Kubernetes架构与核心原理详解

Kubernetes 核心架构

Kubernetes（K8s）采用主从架构，由控制平面（Control Plane）和工作节点（Node）组成。控制平面负责集群状态管理，工作节点运行容器化应用。

控制平面组件包括：

API Server：集群操作的唯一入口，处理REST请求
etcd：分布式键值存储，保存集群状态
Controller Manager：运行控制器进程（如Deployment控制器）
Scheduler：将Pod分配到合适节点

工作节点组件包含：

kubelet：节点代理，管理Pod生命周期
kube-proxy：维护网络规则
容器运行时：如Docker/containerd

Pod 设计原理

Pod是K8s最小调度单元，特点包括：

一个或多个共享资源的容器
共享UTS/IPC/Network命名空间
通过pause容器维持网络命名空间
支持临时存储卷（ephemeral volume）

Pod生命周期状态：

Pending → Running → Succeeded/Failed

控制器模式

Kubernetes通过控制器实现声明式API：

Deployment：管理无状态应用，支持滚动更新

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
spec:
  replicas: 3
  strategy:
    rollingUpdate:
      maxSurge: 1
      maxUnavailable: 0

StatefulSet：管理有状态应用，提供稳定网络标识
DaemonSet：确保每个节点运行指定Pod
Job/CronJob：运行一次性或定时任务

服务发现与负载均衡

Service抽象实现服务发现：

ClusterIP：默认类型，集群内部访问
NodePort：通过节点端口暴露服务
LoadBalancer：云提供商负载均衡器
Headless Service：直接返回Pod IP

DNS解析规则：

<service>.<namespace>.svc.cluster.local

存储管理

存储抽象机制：

Volume：Pod级别存储，生命周期与Pod绑定
PersistentVolume（PV）：集群资源
PersistentVolumeClaim（PVC）：用户存储请求

动态供应示例：

apiVersion: storage.k8s.io/v1
kind: StorageClass
provisioner: kubernetes.io/aws-ebs
parameters:
  type: gp2

网络模型

Kubernetes网络要求：

所有Pod可以不通过NAT相互通信
所有节点可以与所有Pod通信
Pod看到的自身IP与其它Pod看到的IP一致

CNI插件实现方案：

Flannel：Overlay网络
Calico：BGP路由
Cilium：eBPF-based网络

调度机制

调度流程分为：

过滤（Predicate）：排除不满足条件的节点
打分（Priority）：评估节点得分

自定义调度策略示例：

apiVersion: v1
kind: Pod
spec:
  affinity:
    nodeAffinity:
      requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
        nodeSelectorTerms:
        - matchExpressions:
          - key: gpu
            operator: In
            values: ["true"]

安全模型

安全控制维度：

RBAC：基于角色的访问控制

kind: Role
rules:
- apiGroups: [""]
  resources: ["pods"]
  verbs: ["get", "watch", "list"]

NetworkPolicy：控制Pod间网络流量
PodSecurityPolicy：限制Pod安全设置（已弃用，替代为Pod Security Admission）

自动扩缩容

HPA（Horizontal Pod Autoscaler）工作流程：

定期从Metrics Server获取指标

计算期望副本数：

期望副本数 = ceil[当前副本数 × (当前指标值 / 目标指标值)]

更新Deployment副本数配置

示例配置：

apiVersion: autoscaling/v2
kind: HorizontalPodAutoscaler
spec:
  metrics:
  - type: Resource
    resource:
      name: cpu
      target:
        type: Utilization
        averageUtilization: 50

运维监控

核心监控组件：

Metrics Server：集群资源指标
kube-state-metrics：K8s对象状态
Prometheus Operator：完整监控方案

常用诊断命令：

kubectl describe pod <pod-name>  # 查看Pod详情
kubectl logs <pod-name> -c <container>  # 查看容器日志
kubectl top pod  # 查看资源使用

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