Kubernetes 架构

本章将深入介绍 Kubernetes 集群的架构设计和核心组件。

Kubernetes 架构概述

Kubernetes 采用主从架构，主要由**控制平面（Control Plane）和工作节点（Worker Nodes）**两部分组成。

控制平面组件

控制平面负责整个集群的管理和控制，是 Kubernetes 的大脑。

1. kube-apiserver

API 服务器是 Kubernetes 控制平面的核心组件，所有组件都通过它进行通信。

主要功能：

提供 Kubernetes API，是集群的入口点
处理 RESTful 操作（创建、更新、删除资源）
验证请求并更新 etcd 中的数据
实现服务发现和身份验证

# 查看 API 服务器信息
kubectl get pod -n kube-system -l component=kube-apiserver

# 查看 API 端点
kubectl api-resources

工作原理：

2. etcd

etcd 是一个分布式键值存储，用于保存集群的所有数据。

特点：

高度可用：采用 Raft 共识算法
一致性：保证数据强一致性
持久化：数据持久化存储

# 查看 etcd 状态
kubectl get pods -n kube-system -l component=etcd

# 使用 etcdctl 查看数据（需要配置）
etcdctl get /registry --prefix -keys-only

存储内容：

Pod、Service、Deployment 等资源对象
集群状态信息
元数据和配置

3. kube-scheduler

调度器负责为新建的 Pod 选择最合适的工作节点。

调度因素：

资源需求：CPU、内存、存储
节点亲和性和反亲和性
Pod 亲和性和反亲和性
污点和容忍（Taints and Tolerations）
拓扑约束（Topology Spread Constraints）

# 示例：指定节点调度
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: my-pod
spec:
  nodeSelector:
    disktype: ssd  # 调度到有 SSD 标签的节点
  containers:
  - name: nginx
    image: nginx

调度流程：

4. kube-controller-manager

控制器管理器运行各种控制器来维护集群状态。

主要控制器：

控制器	功能
Node Controller	监控节点状态，自动标记为不可用
Replication Controller	确保指定数量的 Pod 副本运行
Deployment Controller	管理 Deployment 资源
Service Controller	管理 Service 资源
Endpoint Controller	创建 Service 和 Pod 的端点映射
Garbage Collection	清理不再使用的资源

# 查看控制器管理器
kubectl get pods -n kube-system -l component=kube-controller-manager

5. cloud-controller-manager

云控制器管理器负责与云提供商交互，管理云资源。

功能：

节点管理：创建、删除云服务器
负载均衡管理：配置云负载均衡器
存储管理：挂载云存储卷

工作节点组件

工作节点是实际运行 Pod 的机器，负责执行计算任务。

1. kubelet

kubelet 是运行在每个节点上的代理，负责管理该节点上的 Pod。

主要职责：

与 API 服务器通信，接收 Pod 指令
管理节点上的容器
监控容器健康状态
报告节点和容器状态

# 查看 kubelet 状态
systemctl status kubelet

# 查看 kubelet 日志
journalctl -u kubelet -n 100

2. kube-proxy

kube-proxy 是节点上的网络代理，负责实现 Service 的负载均衡。

工作模式：

Userspace（已废弃）
iptables（默认）：使用规则转发流量
IPVS：支持更多负载均衡算法

# 查看 kube-proxy 规则
iptables -t nat -L -n | grep KUBE

# 查看 IPVS 规则
ipvs -L -n

3. 容器运行时

容器运行时负责拉取镜像和运行容器。

支持的运行时：

containerd（默认）
Docker
CRI-O
gVisor

# 查看容器运行时
crictl info

# 查看运行中的容器
crictl ps

控制器模式

Kubernetes 使用控制器模式来管理集群状态。

控制循环

每个控制器通过"控制循环"来确保期望状态与实际状态一致：

声明式 API

用户声明期望状态，控制器负责实现：

# 声明期望状态：3 个 Pod 副本
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: my-app
spec:
  replicas: 3
  selector:
    matchLabels:
      app: my-app
  template:
    metadata:
      labels:
        app: my-app
    spec:
      containers:
      - name: my-app
        image: nginx:latest

通信机制

API 服务器通信

节点间通信

Pod 可以直接与其他 Pod 通信（不需要 NAT）
每个 Pod 都有唯一的 IP 地址
Service 提供稳定的虚拟 IP

集群高可用

生产环境通常部署高可用集群：

小结

本章我们学习了：

Kubernetes 架构概述：控制平面 + 工作节点
控制平面组件：API 服务器、etcd、调度器、控制器管理器
工作节点组件：kubelet、kube-proxy、容器运行时
控制器模式：声明式 API 和控制循环
通信机制：API 服务器通信和节点间通信

练习

使用 kubectl get componentstatuses 查看控制平面组件状态
使用 kubectl describe node <node-name> 查看节点详情
使用 kubectl get pods -n kube-system 查看系统组件 Pod
分析一个 Pod 的调度过程