Kubernetes 架构详细解释

周同学带您玩AI 2024-05-30

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Kubernetes 是一个开源的容器编排平台，旨在自动化应用程序的部署、扩展和管理。通过 Kubernetes，开发者可以轻松管理容器化应用的生命周期，保证应用的高可用性和扩展性。

1. 集群架构

Kubernetes 集群由多个节点组成，分为 Master 节点和 Worker 节点（Node）。Master 节点负责集群的管理和控制，而 Worker 节点则运行实际的容器化应用。

Master 组件：API Server、ETCD、Scheduler、Controller Manager
Node 组件：kubelet、kube-proxy、Container Runtime

Master 节点

Master 节点是 Kubernetes 集群的控制中心，负责管理集群的各项功能和协调工作负载的调度。Master 节点上的关键组件包括：

1.1 API Server

API Server 是 Kubernetes 的前端接口，所有的操作请求都通过 API Server 进行处理。它是集群管理的核心，提供了 RESTful API 供用户和其他组件进行交互。

当用户通过 kubectl 命令行工具部署一个应用时，kubectl 会向 API Server 发送请求，例如：

kubectl create -f deployment.yaml

API Server 接收到请求后，会验证和处理请求，并将信息存储到 ETCD 中，然后通知其他相关组件执行相应的操作。

1.2 ETCD

ETCD 是一个分布式键值存储，用于存储 Kubernetes 集群的所有状态数据。它保存了整个集群的配置、状态信息和元数据，是集群的“数据库”。

当一个新的节点加入集群时，API Server 会将节点的信息写入 ETCD，确保所有组件都能够访问到最新的集群状态。例如，新的节点信息可能如下：

{
  "kind": "Node",
  "apiVersion": "v1",
  "metadata": {
    "name": "node-1",
    "labels": {
      "role": "worker"
    }
  },
  "status": {
    "capacity": {
      "cpu": "4",
      "memory": "16Gi"
    }
  }


}

1.3 Scheduler

Scheduler 负责将新创建的 Pod 分配到合适的 Node 上。它根据资源需求、策略、约束条件和节点的当前负载等因素做出调度决策。

假设用户提交了一个需要运行 2 个副本的 Pod，Scheduler 会根据集群的资源情况选择合适的节点，例如：

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: my-app
spec:
  replicas: 2
  template:
    metadata:
      labels:
        app: my-app
    spec:
      containers:
      - name: my-container


image: my-app-image

Scheduler 会将两个 Pod 分配到资源充足的节点上。

1.4 Controller Manager

Controller Manager 负责管理 Kubernetes 控制器，这些控制器监控集群状态并确保集群始终处于期望状态。常见的控制器包括节点控制器、复制控制器、部署控制器等。

当一个节点故障时，节点控制器会检测到节点不可达，并启动相应的修复措施，如在其他健康的节点上重新调度运行在故障节点上的 Pod。

Node 节点

Node 节点是 Kubernetes 集群中实际运行应用工作负载的地方，每个 Node 都包含以下关键组件：

1.5 kubelet

kubelet 是运行在每个 Node 上的代理，负责与 Master 节点通信并执行分配给该节点的任务。kubelet 确保容器在 Node 上正常运行，并定期向 Master 报告节点状态。

当 API Server 分配一个 Pod 给某个 Node 时，kubelet 会接收该 Pod 的定义，并启动对应的容器。例如：

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: my-pod
spec:
  containers:
  - name: my-container


image: my-app-image

kubelet 会根据 Pod 的定义，使用容器运行时（如 Docker）在节点上启动容器。

1.6 kube-proxy

kube-proxy 是负责处理 Kubernetes 服务的网络代理，它维护节点上的网络规则，确保网络流量能够正确路由到相应的容器。

假设用户创建了一个服务（Service）来暴露应用程序，kube-proxy 会在节点上配置相应的网络规则。例如：

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: my-service
spec:
  selector:
    app: my-app
  ports:
    - protocol: TCP
      port: 80


targetPort: 8080

kube-proxy 会确保所有访问 my-service 的流量被正确路由到运行 my-app 的 Pod。

1.7 Container Runtime

Container Runtime 是运行容器的底层软件，常见的容器运行时包括 Docker、containerd 等。它负责下载镜像、创建和管理容器。

当 kubelet 需要启动一个新的 Pod 时，容器运行时会根据镜像名称下载镜像，并启动容器。例如，使用 Docker 运行一个容器：

docker run -d --name my-container my-app-image

Docker 会下载 my-app-image 并启动一个名为 my-container 的容器。

举例

编写应用代码并创建 Docker 镜像：

编写 web 应用代码，并使用 Dockerfile 构建镜像。
将镜像上传到镜像仓库。

创建 Kubernetes 部署和服务：

编写部署（Deployment）和服务（Service）的 YAML 文件。
使用 kubectl
命令将部署和服务应用到 Kubernetes 集群。

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: web-app
spec:
  replicas: 3
  template:
    metadata:
      labels:
        app: web-app
    spec:
      containers:
      - name: web-container
        image: web-app-image
---
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: web-service
spec:
  selector:
    app: web-app
  ports:
    - protocol: TCP
      port: 80
      targetPort: 8080