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Docker技术系列文章，第十篇——Docker 集群与编排（以 Kubernetes 为例）

news 来源：原创 2025/7/18 4:25:13

本篇内容作为docker系列的收尾之作，之所以选择本篇作为收尾之作，是因为小编觉得这十篇内容已经满足基础的docker应用中的需求了；关注小编，小编后期还会不定时的更新docker相关的知识点。希望诸君共同努力，都能收获的愈加更多🚀。

一、引言与基础概念

在当今的软件开发和部署领域，容器化技术已经成为了主流趋势。Docker 作为容器化技术的代表，能够将应用及其依赖打包成独立的容器，实现应用的快速部署和迁移。然而，当面临大规模的容器管理和调度时，仅仅依靠 Docker 本身是远远不够的。这时，就需要借助集群与编排工具来高效地管理和协调这些容器。Kubernetes（简称 K8s）作为目前最流行的容器编排工具，为 Docker 容器的集群管理提供了强大的支持。本文将详细介绍 Docker 集群与编排的概念，并以 Kubernetes 为例，深入探讨其工作原理、核心组件、部署流程以及实际应用案例。

二、Docker 集群与编排概述

2.1 Docker 集群的概念

Docker 集群是指将多个 Docker 主机组合在一起，形成一个统一的资源池，以便更高效地管理和运行容器。通过集群，我们可以实现容器的负载均衡、高可用性以及资源的动态分配。例如，在一个电商应用中，当遇到促销活动时，流量会大幅增加，此时可以通过集群动态地增加容器实例来处理更多的请求，确保应用的稳定运行。

2.2 编排的重要性

编排是指自动化地管理和协调容器的部署、扩展、更新和监控等操作。在大规模的容器环境中，手动管理每个容器是不现实的，编排工具可以帮助我们简化这些操作，提高效率和可靠性。例如，Kubernetes 可以根据预设的规则自动调整容器的数量，以适应不同的负载情况，同时还能在容器出现故障时自动进行重启或替换。

三、Kubernetes 简介

3.1 Kubernetes 的定义和背景

Kubernetes 是一个开源的容器编排系统，最初由 Google 开发，后来捐赠给了云原生计算基金会（CNCF）。它借鉴了 Google 在容器管理方面多年的经验，旨在提供一个可扩展、自动化的平台，用于管理大规模的容器化应用。

3.2 Kubernetes 的优势

高可用性：Kubernetes 可以自动检测容器的状态，当容器出现故障时，会自动重启或替换，确保应用的持续运行。
可扩展性：可以根据应用的负载情况，动态地增加或减少容器实例，实现资源的高效利用。
负载均衡：通过内置的负载均衡器，将请求均匀地分配到多个容器实例上，提高应用的性能。
自动化部署和更新：支持滚动更新和回滚操作，确保应用的平滑升级和降级。

四、Kubernetes 核心组件

4.1 Master 节点组件

4.1.1 kube - apiserver

kube - apiserver 是 Kubernetes 的核心组件，它提供了 Kubernetes API 的 HTTP 接口，是所有组件之间通信的枢纽。其他组件通过调用 kube - apiserver 的 API 来实现各种操作，如创建、删除和修改资源等。

4.1.2 etcd

etcd 是一个分布式键值存储系统，用于存储 Kubernetes 集群的所有配置信息和状态数据。它是集群的 “大脑”，确保数据的一致性和可靠性。

4.1.3 kube - scheduler

kube - scheduler 负责根据节点的资源使用情况和容器的需求，将 Pod（Kubernetes 中最小的可部署单元）调度到合适的节点上。

4.1.4 kube - controller - manager

kube - controller - manager 包含多个控制器，如节点控制器、副本控制器等，负责监控和管理集群中的各种资源，确保它们的状态符合预期。

4.2 Node 节点组件

4.2.1 kubelet

kubelet 是每个节点上的代理，负责与 kube - apiserver 通信，接收和执行 Pod 的创建、启动和删除等操作，并监控 Pod 的状态。

4.2.2 kube - proxy

kube - proxy 负责在节点上实现网络代理和负载均衡，确保 Pod 之间的通信和外部访问的正常进行。

4.2.3 Container Runtime

Container Runtime 是负责运行容器的软件，常见的有 Docker、Containerd 等。在 Kubernetes 中，它负责创建和管理容器。

五、Kubernetes 部署流程

5.1 环境准备

在部署 Kubernetes 之前，需要准备好以下环境：

多个具有相同操作系统的节点（至少一个 Master 节点和多个 Node 节点）。
确保节点之间可以相互通信，并且网络配置正确。
安装 Docker 或其他 Container Runtime。

5.2 安装和配置 Master 节点

5.2.1 安装必要的软件包

# 以 Ubuntu 为例，安装必要的软件包
sudo apt update
sudo apt install -y apt - transport - https ca - certificates curl software - properties - common

5.2.2 添加 Kubernetes 官方源

curl -s https://packages.cloud.google.com/apt/doc/apt - key.gpg | sudo apt - key add -
sudo add - apt - repository "deb https://apt.kubernetes.io/ kubernetes - xenial main"
sudo apt update

5.2.3 安装 Kubernetes 组件

sudo apt install -y kubelet kubeadm kubectl
sudo apt - mark hold kubelet kubeadm kubectl

5.2.4 初始化 Master 节点

sudo kubeadm init --pod - network - cidr = 10.244.0.0/16

这里的 --pod - network - cidr 用于指定 Pod 网络的 IP 地址范围。初始化完成后，会生成一个加入集群的命令，用于后续 Node 节点的加入。

5.2.5 配置 kubectl

mkdir -p $HOME/.kube
sudo cp -i /etc/kubernetes/admin.conf $HOME/.kube/config
sudo chown $(id -u):$(id -g) $HOME/.kube/config

5.2.6 安装网络插件

kubectl apply -f https://raw.githubusercontent.com/coreos/flannel/master/Documentation/kube - flannel.yml

网络插件用于实现 Pod 之间的通信。

5.3 加入 Node 节点

在 Node 节点上执行 Master 节点初始化时生成的加入集群命令，例如：

sudo kubeadm join <master - ip>:<master - port> --token <token> --discovery - token - ca - cert - hash <hash>

5.4 验证集群部署

kubectl get nodes

如果输出显示所有节点的状态为 Ready，则说明集群部署成功。

六、Kubernetes 资源对象

6.1 Pod

Pod 是 Kubernetes 中最小的可部署单元，它可以包含一个或多个紧密相关的容器。这些容器共享同一个网络命名空间和存储卷，通常用于运行一个完整的应用组件。例如，一个 Web 应用可能由一个 Nginx 容器和一个 Python Flask 容器组成，它们可以放在同一个 Pod 中。

6.1.1 创建 Pod 的 YAML 文件示例

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:name: my - pod
spec:containers:- name: nginx - containerimage: nginx:latestports:- containerPort: 80

6.1.2 创建 Pod

kubectl apply -f my - pod.yaml

6.2 Deployment

Deployment 是用于管理 Pod 的高级资源对象，它可以实现 Pod 的自动部署、滚动更新和回滚等功能。通过 Deployment，我们可以定义 Pod 的副本数量，并根据需要进行动态调整。

6.2.1 创建 Deployment 的 YAML 文件示例

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:name: my - deployment
spec:replicas: 3selector:matchLabels:app: my - apptemplate:metadata:labels:app: my - appspec:containers:- name: nginx - containerimage: nginx:latestports:- containerPort: 80

6.2.2 创建 Deployment

kubectl apply -f my - deployment.yaml

6.3 Service

Service 是用于暴露 Pod 的网络接口，它可以为一组 Pod 提供统一的访问入口，并实现负载均衡。例如，通过 Service，外部用户可以通过一个固定的 IP 地址和端口访问到多个 Pod 中的应用。

6.3.1 创建 Service 的 YAML 文件示例

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:name: my - service
spec:selector:app: my - appports:- protocol: TCPport: 80targetPort: 80type: LoadBalancer

6.3.2 创建 Service

kubectl apply -f my - service.yaml

七、Kubernetes 实际应用案例

7.1 部署一个简单的 Web 应用

7.1.1 编写 Deployment 和 Service 的 yaml 文件

# deployment.yaml
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:name: web - app - deployment
spec:replicas: 3selector:matchLabels:app: web - apptemplate:metadata:labels:app: web - appspec:containers:- name: web - app - containerimage: your - web - app - image:latestports:- containerPort: 8080# service.yaml
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:name: web - app - service
spec:selector:app: web - appports:- protocol: TCPport: 80targetPort: 8080type: LoadBalancer

7.1.2 部署应用

kubectl apply -f deployment.yaml
kubectl apply -f service.yaml

通过上述步骤，我们就可以在 Kubernetes 集群中部署一个简单的 Web 应用，并通过 Service 对外提供服务。

7.2 应用的滚动更新和回滚

7.2.1 滚动更新

当需要更新应用的版本时，可以通过修改 Deployment 的 YAML 文件中的镜像版本，并重新应用该文件来实现滚动更新。例如：

# 修改 deployment.yaml 中的镜像版本
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:name: web - app - deployment
spec:replicas: 3selector:matchLabels:app: web - apptemplate:metadata:labels:app: web - appspec:containers:- name: web - app - containerimage: your - web - app - image:new - versionports:- containerPort: 8080

kubectl apply -f deployment.yaml

Kubernetes 会自动将旧版本的 Pod 逐步替换为新版本的 Pod，确保应用的平滑升级。

7.2.2 回滚

如果更新过程中出现问题，可以使用以下命令回滚到上一个版本：

kubectl rollout undo deployment/web - app - deployment

八、收工

本文详细介绍了 Docker 集群与编排的概念，并以 Kubernetes 为例，深入探讨了其核心组件、部署流程、资源对象以及实际应用案例。Kubernetes 作为强大的容器编排工具，为大规模容器化应用的管理和调度提供了高效、可靠的解决方案。通过合理运用 Kubernetes 的功能，我们可以实现应用的高可用性、可扩展性和自动化部署，提高软件开发和部署的效率。