Kubernetes 全景概览

什么是 Kubernetes

Kubernetes（K8s）是 Google 开源的容器编排系统，源自内部的 Borg 系统，2014 年开源，现由 CNCF 托管。它解决了大规模容器化应用的部署、扩缩容、自愈、服务发现等核心问题。

核心价值：声明式 API + 控制循环（Reconcile Loop）= 自动化运维

整体架构

┌─────────────────────────────────────────────────────────┐
│                    Control Plane（控制平面）               │
│  ┌──────────────┐  ┌──────────┐  ┌────────────────────┐ │
│  │  API Server  │  │  etcd    │  │ Controller Manager │ │
│  │  (核心网关)   │  │ (状态存储)│  │  (控制循环引擎)     │ │
│  └──────────────┘  └──────────┘  └────────────────────┘ │
│  ┌──────────────┐  ┌──────────────────────────────────┐ │
│  │  Scheduler   │  │    Cloud Controller Manager      │ │
│  │  (调度决策)   │  │    (云厂商集成)                   │ │
│  └──────────────┘  └──────────────────────────────────┘ │
└─────────────────────────────────────────────────────────┘
                           │ API
┌─────────────────────────────────────────────────────────┐
│                      Worker Node（工作节点）               │
│  ┌──────────────┐  ┌──────────────┐  ┌───────────────┐ │
│  │   kubelet    │  │  kube-proxy  │  │  Container    │ │
│  │  (节点代理)   │  │  (网络代理)   │  │  Runtime(CRI) │ │
│  └──────────────┘  └──────────────┘  └───────────────┘ │
│  ┌─────────────────────────────────────────────────────┐│
│  │              Pods（容器组）                           ││
│  └─────────────────────────────────────────────────────┘│
└─────────────────────────────────────────────────────────┘

核心组件职责

组件	职责	关键特性
API Server	集群唯一入口，RESTful API 网关	认证、授权、准入控制
etcd	分布式 KV 存储，保存集群所有状态	Raft 共识、强一致性
Scheduler	将 Pod 调度到合适的 Node	过滤 + 打分两阶段
Controller Manager	运行各种控制器，驱动状态收敛	Deployment/RS/Node 等控制器
kubelet	节点代理，管理 Pod 生命周期	与 CRI/CNI/CSI 交互
kube-proxy	维护 Service 的网络规则	iptables/ipvs 模式

核心设计理念

1. 声明式 API

用户描述期望状态，K8s 负责驱动实际状态向期望状态收敛：

# 声明：我要 3 个 nginx 副本
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: nginx
spec:
  replicas: 3          # 期望状态
  selector:
    matchLabels:
      app: nginx
  template:
    spec:
      containers:
      - name: nginx
        image: nginx:1.25

2. 控制循环（Reconcile Loop）

观察（Observe）→ 分析差异（Diff）→ 执行动作（Act）→ 循环

每个 Controller 都在不断执行这个循环，确保实际状态 = 期望状态。

3. 标签与选择器

标签（Labels）是 K8s 中最核心的关联机制：

# Pod 打标签
metadata:
  labels:
    app: nginx
    version: v1.25
    env: production

# Service 通过选择器关联 Pod
selector:
  app: nginx
  env: production

4. 资源模型

K8s 中一切皆资源（Resource），通过 GVK（Group/Version/Kind）唯一标识：

apps/v1/Deployment
core/v1/Pod
networking.k8s.io/v1/Ingress

API 请求流程

kubectl apply -f deploy.yaml
       │
       ▼
  API Server
  ├── 认证（Authentication）：谁在请求？
  ├── 授权（Authorization）：有没有权限？
  ├── 准入控制（Admission）：请求合法吗？
  └── 写入 etcd
       │
       ▼
  Controller Manager 监听到变化
       │
       ▼
  Scheduler 分配 Node
       │
       ▼
  kubelet 拉起容器

对象元数据结构

每个 K8s 对象都有统一的结构：

apiVersion: apps/v1          # GV
kind: Deployment             # Kind
metadata:
  name: my-app               # 名称
  namespace: default         # 命名空间
  labels: {}                 # 标签
  annotations: {}            # 注解
  resourceVersion: "12345"   # 乐观锁版本
  uid: "abc-123"             # 唯一 ID
spec:                        # 期望状态（用户定义）
  ...
status:                      # 实际状态（系统维护）
  ...

命名空间隔离

# 查看所有命名空间
kubectl get namespaces

# 在指定命名空间操作
kubectl get pods -n kube-system

# 跨命名空间查看
kubectl get pods --all-namespaces

学习路径建议

核心架构 → 工作负载 → 网络 → 存储
    ↓
client-go → Operator 开发
    ↓
安全 → 可观测性 → 服务网格
    ↓
CI/CD → 多集群 → Serverless

版本与发布节奏

• 每年发布 3 个小版本（约每 4 个月一次）
• 每个版本维护约 14 个月
• 当前稳定版：v1.30+（2024）

参考资源

• Kubernetes 官方文档
• Kubernetes GitHub
• CNCF 全景图