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K8s组件

news 来源：原创 2025/5/10 4:54:03

 一、Kubernetes 集群架构组件

  • K8S 是属于主从设备模型（Master-Slave 架构），即有 Master 节点负责集群的调度、管理和运维，Slave 节点是集群中的运算工作负载节点。

  • 主节点一般被称为 Master 节点，master节点上有 apiserver、controller-manager、scheduler 以及使用 etcd 做Kubernetes集群存储；而从节点则被称为 Worker Node 节点，node节点上有 kubelet、kube-proxy、容器引擎（比如docker），每个 Node 都会被 Master 分配一些工作负载。

  • Master 组件可以在群集中的任何计算机上运行，但建议 Master 节点占据一个独立的服务器。因为 Master 是整个集群的大脑，如果 Master 所在节点宕机或不可用，那么所有的控制命令都将失效。除了 Master，在 K8S 集群中的其他机器被称为 Worker Node 节点，当某个 Node 宕机时，其上的工作负载会被 Master 自动转移到其他节点上去。

1、Master 组件

1、Kube-apiserver

  • 用于暴露 Kubernetes API，任何资源请求或调用操作都是通过 kube-apiserver 提供的接口进行。以 HTTP Restful API 提供接口服务，所有对象资源的增删改查和监听操作都交给 API Server 处理后再提交给 Etcd 存储。

  • 可以理解成 API Server 是 K8S 的所有服务的请求入口。API Server 负责接收 K8S 所有请求（来自 UI 界面或者 CLI 命令行工具）， 然后根据用户的具体请求，去通知其他组件干活。可以说 API Server 是 K8S 集群架构的大脑。

2、Kube-controller-manager

  • 运行管理控制器，是 K8S 集群中处理常规任务的后台线程，是 K8S 集群里所有资源对象的自动化控制中心。

  • 在 K8S 集群中，一个资源对应一个控制器，而 Controller manager 就是负责管理这些控制器的。

  • 由一系列控制器组成，通过 API Server 监控整个集群的状态，并确保集群处于预期的工作状态，比如当某个 Node 意外宕机时，Controller Manager 会及时发现并执行自动化修复流程，确保集群始终处于预期的工作状态。

  • 这些控制器主要包括：

    • Node Controller（节点控制器）：负责在节点出现故障时发现和响应。

    • Replication Controller（副本控制器）：负责保证集群中一个 RC（资源对象 Replication Controller）所关联的 Pod 副本数始终保持预设值。可以理解成确保集群中有且仅有 N 个 Pod 实例，N 是 RC 中定义的 Pod 副本数量。

    • Endpoints Controller（端点控制器）：填充端点对象（即连接 Services 和 Pods），负责监听 Service 和对应的 Pod 副本的变化。 可以理解端点是一个服务暴露出来的访问点，如果需要访问一个服务，则必须知道它的 endpoint。

    • Service Account & Token Controllers（服务帐户和令牌控制器）：为新的命名空间创建默认帐户和 API 访问令牌。

    • ResourceQuota Controller（资源配额控制器）：确保指定的资源对象在任何时候都不会超量占用系统物理资源。

    • Namespace Controller（命名空间控制器）：管理 namespace 的生命周期。

    • Service Controller（服务控制器）：属于 K8S 集群与外部的云平台之间的一个接口控制器

3、Kube-scheduler

  • 是负责资源调度的进程，根据调度算法为新创建的 Pod 选择一个合适的 Node 节点。

  • 可以理解成 K8S 所有 Node 节点的调度器。当用户要部署服务时，Scheduler 会根据调度算法选择最合适的 Node 节点来部署 Pod。

  • 调度算法：

    • 预选策略（predicate）

    • 优选策略（priorities）

  • API Server 接收到请求创建一批 Pod ，API Server 会让 Controller-manager 按照所预设的模板去创建 Pod，Controller-manager 会通过 API Server 去找 Scheduler 为新创建的 Pod 选择最适合的 Node 节点。比如运行这个 Pod 需要 2C4G 的资源，Scheduler 会通过预选策略过滤掉不满足策略的 Node 节点。Node 节点中还剩多少资源是通过汇报给 API Server 存储在 etcd 里，API Server 会调用一个方法找到 etcd 里所有 Node 节点的剩余资源，再对比 Pod 所需要的资源，如果某个 Node 节点的资源不足或者不满足 预选策略的条件则无法通过预选。预选阶段筛选出的节点，在优选阶段会根据优选策略为通过预选的 Node 节点进行打分排名， 选择得分最高的 Node。例如，资源越富裕、负载越小的 Node 可能具有越高的排名。

4、Etcd 配置存储中心

  • etcd 是分布式键值存储系统，是K8S 的存储服务，存储了 K8S 的关键配置和用户配置，K8S 中仅 API Server 才具备读写权限，其他组件必须通过 API Server 的接口才能读写数据。

  • etcd是Coreos团队于2013年6月发起的开源项目，它的目标是构建一个高可用的分布式键值 (kev-value)数据库。etcd内部采用raft协议作为一致性算法，etcd是go语言编写的。

  • etcd 作为服务发现系统，有以下的特点：

    • 简单：安装配置简单，而且提供了HTTP API进行交互，使用也很简单

    • 安全：支持SSI证书验证

    • 快速：单实例支持每秒2k+读操作

    • 可靠：采用rat算法，实现分布式系统数据的可用性和一致性

  • etcd 目前默认使用2379端口提供HTTP API服务， 2380端口和peer通信（这两个端口已经被IANA官方预留给etcd）。即etcd默认使用2379端口对外为客户端提供通讯，使用端口2380来进行服务器间内部通讯。

  • etcd 在生产环境中一般推荐集群方式部署。由于etcd 的leader选举机制，要求至少为3台或以上的奇数台。

3.Node 组件

1、Kubelet

  • Node 节点的监视器，以及与 Master 节点的通讯器。Kubelet 是 Master 节点安插在 Node 节点上的“眼线”，它会定时向 API Server 汇报自己 Node 节点上运行的服务的状态，并接受来自 Master 节点的指示采取调整措施。

  • 从 Master 节点获取自己节点上 Pod 的期望状态（比如运行什么容器、运行的副本数量、网络或者存储如何配置等）， 直接跟容器引擎交互实现容器的生命周期管理，如果自己节点上 Pod 的状态与期望状态不一致，则调用对应的容器平台接口（即 docker 的接口）达到这个状态。

  • 还负责管理镜像和容器的清理工作，保证节点上镜像不会占满磁盘空间，退出的容器不会占用太多资源。

  • 即在 Kubernetes 集群中，在每个 Node 上都会启动一个 kubelet 服务进程。该进程用于处理 Master 下发到本节点的任务，管理 Pod 及 Pod 中的容器。每个 kubelet 进程都会在 API Server 上注册节点自身的信息，定期向 Master 汇报节点资源的使用情况，并通过 cAdvisor 监控容器和节点资源。

2、Kube-Proxy

  • 在每个 Node 节点上实现 Pod 网络代理，是 Kubernetes Service 资源的载体，负责维护网络规则和四层负载均衡工作。 负责写入规则至iptables、ipvs实现服务映射访问的。

  • Kube-Proxy 本身不是直接给 Pod 提供网络，Pod 的网络是由 Kubelet 提供的，Kube-Proxy 实际上维护的是虚拟的 Pod 集群网络。

  • Kube-apiserver 通过监控 Kube-Proxy 进行对 Kubernetes Service 的更新和端点的维护。

  • 在 K8S 集群中微服务的负载均衡是由 Kube-proxy 实现的。Kube-proxy 是 K8S 集群内部的负载均衡器。它是一个分布式代理服务器，在 K8S 的每个节点上都会运行一个 Kube-proxy 组件。

3、Container Runtime

  • 容器引擎，运行容器，负责本机的容器创建和管理工作。当 kubernetes 把 pod 调度到节点上，节点上的 kubelet会指示 docker 启动特定的容器。接着，kubelet 会通过 docker 持续地收集容器的信息， 然后提交到主节点上。docker 会如往常一样拉取容器镜像、启动或停止容器。不同点仅仅在于这是由自动化系统控制而非管理员在每个节点上手动操作的。

 二、kubernetes的工作流程

  1. 用户通过客户端发送创建pod的请求到master节点上的apiserver；

  2. apiserver会先把相关的请求信息写入到etcd中，再找controller-manager根据预设的资源模板创建pod清单；

  3. 然后controller-manager会通过apiserver去找scheduler为新创建的pod选择最适合的Node节点；

  4. scheduler会通过调度算法的预选策略和优选策略筛选出最适合的Node节点；

  5. 然后再通过apiserver找到对应的Node节点上的kubelet去创建和管理pod；

  6. kubelet会直接跟容器引擎交互来管理容器的生命周期；

  7. 用户通过创建承载在kube-proxy上的service资源，写入相关的网络规则，实现对pod的服务发现和负载均衡。 

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