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Kubernetes 集群概念详解

Kubernetes 集群概念详解

Kubernetes 集群是由多个计算节点组成的容器编排系统,用于自动化部署、扩展和管理容器化应用。以下是 Kubernetes 集群的核心概念和架构解析:

一、集群基础架构

1. 集群组成要素

graph TBMaster[控制平面] --> Node1[工作节点]Master --> Node2[工作节点]Master --> Node3[工作节点]subgraph MasterAPI[API Server]SchedulerControlleretcdendsubgraph Node1KubeletKubeProxyPodA[Pod]PodB[Pod]end

2. 核心组件分工

组件类型包含组件主要职责
控制平面kube-apiserver, etcd,
kube-scheduler,
kube-controller-manager
集群决策和调度
工作节点kubelet, kube-proxy,
容器运行时
运行工作负载
插件DNS, CNI, Ingress,
监控等
扩展集群功能

二、集群核心概念

1. 控制平面 (Control Plane)

功能:集群的大脑

  • kube-apiserver:集群操作唯一入口
  • etcd:分布式键值存储数据库
  • kube-scheduler:Pod调度决策
  • kube-controller-manager:运行各种控制器

高可用配置

# 典型高可用架构
apiServer:replicas: 3  # 多实例API Server
etcd:external:    # 外部etcd集群endpoints:- "10.0.0.1:2379"- "10.0.0.2:2379"- "10.0.0.3:2379"

2. 工作节点 (Worker Nodes)

关键组件

  • kubelet:节点代理,管理Pod生命周期
  • kube-proxy:维护网络规则
  • 容器运行时:Docker/containerd等

节点状态检查

kubectl get nodes -o wide
kubectl describe node <node-name>

3. Pod

最小调度单元特点

  • 1个或多个容器共享资源
  • 共享网络命名空间(相同IP)
  • 共享存储卷

示例YAML

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:name: nginx-pod
spec:containers:- name: nginximage: nginx:1.21ports:- containerPort: 80

三、集群网络模型

1. 核心要求

  • 所有Pod可以相互通信(无需NAT)
  • 所有节点可以与所有Pod通信
  • Pod看到的自身IP与别人看到的相同

2. 常见网络方案

方案特点适用场景
Flannel简单,基于VxLAN中小集群
CalicoBGP路由,网络策略生产环境
CiliumeBPF高性能,服务网格集成大规模集群

四、集群管理对象

1. 工作负载控制器

类型特点适用场景
Deployment无状态应用,滚动更新Web服务
StatefulSet有状态应用,稳定标识数据库
DaemonSet每个节点运行一个Pod监控代理
Job/CronJob批处理任务定时任务

2. 配置管理

ConfigMap
持久化存储
Secret
Volume

五、集群安全机制

1. 认证与授权

  • 认证方式:X509证书、Bearer Token、Webhook等
  • RBAC模型
    # 角色定义示例
    kind: Role
    rules:
    - apiGroups: [""]resources: ["pods"]verbs: ["get", "watch", "list"]
    

2. 网络策略

apiVersion: networking.k8s.io/v1
kind: NetworkPolicy
spec:podSelector:matchLabels:role: dbingress:- from:- podSelector:matchLabels:role: frontend

六、集群扩展方式

1. 水平扩展

# 扩展Deployment
kubectl scale deployment/nginx --replicas=5

2. 自定义资源(CRD)

apiVersion: apiextensions.k8s.io/v1
kind: CustomResourceDefinition
metadata:name: myresources.example.com
spec:group: example.comversions:- name: v1served: truestorage: truescope: Namespacednames:plural: myresourcessingular: myresourcekind: MyResource

七、集群运维要点

  1. 健康检查

    kubectl get componentstatuses
    kubectl cluster-info
    
  2. 资源监控

    # 安装Metrics Server
    kubectl top nodes
    kubectl top pods
    
  3. 升级策略

    • 滚动升级:kubectl rollout
    • 蓝绿部署
    • 金丝雀发布

Kubernetes 集群通过这些概念和机制,实现了容器化应用的自动化部署、弹性扩展和高效管理。实际应用中,需要根据业务需求选择合适的集群配置和扩展方案。

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