Kubernetes (K8s) 详解：容器编排核心架构与组件工作原理

Kubernetes（简称K8s）作为云原生技术的核心，正成为云计算发展的关键推动力。它是一个开源的容器编排平台，旨在自动化容器化应用程序的部署、扩展和管理。该项目最初由Google开源，目前由云原生计算基金会（CNCF）进行维护。

从工程实践的视角来看，Kubernetes 主要致力于解决以下几个核心问题：

• 容器调度问题：在拥有多个节点和大量容器时，如何实现资源的合理分配与自动调度。
• 应用生命周期管理：实现应用的自动化部署、升级、回滚、重启和销毁。
• 高可用与自愈能力：当节点故障或容器异常时，系统能够自动进行迁移与恢复，保障服务连续性。
• 弹性伸缩：根据业务负载自动扩容或缩容应用实例，实现资源的动态优化。

Kubernetes 核心架构

Kubernetes 采用了经典的主从式分布式架构，主要分为控制平面（Control Plane） 与节点（Node） 两大部分。

K8s 采用 Master / Worker（控制平面 / 数据平面） 架构。

┌───────────────────┐
│   Control Plane   │
│    API Server     │
│     Scheduler     │
│ Controller Manager│
│      etcd         │
└─────────▲─────────┘
          │
┌─────────┴─────────┐
│   Worker Node     │
│     kubelet       │
│    kube-proxy     │
│ Container Runtime │
│       Pods        │
└───────────────────┘

• 控制平面：负责集群的全局管理与决策，通常运行在一个或多个主节点（Master Node）上。其关键组件包括 API Server、etcd、Controller Manager 与 Scheduler。
• 节点平面：由若干工作节点（Worker Node）组成，负责实际运行容器化的工作负载。每个节点上运行着 kubelet、容器运行时（如 containerd、Docker）以及 kube-proxy 等组件。
• etcd：作为分布式键值存储，它保存了整个集群的所有状态数据，提供了强一致性保证，是整个系统的权威数据源。

Kubernetes 核心组件详解

控制平面组件

1. kube-apiserver：集群统一的 API 入口。所有内部组件和外部用户的请求都必须通过 API Server，它负责进行认证、授权与审计，并与 etcd 交互以持久化资源对象的状态。
2. etcd：一个高可用的分布式键值存储，用于持久化存储 Kubernetes 集群的所有配置数据和状态信息。
3. kube-scheduler：负责为新创建的 Pod 分配合适的节点。调度器基于 Pod 的资源需求、节点亲和性/反亲和性策略、污点和容忍度等约束条件做出决策。
4. kube-controller-manager：运行着多种控制器，例如 Deployment Controller、ReplicaSet Controller、Node Controller 等。这些控制器通过控制循环不断监视集群状态，并与期望状态进行比对和调整，确保系统始终运行在预期轨道上。

节点组件

1. kubelet：运行在每个工作节点上的代理。它负责管理节点上 Pod 的生命周期，包括 Pod 的创建、启动、停止，并向 API Server 报告节点和 Pod 的状态。
2. kube-proxy：维护节点上的网络规则，实现了 Kubernetes Service 概念的负载均衡与服务发现。它确保 Pod 之间以及来自外部的网络通信能够正确路由。
3. 容器运行时：负责实际拉取容器镜像、启动和停止容器进程的软件。常见的运行时包括 containerd、CRI-O 等，早期也广泛使用 Docker（通过 CRI 接口）。

Kubernetes 工作流程解析

为了更清晰地理解各个组件如何协同工作，我们可以通过一个典型的应用部署流程来串联它们。

假设我们要部署一个应用，其工作流程大致如下：

1. 用户通过 kubectl 工具提交一个描述应用期望状态的 Deployment YAML 配置文件。
2. API Server 接收请求，进行校验后，将资源对象的定义信息写入 etcd 存储。
3. Deployment Controller（在 Controller Manager 中）监听到 etcd 中出现了新的 Deployment 对象，它会根据配置创建对应的 ReplicaSet 对象，并再次写入 etcd。
4. ReplicaSet Controller 监听到新的 ReplicaSet，它的职责是确保指定数量的 Pod 副本在运行。它会创建 Pod 定义，并通过 API Server 写入 etcd。
5. Scheduler 监听到 etcd 中出现了处于 Pending 状态的 Pod。它根据调度策略（资源、亲和性等）选择一个最合适的工作节点，并将绑定信息（Pod 与 Node 的映射）更新到 API Server，最终写入 etcd。
6. 目标节点上的 kubelet 通过 API Server 监听到了分配给本节点的 Pod。它指示本地的容器运行时拉取所需的镜像，并启动容器。
7. kube-proxy 感知到新的 Pod 被创建，它会更新本地的 iptables/IPVS 规则，以确保该 Pod 能够被 Service 正确地负载均衡和访问。
8. 至此，应用成功启动并开始对外提供服务。

这个流程完美诠释了 Kubernetes 声明式 API 和控制器模式的精髓：用户只需声明“我想要什么”，系统各组件会自动协作，驱动整个集群达到并维持这个期望状态。

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