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Kubernetes 架构图和组件

news 来源：原创 2025/6/8 14:30:38

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介绍

Kubernetes 已成为众多企业的超级英雄，为微服务实施中复杂的 API 结构可能引起的潜在混乱带来了秩序。

然而，就像任何超级英雄一样，Kubernetes 也有其局限性。这就是理解 Kubernetes 架构图变得至关重要的地方。

了解 Kubernetes 架构图使您能够掌握 Kubernetes 架构的重要元素并对其进行微调以实现有效操作。不可否认，Kubernetes 赋予了自动化功能，简化了应用程序的管理和部署。但是，为了实现高效的 Kubernetes 部署，利用适当的工具和技术来确保更好的投资回报至关重要。

本文将探讨 Kubernetes 架构的关键组件以及如何优化它们以实现高效的容器部署。

什么是 Kubernetes？

Kubernetes 是一个开源系统，用于自动部署、扩展和管理容器化应用程序。

它将构成应用程序的容器分组到逻辑单元中，以便于管理和发现。Kubernetes 是一个可移植的可扩展平台，可促进声明式配置和自动化。它最初由 Google 设计，现在由全球贡献者社区维护。

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什么是 Kubernetes 架构？

Kubernetes 是一个强大的开源容器编排平台，它彻底改变了组织管理和部署容器化应用程序的方式。Kubernetes 的核心是提供了一个强大的框架，用于自动部署、扩展和管理容器化工作负载。

了解架构

Kubernetes 架构遵循主工作模型，其中控制平面监督和管理集群，而工作节点执行实际的容器化应用程序。

Kubernetes 架构组件：控制平面

控制平面是 Kubernetes 集群的大脑，负责编排和管理各种组件。它由几个关键要素组成：

1. kube-apiserver：

处理 API 请求和管理集群状态的中央通信中心。
充当用户和其他组件与集互的网关。
验证 API 请求、验证和授权用户，并协调控制平面和 Worker 节点之间的流程。
使用 etcd 存储和检索集群状态信息。

2. etcd （等注）：

一个高度可用的分布式键值存储，用于存储有关集群配置和状态的关键信息。
由 kube-apiserver 用于存储和检索有关 Pod、服务、部署和其他 Kubernetes 对象的数据。
保证集群状态的一致性和可靠性。

3. kube-scheduler 调度器：

负责根据资源需求、约束和调度策略将 Pod 分配给 worker 节点。
使用 etcd 中存储的信息来做出调度决策。
考虑节点容量、关联规则和反关联规则等因素。

4. kube-controller-manager：

管理负责集群内特定任务的各种控制器。
包括用于复制集、部署、有状态集、守护程序集和作业的控制器。
通过根据需要创建、更新和删除 Pod 来确保集群的所需状态得到维护。

5. cloud-controller-manager（可选）：

将 Kubernetes 与云提供商集成，以获得特定于云的功能。
提供用于与云资源（如虚拟机、负载均衡器和存储卷）交互的 API。
简化云环境中 Kubernetes 集群的管理。

Kubernetes 架构组件：Worker 节点

Worker 节点是 Kubernetes 集群的基本组件，用于执行实际的容器化应用程序。他们负责运行 Pod，Pod 是 Kubernetes 中最小的部署单元，可以包含一个或多个容器。

Worker 节点的关键组件：

kubelet 的
- 在每个 worker 节点上运行的代理，充当节点和控制平面之间的接口。
- 负责向 control plane 注册节点，管理节点上的 Pod，以及与 kube-apiserver 通信。
- 处理创建、启动、停止和删除容器以及管理卷和网络接口等任务。
kube-proxy 的
- 负责集群内的服务发现和负载均衡。
- 创建网络规则，以根据服务定义将流量路由到 Pod。
- 确保可以从集群内部和外部访问服务。
容器运行时：
- 在 worker 节点上运行容器的引擎。
- 常用容器运行时的示例包括 Docker、containerd 和 CRI-O。
- 负责拉取容器镜像、创建和管理容器以及为容器提供资源。

Worker 节点的工作原理：

控制平面根据各种因素（例如资源需求和约束）安排在 worker 节点上执行 pod。
worker 节点上的 kubelet 接收 Pod 规范，并使用容器运行时创建必要的容器。
kube-proxy 确保服务向外界公开，并确保流量在服务的多个实例之间进行负载均衡。
Worker 节点为运行容器化应用程序提供底层基础设施和资源。

Kubernetes 集群附加组件

附加组件组件是可选组件，可以添加到 Kubernetes 集群中以增强其功能并满足特定要求。这些组件通常提供核心 Kubernetes 发行版中未包含的专用服务或功能。

附加组件的重要性：

增强功能：附加组件可以提供其他特性和功能，例如网络管理、DNS 解析和资源监控。
定制：您可以选择最适合您的特定需求和使用案例的附加组件。
集成：许多附加组件与 Kubernetes 无缝集成，因此可以轻松地将它们整合到您的集群中。

流行的附加组件：

CNI 插件：容器网络接口（CNI）插件用于为 Kubernetes 集群中的容器提供网络连接。流行的 CNI 插件包括 Calico、Flannel 和 Weave Net。
CoreDNS 的：一个 DNS 服务器，为 Kubernetes 集群中的服务提供 DNS 解析。
Metrics 服务器：一种收集和公开 Kubernetes 集群资源使用指标的工具，允许您监控和优化资源分配。

Web 用户界面：用于管理 Kubernetes 集群的基于 Web 的用户界面，提供了一种更加用户友好的方式来与平台交互。

顶级 Kubernetes 工具

Kubernetes 为管理容器化应用程序提供了一个强大的平台，但掌握其功能需要一套强大的工具。以下是按用途分类的一些基本工具的细分：

1. Kubernetes CLI 工具：

这些命令行工具提供了一种直接与 Kubernetes 集互的强大方式。

kubectl 的Kubernetes 工具的瑞士军刀。它允许您执行各种任务，包括管理部署、Pod、服务和命名空间。
掌舵：适用于 Kubernetes 的软件包管理器，可简化应用程序的部署和管理。Helm 图表提供了一种在 Kubernetes 集群中打包和安装应用程序的标准化方法。
脚手架：一种开发工具，可简化容器化应用程序的本地开发和测试。它可以自动构建、推送镜像并将其部署到 Kubernetes 集群。
Customize：用于自定义 Kubernetes 清单和部署的工具。它简化了对多个资源的更改应用过程，而无需修改原始配置文件。
Kubeval：用于在部署之前验证 Kubernetes YAML 文件的工具。它有助于确保您的配置在语法上正确并符合最佳实践。

2. Kubernetes 监控工具：

有效监控对于维护正常运行的 Kubernetes 集群至关重要。这些工具提供对资源利用率、应用程序运行状况和整体集群性能的见解。

语义文本监控：一个全面的监控解决方案，提供对 Kubernetes 集群的详细见解，包括资源使用情况、应用程序性能和基础设施指标。
Kubernetes 仪表板：一个简单的基于 Web 的 UI，用于查看和管理 Kubernetes 集群。它概述了资源、部署和 Pod 运行状况。
普罗米修斯： 一种流行的开源监控系统，用于收集和存储来自容器化应用程序和 Kubernetes 资源的指标。
Grafana：一种可视化工具，允许您创建自定义控制面板，用于可视化 Prometheus 和其他监控工具收集的指标。
Jaeger：一个分布式跟踪平台，可帮助您了解通过微服务应用程序的请求流。Jaeger 可以与 Kubernetes 集成，以监控容器化服务的性能和运行状况。

3. Kubernetes 安全工具：

安全性对于任何容器化环境都至关重要。这些工具可帮助您强化 Kubernetes 集群并识别潜在的安全漏洞。

开放策略代理（OPA）： 一个强大的策略引擎，允许您在 Kubernetes 集群内的各个级别实施安全策略。
KubeLinter 的 KubeLinter 中： 一种分析 Kubernetes YAML 文件以获取安全最佳实践和潜在漏洞的工具。
Kube-bench 的实例： 对 Kubernetes 集群配置执行安全审计的工具。它可以识别潜在的安全风险并建议补救措施。
Kube-hunter 的：一种安全工具，通过识别未经授权的部署、特权容器和错误配置来扫描 Kubernetes 集群中的漏洞。
Terrascan：用于基础设施安全扫描的工具。它可以与 Kubernetes 集成，以扫描您的集群配置是否存在安全风险。

4. Kubernetes 部署工具：

这些工具可自动执行容器化应用程序的构建、测试和部署过程，使您能够简化 CI/CD（持续集成/持续交付）管道。

詹金斯： 一种流行的开源 CI/CD 工具，可用于自动构建、测试和将容器化应用程序部署到 Kubernetes 集群。
Spinnaker：一个强大的 CI/CD 平台，提供持续交付功能，用于将容器化应用程序部署到 Kubernetes。
Fluxcd.io：一种 GitOps 工具，使用 Git 作为在 Kubernetes 中管理部署的事实来源。它根据对 Git 存储库所做的更改自动部署应用程序。

选择正确的工具

最佳工具的选择取决于您的具体需求和用例。考虑集群的大小和复杂性、监控和安全要求以及您首选的 CI/CD 管道结构等因素。通过利用正确的工具组合，您可以有效地管理 Kubernetes 环境、优化性能并确保容器化应用程序的可靠性和安全性。

Kubernetes 架构最佳实践

Kubernetes 作为一个强大的容器编排平台，提供了许多特性和功能来有效地管理容器化应用程序。为了优化 Kubernetes 部署并确保最佳性能、可靠性和安全性，必须遵守最佳实践。

1. 利用命名空间：

逻辑隔离：命名空间提供了一种将集群逻辑划分为不同环境或项目的方法。
资源管理：它们通过隔离不同的团队或应用程序来帮助更有效地管理资源。
安全：命名空间可用于实现基于角色的访问控制（RBAC）并限制对特定资源的访问。

2. 实施就绪情况和活跃度探测：

健康检查：就绪情况探测检查 Pod 是否已准备好接收流量，而存活度探测确保容器仍在运行且运行状况良好。
自动重启：Kubernetes 可以自动重启未通过运行情况探测或未准备好接收流量的 Pod。

3. 设置资源请求和限制：

资源配置：定义 Pod 所需的最小和最大资源（CPU 和内存）。
防止过度使用： 设置限制有助于防止 Pod 消耗过多资源并影响其他应用程序。
服务质量：保证关键应用程序达到一定级别的性能。

4. 利用高级部署对象：

抽象： 使用更高级别的部署对象（如 Deployments、ReplicaSets、StatefulSets 和 DaemonSets）来简化应用程序管理。
声明式配置：描述应用程序的所需状态，Kubernetes 将自动协调实际状态以匹配所需状态。
滚动更新：使用滚动更新等功能轻松更新应用程序，无需停机。

5. 在多个节点之间分配工作负载：

可用性： 将 Pod 分布在多个节点上，以提高容错能力和可用性。
负载均衡：在 Pod 之间均匀分配流量，以防止单个节点过载。
资源优化： 确保整个集群的资源得到有效利用。

6. 实施基于角色的访问控制（RBAC）：

安全：根据用户角色和权限限制对资源的访问。
粒度控制： 为不同的用户或组授予特定权限，防止未经授权的访问。
合规： 确保遵守安全法规和最佳实践。

7. 考虑为外部托管提供云服务：

托管 Kubernetes：利用 AWS EKS、Azure AKS 或 Google Kubernetes Engine 等云托管的 Kubernetes 服务来简化管理和可扩展性。
附加功能：受益于负载均衡、自动扩展和集成监控工具等内置功能。

8. 定期更新到最新版本：

安全补丁：及时了解最新的 Kubernetes 版本，以从安全补丁和错误修复中受益。
新功能： 访问较新版本中引入的新功能和增强功能。
改进的性能： 享受性能改进和优化。

9. 监控集群资源和审计策略日志：

故障排除： 监控资源使用情况、识别瓶颈并排查性能问题。
安全：审核策略日志以检测和解决安全威胁。
优化： 做出数据驱动的决策，以提高集群效率和资源分配。

10. 对配置文件使用版本控制：

协作： 使用 Git 等版本控制系统协作管理 Kubernetes 配置文件。
跟踪更改：轻松跟踪更改、恢复到以前的版本并与团队成员协作。
自动化： 将版本控制与 CI/CD 管道集成，以实现自动化部署。

通过遵循这些最佳实践，您可以优化 Kubernetes 部署、提高性能、增强安全性并确保容器化应用程序的可靠性。