释这个文件：

  • 我们定义了两个K8s资源：一个Deployment (nginx-deployment) 和一个Service (nginx-service)。
  • Deployment 指定我们想要运行 3 个带有 app: nginx 标签的 Pod 副本，这些 Pod 使用 nginx:latest 镜像，容器暴露 80 端口。
  • Service 使用 selector: app: nginx 来找到由 nginx-deployment 创建的 Pod。
  • Service 定义了端口映射：将 Service 的 80 端口流量转发到 Pod 的 80 端口。
  • Service 的类型是 NodePort，这意味着Kubernetes会在集群中的每个Node上（对于Minikube就是那个唯一的Node）打开一个随机的高位端口（或指定 nodePort: 30000），并将该端口的流量转发到Service的80端口，进而转发到Pod。这样我们就可以通过访问 NodeIP:NodePort 来访问Nginx。

5.2 应用配置到集群

保存上述内容为 nginx-app.yaml 文件后，打开终端，确保你的kubectl已经配置为指向你的本地Minikube集群（minikube start 已经为你做好了这件事）。然后执行以下命令来应用这个配置文件：

bash
kubectl apply -f nginx-app.yaml

kubectl apply -f <filename> 是一个非常常用的命令，它会根据YAML文件中定义的期望状态来创建或更新K8s资源。

如果一切顺利，你会看到类似这样的输出：

deployment.apps/nginx-deployment created
service/nginx-service created

这表示Deployment和Service资源已经在集群中创建成功。

5.3 检查资源状态

现在，让我们看看Kubernetes集群中发生了什么。使用 kubectl get 命令来查看你创建的资源：

查看 Deployment:

bash
kubectl get deployments

输出可能类似：

NAME READY UP-TO-DATE AVAILABLE AGE
nginx-deployment 3/3 3 3 <some-time>

READY 列显示的是 3/3，表示期望的3个Pod副本都已准备就绪并运行。

查看 Pods:

bash
kubectl get pods

输出可能类似：

NAME READY STATUS RESTARTS AGE
nginx-deployment-abcdefg-12345 1/1 Running 0 <some-time>
nginx-deployment-abcdefg-67890 1/1 Running 0 <some-time>
nginx-deployment-abcdefg-vwxyz 1/1 Running 0 <some-time>

你会看到3个Pod，它们的名称以nginx-deployment开头，后面跟着ReplicaSet的哈希值和Pod的随机ID。STATUS 列显示 Running，表示Pod正在正常运行。

查看 Services:

bash
kubectl get services

输出可能类似：

NAME TYPE CLUSTER-IP EXTERNAL-IP PORT(S) AGE
kubernetes ClusterIP 10.96.0.1 <none> 443/TCP <some-time> # 这是 K8s 内置的服务
nginx-service NodePort 10.100.xxx.xxx <none> 80:30000/TCP <some-time> # 你创建的服务

找到 nginx-service，可以看到它的类型是 NodePort，并且端口映射显示 80:30000/TCP（如果指定了 nodePort: 30000）。这表示 Service 在内部监听 80 端口，并通过 Node 的 30000 端口暴露出去。

5.4 访问你的应用

你的Nginx应用现在已经在Kubernetes集群中运行了，并且通过NodePort Service暴露出来。要访问它，你需要知道Minikube虚拟机的IP地址和Service的NodePort端口。

  1. 获取Minikube IP:
    bash
    minikube ip
    输出会是Minikube虚拟机的IP地址，例如 192.168.49.2。
  2. 获取Service的NodePort端口: 你已经通过 kubectl get services 知道了是 30000。
  3. 在浏览器中访问: 打开你的浏览器，访问 http://<minikube-ip>:<nodeport>，例如 http://192.168.49.2:30000。

你应该能看到Nginx的欢迎页面！

另一种使用Minikube访问Service的方式:

Minikube提供了一个方便的命令来直接打开浏览器访问NodePort Service：

bash
minikube service nginx-service

这个命令会自动获取Minikube IP和Service的NodePort，并在默认浏览器中打开访问地址。

5.5 体验K8s的弹性能力 (扩缩容)

还记得我们在Deployment中设置了 replicas: 3 吗？这意味着我们希望运行3个Nginx Pod。现在，让我们体验一下K8s的扩缩容能力，将Pod数量扩展到5个：

bash
kubectl scale deployment nginx-deployment --replicas=5

执行命令后，立即查看Pod状态：

bash
kubectl get pods

你会看到Kubernetes正在创建新的Pod，直到总共有5个Pod运行。这个过程是自动化的，无需你手动启动新的容器。

5.6 清理你的实验环境

当你完成了实验，为了释放资源，你需要删除你创建的Kubernetes资源：

bash
kubectl delete -f nginx-app.yaml

这个命令会读取 nginx-app.yaml 文件，并删除其中定义的所有资源（Deployment和Service）。删除Deployment会自动删除它管理的Pod和ReplicaSet。

你可以再次使用 kubectl get deployments, kubectl get pods, kubectl get services 来确认资源已经被删除。

最后，如果你想停止Minikube虚拟机：

bash
minikube stop

如果你想彻底删除Minikube虚拟机和相关文件：

bash
minikube delete

第六章：下一步去哪里？

恭喜你！你已经成功迈出了学习Kubernetes的第一步，了解了其核心概念，并在本地环境中亲手部署和访问了一个应用程序。这只是冰山一角，但你已经掌握了入门的关键。

接下来，你可以继续深入学习以下主题：

  1. 更深入地理解YAML: 学习更多K8s资源的定义方式，如 StatefulSet (管理有状态应用), DaemonSet (在每个Node上运行一个Pod), Job/CronJob (运行一次性或定时任务)。
  2. 了解更多的 kubectl 命令: 学习如何查看资源详情 (kubectl describe), 查看Pod日志 (kubectl logs), 在Pod中执行命令 (kubectl exec), 复制文件 (kubectl cp) 等，这些对于调试非常重要。
  3. Service 类型和 Ingress: 深入理解ClusterIP, NodePort, LoadBalancer 的区别，以及如何使用Ingress来提供更灵活、强大的外部访问方式。
  4. 存储 (Volumes): 学习如何为Pod提供持久化存储，以及各种存储插件的使用。
  5. 配置管理 (ConfigMap) 和 密文管理 (Secrets): 学习如何将应用的配置和敏感数据与Pod解耦。
  6. 网络: 了解Kubernetes的网络模型和各种网络插件 (CNI)。
  7. 命名空间 (Namespaces): 学习如何使用命名空间来隔离不同的环境或项目。
  8. Helm: 学习使用Helm这个包管理器来简化K8s应用的部署和管理。
  9. 更高级的部署策略: 了解蓝绿部署、金丝雀发布等。
  10. 监控与日志: 了解如何集成Prometheus进行监控和EFK/Loki进行日志管理。

推荐的学习资源：

  • Kubernetes官方文档 (kubernetes.io): 最权威、最全面的资料来源。特别是“概念”（Concepts）和“任务”（Tasks）部分。
  • Kubernetes By Example (k8s.io/examples): 提供大量可以直接运行的示例。
  • 在线课程: Coursera, Udemy, edX 等平台有许多优质的Kubernetes入门及进阶课程。
  • 书籍: 许多关于Kubernetes的优秀书籍可以提供系统化的学习路径。
  • 社区: 加入Kubernetes相关的Slack频道、论坛、Meetup等，与其他学习者和专家交流。

总结

学习Kubernetes是一个循序渐进的过程。不要试图一次性掌握所有概念。从核心组件（Node, Pod, Deployment, Service）开始，结合实际动手操作，逐步深入。理解为什么需要K8s，以及它是如何解决传统应用部署和管理中的痛点，将帮助你更好地把握学习方向。

本指南为你提供了一个起点。你已经成功搭建了本地环境，部署了你的第一个应用，并了解了K8s的核心思想和基础操作。记住，持续的实践和探索是掌握这项强大技术的关键。

祝你在Kubernetes的学习旅程中一切顺利！云原生的世界正在向你敞开大门。

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