Kubernetes 架构详解：理解其核心组件与工作原理 – wiki基地

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Kubernetes 架构详解：理解其核心组件与工作原理

引言

在当今云原生时代，容器化技术已成为部署和运行应用程序的标准。然而，随着容器数量的激增，如何高效管理、调度和扩展这些容器成为一项复杂挑战。Kubernetes（常简称为 K8s）应运而生，作为一个开源的容器编排系统，它彻底改变了我们管理容器化工作负载的方式。Kubernetes 提供了一个强大的平台，用于自动化部署、扩展和管理容器化应用程序，确保其高可用性和弹性。

Kubernetes 采用分布式系统架构，其核心由两个主要部分组成：控制平面（Control Plane）和工作节点（Worker Nodes）。控制平面是集群的“大脑”，负责全局决策和维护集群的期望状态；而工作节点则是实际运行应用程序容器的机器。理解这些核心组件及其协同工作原理，是掌握 Kubernetes 的关键。

I. Kubernetes 核心组件

Kubernetes 集群的组件通常分布在不同的服务器上，协同工作以提供一个统一的平台。这些组件可以分为控制平面组件和工作节点组件。

A. 控制平面组件 (Control Plane Components / Master Node)

控制平面是 Kubernetes 集群的“大脑”，负责管理和协调整个集群。它由以下关键组件构成：

  1. kube-apiserver

    • 功能： 这是 Kubernetes 控制平面的前端，暴露了 Kubernetes API。它是集群内部和外部组件通信的唯一入口点。
    • 作用： 所有的操作（如部署应用、查询状态）都通过 API Server 进行。它提供了认证、授权和访问控制机制，确保集群的安全。用户通常通过 kubectl 命令行工具或 REST API 与其交互。

  2. etcd

    • 功能： 一个高可用、一致性的分布式键值存储系统。
    • 作用： etcd 是集群的单一事实来源，用于持久化存储整个集群的状态数据，包括配置信息、集群对象（如 Pods, Deployments, Services）的元数据以及集群的期望状态。

  3. kube-scheduler

    • 功能： 负责将新创建的 Pod 分配到合适的、健康的工作节点上。
    • 作用： 它持续监听 kube-apiserver，查找未分配的 Pod。根据 Pod 的资源需求（如 CPU、内存）、节点资源利用率、亲和性/反亲和性规则、数据本地性等策略，选择最佳节点进行调度。

  4. kube-controller-manager

    • 功能： 运行各种控制器进程，这些控制器持续监控集群的当前状态，并尝试将其驱动到 etcd 中定义的期望状态。
    • 作用： 例如，Deployment Controller 确保指定数量的 Pod 副本始终运行；ReplicaSet Controller 负责维护 Pod 的副本集；Node Controller 负责在节点出现故障时进行处理。如果一个 Pod 崩溃或资源不足，相应的控制器会自动采取纠正措施，确保应用程序的持续可用性。

  5. cloud-controller-manager (可选)

    • 功能： 仅在 Kubernetes 集群与云提供商（如 AWS, GCP, Azure）集成时运行。
    • 作用： 它负责与底层云平台的 API 进行交互，管理云资源，例如为 Kubernetes Service 创建负载均衡器、管理云磁盘存储卷以及管理云提供商的节点生命周期。

B. 工作节点组件 (Worker Node Components)

工作节点是 Kubernetes 集群中运行实际应用程序工作负载的机器。每个工作节点都包含以下关键组件：

  1. kubelet

    • 功能： 在每个工作节点上运行的代理程序。
    • 作用： 它接收来自 kube-apiserver 的指令，负责管理节点上的 Pod 生命周期。kubelet 确保 Pod 中定义的容器正常运行，并定期向控制平面报告节点和 Pod 的运行状态。

  2. kube-proxy

    • 功能： 在每个节点上运行的网络代理。
    • 作用： 它负责为 Kubernetes 中的 Service 提供网络代理和负载均衡功能。kube-proxy 维护节点上的网络规则（通常通过 iptables 或 ipvs），将对 Service 的请求路由到后端健康的 Pod 上，实现服务发现和流量转发。

  3. Container Runtime (容器运行时)

    • 功能： 负责运行容器的软件。
    • 作用： 它是执行容器镜像、创建和运行容器的引擎。常见的容器运行时包括 Docker、containerd 和 CRI-O。

C. 附加组件 (Add-ons)

这些组件扩展了 Kubernetes 的功能，通常通过 Deployment 或 DaemonSet 的形式运行在集群中，但它们不是核心系统运行所必需的。

  • DNS (CoreDNS): 为集群内的 Service 提供 DNS 解析服务，实现基于服务名称的服务发现。
  • Ingress Controller: 为集群内的 Service 提供外部 HTTP/HTTPS 路由，允许外部流量访问集群内的应用程序。
  • Dashboard: 一个基于 Web 的用户界面，用于管理和监控 Kubernetes 集群。
  • Monitoring (如 Prometheus): 收集集群和应用程序的性能指标，用于监控和告警。
  • Logging (如 Fluentd-elasticsearch): 聚合、存储和查询集群中所有容器和节点的日志。

II. Kubernetes 工作原理

Kubernetes 的强大之处在于其“声明式 API”和“控制器模式”。用户通过声明式配置定义期望状态，Kubernetes 的各个控制器则不断地将集群的实际状态与期望状态进行比对和调和。

其工作流程通常遵循以下步骤：

  1. 定义期望状态： 用户使用 YAML 或 JSON 文件以声明式的方式定义应用程序的“期望状态”。这包括要运行的容器镜像、Pod 的副本数量、资源限制、网络暴露方式（通过 Service、Ingress 等）以及其他配置。
  2. 提交到 API Server： 用户通过 kubectl 命令行工具将这些定义（例如，创建一个 Deployment）提交给 kube-apiserver。
  3. etcd 存储： kube-apiserver 接收、验证并处理用户的请求后，将这些期望状态信息持久化存储到 etcd 中。此时，etcd 中记录了用户希望集群达到的状态。
  4. 调度 Pod： kube-scheduler 持续监控 kube-apiserver，发现那些已经被创建但尚未分配到具体工作节点的 Pod。它会根据复杂的调度算法和策略，为这些 Pod 找到一个最合适的工作节点，并将调度结果通过 kube-apiserver 更新到 etcd。
  5. Kubelet 启动容器： 目标工作节点上的 kubelet 也持续监听 kube-apiserver。当它发现有新的 Pod 被调度到本节点时，kubelet 会指示节点上的容器运行时（如 containerd）拉取所需的容器镜像，并创建和启动容器。
  6. 控制器维护状态： kube-controller-manager 中的各种控制器持续监控集群的“当前状态”与 etcd 中存储的“期望状态”之间的差异。
    • 如果发现不一致（例如，某个 Pod 因故障而终止，导致副本数量低于期望值），控制器会立即采取纠正措施。例如，ReplicaSet Controller 会请求 kube-apiserver 创建一个新的 Pod 来替换失败的 Pod，从而将集群恢复到期望状态。
  7. 服务发现与负载均衡： kube-proxy 在每个工作节点上配置网络规则，当集群内部或外部的流量需要访问某个 Service 时，kube-proxy 会将这些请求正确地转发到该 Service 对应的后端健康的 Pod 上，实现透明的服务发现和负载均衡。
  8. 自愈与扩展： Kubernetes 具备强大的自愈能力。它能自动重启失败的容器、替换故障节点、杀死无响应的容器。同时，它也能根据预设的指标（如 CPU 利用率）自动扩展或缩减应用程序的副本数量，实现弹性伸缩。

结论

Kubernetes 作为一个复杂的分布式系统，其精妙的架构设计和组件间的协同工作，使其能够高效地管理和自动化容器化应用程序的生命周期。通过深入理解控制平面和工作节点的各个组件及其工作原理，我们可以更好地利用 Kubernetes 的强大功能，构建、部署和运行可伸缩、高可用且富有弹性的现代化应用程序。它的声明式管理和自愈能力，极大地简化了大规模容器集群的运维工作，是实现云原生战略不可或缺的核心技术。

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