Kubernetes 简介 | Baeldung中文网

1. 概述

在本文中，我们将对 Kubernetes 进行一次简要的理论性介绍。主要内容包括：

为何需要容器编排工具
Kubernetes 的核心特性
Kubernetes 架构组成
Kubernetes API 的基本概念

如需深入了解，建议查阅 Kubernetes 官方文档。

2. 容器编排的必要性

在之前的一篇 Docker 教程中，我们已经了解了 Docker 的基础概念，以及如何打包和部署应用。

一句话总结：Docker 是一个容器运行时工具，它提供了一种标准化的方式，用于打包、传输和运行单个应用实例，也就是我们常说的容器。

但随着系统复杂度的提升，一些新的需求也随之出现：比如自动化部署、容器编排、任务调度、高可用保障、多实例集群管理等。

市场上有不少容器编排工具，但 Kubernetes 正在逐步成为主流，被广泛采用。

3. Kubernetes 的核心特性

Kubernetes 是一个用于在一组节点上编排容器化应用的系统，它同时管理网络和存储基础设施。其主要特性包括：

✅ 资源调度：将 Pod 合理分配到各个节点上运行
✅ 自动扩缩容：根据负载动态增加节点并部署新 Pod
✅ 自愈机制：监控容器状态，按策略重启失败容器
✅ 服务发现：通过 DNS 注册并发布 Pod 和 Service
✅ 滚动更新与回滚：支持按顺序更新 Pod，失败时可回退
✅ 密钥与配置管理：安全地处理密码、API Key 等敏感信息
✅ 存储编排：支持多种第三方存储系统，可作为持久化卷使用

4. Kubernetes 架构概览

Kubernetes 架构主要由以下核心组件构成：

Master（控制平面）：维护集群的期望状态。我们通过 kubectl 等工具与 Master 交互。
Node（节点）：运行应用的机器（可以是虚拟机或物理服务器），由 Master 控制。
Container Runtime（容器运行时）：Node 上必须安装的容器运行环境，最常用的是 Docker。
Minikube：用于本地开发测试的单节点 Kubernetes 集群工具。
Kubernetes API：提供了对 Kubernetes 各种资源对象的抽象，通过 API 操作集群。
kubectl：命令行工具，用于创建、更新、删除和查看 Kubernetes 资源对象。

5. Kubernetes API 对象模型

API 对象是 Kubernetes 的“意图记录”，一旦创建对象，Kubernetes 就会持续确保该对象的状态与定义一致。

每个对象都包含两个部分：

spec：描述期望状态（我们定义的）
status：描述当前实际状态（由集群维护并更新）

接下来我们介绍几种常见的 Kubernetes 对象。

5.1 基础对象

Pod：最小调度单元，通常包含一个或多个紧密协作的容器、共享存储和网络。
Service：逻辑上将一组 Pod 分组，并定义访问方式，对外提供统一入口。
Volume：为容器提供持久化或共享存储。支持多种类型，例如 hostPath、NFS、云存储等。
Namespace：实现多租户，允许在同一个物理集群中划分多个虚拟集群。

5.2 控制器对象（Controller）

控制器基于基础对象构建，提供更高级的功能：

Deployment：用于声明式更新 Pod 和 ReplicaSet。我们定义期望状态，Deployment 控制器负责实现。
ReplicaSet：确保指定数量的 Pod 副本始终在运行。
StatefulSet：适用于有状态应用，Pod 有唯一、稳定的网络标识和存储。
DaemonSet：确保集群中每个节点（或部分节点）上运行一个特定 Pod，常用于日志收集、监控等场景。
GarbageCollection：清理无主对象，释放资源。
Job：用于运行一次性任务，确保指定数量的 Pod 成功完成。

5.3 对象元数据（Metadata）

元数据用于描述对象的附加信息，主要包括：

Namespace：默认为 default，用于隔离资源。
Name：在同一 Namespace 中唯一。
Uid：全局唯一标识符，用于区分不同生命周期的对象。

可选元数据包括：

Labels：键值对，用于分类资源，支持灵活筛选。
Label Selector：通过 Label 筛选符合条件的资源。
Annotations：键值对，用于存储构建、版本等信息，不用于选择资源。

5.4 示例说明

Kubernetes API 对象可以通过 JSON 或 YAML 定义，但推荐使用 YAML 进行手动配置。

下面是一个名为 demo-backend 的 Deployment 的 YAML 示例：

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: demo-backend
spec:
  selector:
    matchLabels:
      app: demo-backend
      tier: backend
  replicas: 3
  template:
    metadata:
      labels:
        app: demo-backend
        tier: backend
    spec:
      containers:
        - name: demo-backend
          image: demo-backend:latest
          ports:
            - containerPort: 8080

这个 Deployment 定义了以下内容：

使用 Deployment 控制器管理 Pod
副本数为 3（replicas: 3）
每个 Pod 包含一个容器，镜像为 demo-backend:latest，监听 8080 端口
给 Pod 添加了两个标签：app=demo-backend 和 tier=backend
通过 matchLabels 将 Deployment 与对应的 Pod 绑定

当我们通过 kubectl get deployment 查看状态时，返回的内容可能如下：

Name:                   demo-backend
Namespace:              default
CreationTimestamp:      Thu, 22 Mar 2018 18:58:32 +0100
Labels:                 app=demo-backend
Annotations:            deployment.kubernetes.io/revision=1
Selector:               app=demo-backend
Replicas:               3 desired | 3 updated | 3 total | 3 available | 0 unavailable
StrategyType:           RollingUpdate
MinReadySeconds:        0
RollingUpdateStrategy:  25% max unavailable, 25% max surge
Pod Template:
  Labels:  app=demo-backend
  Containers:
   demo-backend:
    Image:        demo-backend:latest
    Port:         8080/TCP
    Environment:  <none>
    Mounts:       <none>
  Volumes:        <none>
Conditions:
  Type           Status  Reason
  ----           ------  ------
  Progressing    True    NewReplicaSetAvailable
  Available      True    MinimumReplicasAvailable
OldReplicaSets:  <none>
NewReplicaSet:   demo-backend-54d955ccf (3/3 replicas created)
Events:          <none>

可以看到，Deployment 已经成功部署，3 个 Pod 副本都处于可用状态。未在 YAML 中显式定义的字段，通常为默认值。

6. 如何开始使用 Kubernetes

Kubernetes 支持多种部署方式，从本地开发环境到云平台，甚至是裸金属服务器集群。

**推荐初学者使用 Minikube**，它可以在本地快速搭建一个单节点 Kubernetes 集群，非常适合学习和测试。

更多部署方式详见 Kubernetes 官方安装指南。

7. 总结

本文我们简要介绍了 Kubernetes 的基础知识，包括：

容器编排工具的必要性
Kubernetes 的主要功能特性
核心组件和架构设计
API 对象模型与操作方式

如果你计划在生产环境使用 Kubernetes，建议深入学习其调度策略、网络模型、安全机制等内容。后续我们也会陆续推出更深入的实践教程。

Persistence

REST

Security