Kubernetes (K8s) 教程 2024：最新版本学习指南 – wiki基地

Kubernetes (K8s) 教程 2024：最新版本学习指南

Kubernetes，简称 K8s，已经成为容器编排领域的行业标准，是现代云原生应用开发和部署的核心技术。它能够自动化地部署、扩展和管理容器化的应用程序，极大地简化了复杂应用的运维工作。随着 Kubernetes 社区的不断发展，每年都会发布新的版本，带来新的特性、改进和安全更新。本教程旨在为初学者和有一定经验的开发者提供一份全面的 Kubernetes 2024 最新版本学习指南，帮助大家掌握 K8s 的核心概念、常用命令、部署策略以及最佳实践。

一、 Kubernetes 的基本概念

在深入学习 Kubernetes 之前，了解其基本概念至关重要。这将有助于我们更好地理解 K8s 的架构和工作原理。

• 容器 (Containers): 容器是运行应用程序的标准化单元。它包含应用程序及其依赖项，例如库、运行时和系统工具。Docker 是最流行的容器技术之一。

• Pod: Pod 是 Kubernetes 中最小的可部署单元。它由一个或多个共享网络和存储的容器组成。可以将 Pod 视为一个“逻辑主机”。

• Node: Node 是 Kubernetes 集群中的工作机器，可以是物理机或虚拟机。Node 运行 Pod，并由 Master 节点管理。

• Cluster: Cluster 是由多个 Node 组成的集群，它提供了一个高可用性和可扩展的平台来运行应用程序。

• Master: Master 节点是 Kubernetes 集群的控制平面，负责管理集群的状态、调度 Pod 和提供 API。

• kubectl: kubectl 是 Kubernetes 的命令行工具，用于与 Kubernetes 集群进行交互。

• Deployment: Deployment 定义了应用程序的期望状态，例如副本数量、镜像版本和更新策略。 Kubernetes 会尽力将集群的状态与 Deployment 的期望状态保持一致。

• Service: Service 提供了一个稳定的 IP 地址和 DNS 名称，用于访问 Pod。它允许客户端通过 Service 访问 Pod，而无需关心 Pod 的实际位置。

• Namespace: Namespace 提供了一种将集群资源划分成逻辑组的方式。例如，可以将不同的团队或环境（开发、测试、生产）分配到不同的 Namespace。

• Ingress: Ingress 允许从集群外部访问 Service。它通常用于 HTTP 和 HTTPS 流量的路由。

• ConfigMap: ConfigMap 用于将配置数据注入到 Pod 中。它可以包含配置文件、命令行参数或其他应用程序所需的配置信息。

• Secret: Secret 用于存储敏感信息，例如密码、API 密钥和证书。它与 ConfigMap 类似，但数据经过加密存储。

二、 Kubernetes 架构概览

Kubernetes 的架构是分层和模块化的，主要由以下组件组成：

• Master Node 组件:

  • kube-apiserver: Kubernetes API Server 是集群的控制中心，提供 HTTP API 接口，所有操作都通过 API Server 进行。
  • kube-scheduler: Scheduler 负责将 Pod 调度到合适的 Node 上运行，它根据资源需求、硬件限制和亲和性等因素进行决策。
  • kube-controller-manager: Controller Manager 运行多个控制器进程，例如 Node Controller、Replication Controller 和 Endpoint Controller。 这些控制器负责管理集群的状态，例如监控 Node 的健康状况、维护 Pod 的副本数量和更新 Service 的 Endpoints。
  • etcd: etcd 是一个分布式键值存储系统，用于存储 Kubernetes 集群的状态信息。

• Worker Node 组件:

  • kubelet: kubelet 是运行在每个 Node 上的代理，负责管理 Node 上的 Pod。它从 API Server 获取 Pod 的定义，并启动和停止容器。
  • kube-proxy: kube-proxy 负责实现 Kubernetes Service 的功能，它在 Node 上维护网络规则，将流量转发到正确的 Pod。
  • Container Runtime: 容器运行时（例如 Docker 或 containerd）负责运行容器。

三、 Kubernetes 常用命令详解

kubectl 是与 Kubernetes 集群交互的主要工具。以下是一些常用的 kubectl 命令：

• kubectl get: 用于获取 Kubernetes 资源的信息，例如 Pod、Service、Deployment、Node 等。 例如：

  • kubectl get pods: 列出所有 Pod
  • kubectl get services: 列出所有 Service
  • kubectl get deployments: 列出所有 Deployment
  • kubectl get nodes: 列出所有 Node

• kubectl describe: 用于获取 Kubernetes 资源的详细信息，包括事件、状态和配置。 例如：

  • kubectl describe pod <pod-name>: 获取指定 Pod 的详细信息
  • kubectl describe service <service-name>: 获取指定 Service 的详细信息

• kubectl create: 用于创建 Kubernetes 资源，例如 Deployment、Service 等。 通常使用 YAML 文件来定义资源。 例如：

  • kubectl create -f deployment.yaml: 使用 deployment.yaml 文件创建 Deployment

• kubectl apply: 用于创建或更新 Kubernetes 资源。与 kubectl create 不同，kubectl apply 可以更新现有资源。 例如：

  • kubectl apply -f deployment.yaml: 使用 deployment.yaml 文件创建或更新 Deployment

• kubectl delete: 用于删除 Kubernetes 资源。 例如：

  • kubectl delete pod <pod-name>: 删除指定 Pod
  • kubectl delete deployment <deployment-name>: 删除指定 Deployment

• kubectl exec: 用于在容器中执行命令。 例如：

  • kubectl exec -it <pod-name> -- /bin/bash: 进入指定 Pod 的容器的 bash shell

• kubectl logs: 用于查看容器的日志。 例如：

  • kubectl logs <pod-name>: 查看指定 Pod 的日志

• kubectl scale: 用于调整 Deployment 的副本数量。 例如：

  • kubectl scale deployment <deployment-name> --replicas=3: 将指定 Deployment 的副本数量调整为 3

• kubectl expose: 用于将 Deployment 或 Pod 暴露为 Service。 例如：

  • kubectl expose deployment <deployment-name> --port=80 --target-port=8080 --type=LoadBalancer: 将指定 Deployment 暴露为一个 LoadBalancer 类型的 Service

• kubectl top: 用于查看 Node 和 Pod 的资源使用情况（CPU 和内存）。 需要安装 metrics-server 才能使用该命令。 例如：

  • kubectl top nodes: 查看所有 Node 的资源使用情况
  • kubectl top pods: 查看所有 Pod 的资源使用情况

• kubectl config: 用于管理 Kubernetes 集群的配置文件。 通常情况下，会在 kubeconfig 文件中存储多个集群的配置信息。 例如：

  • kubectl config current-context: 查看当前使用的 Kubernetes 上下文
  • kubectl config use-context <context-name>: 切换到指定的 Kubernetes 上下文

四、 Kubernetes 部署策略

Kubernetes 提供了多种部署策略，用于更新应用程序而不会造成服务中断。常用的部署策略包括：

• Rolling Update (滚动更新): Rolling Update 是最常用的部署策略。它逐步替换旧的 Pod 实例，每次替换一小部分，直到所有 Pod 都更新到新版本。 Kubernetes 会自动处理 Pod 的创建、删除和流量转发，以确保应用程序的可用性。

• Recreate (重建): Recreate 策略会先删除所有旧的 Pod 实例，然后再创建新的 Pod 实例。 这种策略会导致短暂的服务中断，因此不适合生产环境。

• Blue/Green Deployment (蓝绿部署): Blue/Green Deployment 维护两个完全相同的环境，一个运行旧版本（蓝色环境），另一个运行新版本（绿色环境）。 在更新期间，流量会被切换到绿色环境，而蓝色环境则可以用于测试或回滚。 这种策略可以实现零停机更新，但需要额外的资源。

• Canary Deployment (金丝雀部署): Canary Deployment 将少量流量导向新版本的应用程序（金丝雀环境），以观察其性能和稳定性。 如果新版本表现良好，则可以逐步增加流量，直到所有流量都切换到新版本。 这种策略可以降低风险，并帮助快速发现问题。

五、 Kubernetes 最新版本特性（2024）

Kubernetes 社区通常每年发布三个主要版本，每次都会带来新的特性和改进。 由于篇幅限制，这里无法详细列出 2024 年所有版本的特性，但可以关注以下几个方面：

• 增强的安全特性: Kubernetes 社区一直致力于提高 Kubernetes 的安全性，例如改进身份验证和授权机制、增强容器运行时安全、以及提供更强大的网络策略。

• 改进的可观测性: Kubernetes 提供了丰富的监控和日志记录功能，但社区也在不断改进这些功能，例如提供更强大的指标收集和分析工具、以及更易于使用的日志聚合和查询接口。

• 更强大的扩展性: Kubernetes 的可扩展性是其核心优势之一。 社区不断推出新的 API 和插件机制，以允许用户自定义 Kubernetes 的行为，并集成第三方服务。

• 增强的自动化能力: Kubernetes 的自动化能力是其另一个核心优势。 社区不断改进 Kubernetes 的自动化功能，例如自动伸缩、自动修复和自动部署。

• 提升的性能和效率: Kubernetes 社区一直在努力提升 Kubernetes 的性能和效率，例如优化调度算法、减少资源消耗和提高集群的整体吞吐量。

建议关注 Kubernetes 官方网站的发布说明，以了解最新的特性和改进。

六、 Kubernetes 最佳实践

以下是一些 Kubernetes 的最佳实践：

• 使用 YAML 文件定义资源: 使用 YAML 文件可以方便地管理和版本控制 Kubernetes 资源。

• 使用 Namespaces 隔离资源: 使用 Namespaces 可以将不同的团队或环境分配到不同的 Namespace，从而隔离资源和提高安全性。

• 使用 Resource Quotas 限制资源使用: 使用 Resource Quotas 可以限制 Namespace 中资源的总体使用量，以防止资源过度消耗。

• 使用 Limit Ranges 限制容器的资源使用: 使用 Limit Ranges 可以限制 Namespace 中每个容器的资源使用量，以防止容器过度消耗资源。

• 使用健康检查探测 Pod 的健康状况: 使用 Liveness 和 Readiness 探测可以帮助 Kubernetes 了解 Pod 的健康状况，并自动重启不健康的 Pod。

• 使用 Service 发现 Pod: 使用 Service 可以提供一个稳定的 IP 地址和 DNS 名称，用于访问 Pod。

• 使用 Ingress 暴露 Service 到外部: 使用 Ingress 可以从集群外部访问 Service。

• 定期备份 etcd 数据: etcd 存储了 Kubernetes 集群的状态信息，因此定期备份 etcd 数据非常重要。

• 监控 Kubernetes 集群的健康状况: 监控 Kubernetes 集群的健康状况可以帮助及时发现问题并采取措施。

• 使用 CI/CD 流水线自动化部署: 使用 CI/CD 流水线可以自动化部署应用程序，提高部署效率和减少错误。

七、 Kubernetes 学习资源

• Kubernetes 官方网站: Kubernetes 官方网站提供了丰富的文档、教程和示例。

• Kubernetes 官方文档: Kubernetes 官方文档是学习 Kubernetes 的最佳资源之一。

• Kubernetes 社区论坛: Kubernetes 社区论坛是一个交流和学习 Kubernetes 的好地方。

• 在线课程: 有很多在线课程可以帮助学习 Kubernetes，例如 Coursera、Udemy 和 Linux Academy 等。

• 书籍: 有很多书籍可以帮助学习 Kubernetes，例如 “Kubernetes in Action” 和 “Kubernetes: Up and Running” 等。

八、 总结

Kubernetes 是一个复杂但强大的容器编排平台。 通过学习本教程，你应该已经对 Kubernetes 的基本概念、架构、常用命令、部署策略和最佳实践有了更深入的了解。 希望本教程能够帮助你在 Kubernetes 的学习之路上更进一步，并能够更好地利用 Kubernetes 来构建和部署现代云原生应用程序。 记住，实践是学习 Kubernetes 的最佳方式。 尝试部署自己的应用程序，并不断探索 Kubernetes 的各种特性，你将成为一个真正的 Kubernetes 专家。 随着 Kubernetes 技术的不断发展，持续学习和实践是保持竞争力的关键。 祝你学习愉快！