本文深入探討了Kubernetes（K8s）的關(guān)鍵方面，包括其架構(gòu)、容器編排、網(wǎng)絡(luò)與存儲管理、安全與合規(guī)、高可用性、災(zāi)難恢復以及監(jiān)控與日志系統(tǒng)。
關(guān)注【TechLeadCloud】，分享互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)、云服務(wù)技術(shù)的全維度知識。作者擁有10+年互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)架構(gòu)、AI產(chǎn)品研發(fā)經(jīng)驗、團隊管理經(jīng)驗，同濟本復旦碩，復旦機器人智能實驗室成員，阿里云認證的資深架構(gòu)師，項目管理專業(yè)人士，上億營收AI產(chǎn)品研發(fā)負責人
一、介紹
Kubernetes的歷史和演進
Kubernetes（簡稱K8s）是一個開源的容器編排系統(tǒng)，用于自動化應(yīng)用程序的部署、擴展和管理。它最初是由Google內(nèi)部的Borg系統(tǒng)啟發(fā)并設(shè)計的，于2014年作為開源項目首次亮相。
初始階段
Kubernetes的誕生源于Google內(nèi)部對大規(guī)模容器管理的需求。早在2014年之前，Google已經(jīng)在其內(nèi)部系統(tǒng)Borg上積累了大量關(guān)于容器編排和管理的經(jīng)驗。這些經(jīng)驗和技術(shù)最終孕育出Kubernetes。
發(fā)展階段
隨著云計算和微服務(wù)架構(gòu)的興起，Kubernetes迅速成為行業(yè)標準。它的設(shè)計哲學、可擴展性和社區(qū)支持是其成功的關(guān)鍵因素。2015年，Cloud Native Computing Foundation（CNCF）成立，并接管了Kubernetes的發(fā)展。在CNCF的支持下，Kubernetes經(jīng)歷了快速發(fā)展，吸引了一大批貢獻者和用戶。
演進階段
Kubernetes不斷演進，增加了對多種云平臺的支持，改進了網(wǎng)絡(luò)和存儲功能，增強了安全性。其社區(qū)也不斷擴大，衍生出眾多相關(guān)項目和工具，形成了一個龐大的生態(tài)系統(tǒng)。
K8s的核心概念和設(shè)計理念
核心概念
- Pods：Pod是Kubernetes的基本運行單位，代表了在集群中運行的一個或多個容器的組合。
- Services：Service是對一組提供相同功能的Pods的抽象，它提供了一個穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)接口。
- Deployments：Deployment提供了對Pods和ReplicaSets（副本集）的聲明式更新能力。
設(shè)計理念
- 聲明式配置：Kubernetes使用聲明式配置（而非命令式），用戶定義期望狀態(tài)，系統(tǒng)負責實現(xiàn)這一狀態(tài)。
- 自我修復：系統(tǒng)能夠自動替換、重啟、復制和擴展集群中的節(jié)點。
- 可擴展性：Kubernetes設(shè)計了一套強大的APIs，允許在其上構(gòu)建更復雜的系統(tǒng)。
- 負載均衡和服務(wù)發(fā)現(xiàn)：Kubernetes能夠自動分配IP地址和DNS名，以及平衡網(wǎng)絡(luò)流量，以實現(xiàn)高效的服務(wù)發(fā)現(xiàn)和負載均衡。
- 多維度資源調(diào)度：它支持基于CPU、內(nèi)存等多種資源類型的調(diào)度決策。
Kubernetes的這些概念和設(shè)計理念共同構(gòu)成了其強大的容器編排和管理能力，使其成為當今云原生應(yīng)用和微服務(wù)架構(gòu)的首選平臺。
二、K8s架構(gòu)深入解析
架構(gòu)、應(yīng)用與優(yōu)化
Kubernetes的架構(gòu)設(shè)計旨在提供一個分布式、可擴展且高度可用的容器編排平臺。它由多個組件構(gòu)成，協(xié)同工作以管理集群的生命周期和操作。
主要組件和節(jié)點類型
1. 控制平面（Master節(jié)點）
控制平面是Kubernetes的大腦，負責整個集群的管理和協(xié)調(diào)。它包含幾個關(guān)鍵組件：
- API服務(wù)器（kube-apiserver）：作為集群的前端，處理REST請求，是所有通信的樞紐。
- 集群數(shù)據(jù)存儲（etcd）：一個輕量級、高可用的鍵值存儲，用于保存所有集群數(shù)據(jù)。
- 控制器管理器（kube-controller-manager）：運行控制器進程，這些控制器包括節(jié)點控制器、副本控制器等。
- 調(diào)度器（kube-scheduler）：負責決定將新創(chuàng)建的Pod分配給哪個節(jié)點。
2. 工作節(jié)點（Worker節(jié)點）
工作節(jié)點是運行應(yīng)用程序容器的物理服務(wù)器或虛擬機。它們包括：
- Kubelet：確保容器在Pod中運行，并向控制平面匯報節(jié)點的狀態(tài)。
- Kube-Proxy：負責節(jié)點上的網(wǎng)絡(luò)代理，實現(xiàn)服務(wù)發(fā)現(xiàn)和負載均衡。
- 容器運行時：負責運行容器，例如Docker或containerd。
控制平面和數(shù)據(jù)平面的工作原理
控制平面
控制平面維護著集群的全局狀態(tài)，如調(diào)度決策、響應(yīng)Pod生命周期事件、控制器的邏輯等。它確保集群始終處于用戶定義的期望狀態(tài)。
數(shù)據(jù)平面
數(shù)據(jù)平面包括所有工作節(jié)點，負責實際運行用戶的應(yīng)用程序。它通過Kubelet和Kube-Proxy來維護Pod的生命周期和網(wǎng)絡(luò)規(guī)則。
集群狀態(tài)管理和調(diào)度算法
集群狀態(tài)管理
Kubernetes通過etcd來維護集群狀態(tài)。所有組件都通過API服務(wù)器與etcd交互，獲取或更改集群的狀態(tài)信息。
調(diào)度算法
Kubernetes調(diào)度器采用多步驟的過程來選擇最佳節(jié)點：
- 過濾：基于資源需求、策略限制、親和性規(guī)則等過濾掉不適合的節(jié)點。
- 評分：對于剩余節(jié)點，基于資源使用率、網(wǎng)絡(luò)拓撲等因素計算評分。
- 選擇：選擇得分最高的節(jié)點來部署Pod。
此過程確保了有效的資源分配和負載平衡，同時滿足用戶對部署位置的具體要求。
Kubernetes架構(gòu)的每個組成部分都被精心設(shè)計以提高效率、可靠性和可擴展性，確保其能夠應(yīng)對各種規(guī)模和復雜度的應(yīng)用需求。
三、容器編排和管理
容器編排是Kubernetes的核心功能，它負責管理容器的生命周期、維護應(yīng)用的健康和確保服務(wù)的可用性。在這一部分，我們將深入探討Kubernetes在容器編排和管理方面的機制和組件。
Pod生命周期管理
1. Pod的創(chuàng)建
- 定義：Pod是Kubernetes中最小的部署單元，通常包含一個或多個容器。
- 配置：通過YAML或JSON文件定義Pod的規(guī)格，包括容器鏡像、端口、環(huán)境變量等。
2. Pod的狀態(tài)
- Pending：Pod已被Kubernetes接受，但有一個或多個容器尚未創(chuàng)建。
- Running：Pod已被綁定到一個節(jié)點，所有容器都已創(chuàng)建，至少有一個正在運行。
- Succeeded：Pod中的所有容器都正常運行并已退出，不會重啟。
- Failed：Pod中的所有容器都已終止，且至少有一個因故障終止。
- Unknown：Pod的狀態(tài)無法確定。
3. Pod的生命周期鉤子
- PostStart：在容器創(chuàng)建后立即執(zhí)行的操作。
- PreStop：在容器終止之前執(zhí)行的操作。
控制器模式
1. Deployment
- 用途：管理無狀態(tài)的應(yīng)用。
- 功能：確保指定數(shù)量的Pod副本始終運行，支持滾動更新和回滾。
2. StatefulSet
- 用途：管理有狀態(tài)的應(yīng)用。
- 功能：為每個副本維護一個持久的標識符和存儲。
3. DaemonSet
- 用途：在集群的每個節(jié)點上運行一份Pod副本。
- 功能：用于運行日志收集器、監(jiān)控代理等集群范圍的服務(wù)。
4. Job和CronJob
- 用途：執(zhí)行一次性或定時任務(wù)。
- 功能：Job用于執(zhí)行批處理任務(wù)，CronJob用于定時任務(wù)。
服務(wù)發(fā)現(xiàn)和負載均衡
1. Service
- 定義：一種抽象，定義了訪問一組Pod的方式。
-
類型：
- ClusterIP：在集群內(nèi)部提供一個內(nèi)部IP。
- NodePort：在每個節(jié)點的指定端口上提供訪問。
- LoadBalancer：使用外部負載均衡器提供訪問。
- ExternalName：通過DNS名映射到外部服務(wù)。
2. Ingress
- 定義：管理外部訪問集群服務(wù)的規(guī)則。
- 功能：提供URL路由、負載均衡、SSL終端和名稱基礎(chǔ)的虛擬主機。
容器編排和管理是Kubernetes的核心強項，它通過一系列精密設(shè)計的機制和組件，確保容器化應(yīng)用的高效、可靠運行。這些功能的深度和靈活性使Kubernetes成為當今企業(yè)級容器管理的首選平臺。
四、網(wǎng)絡(luò)和存儲
在Kubernetes中，網(wǎng)絡(luò)和存儲的管理對于保證容器化應(yīng)用的高效運行至關(guān)重要。這部分將深入探討Kubernetes在這兩個關(guān)鍵領(lǐng)域的實現(xiàn)機制。
網(wǎng)絡(luò)模型與策略
1. 網(wǎng)絡(luò)模型
Kubernetes采用的是扁平化網(wǎng)絡(luò)模型，要求每個Pod都有一個獨一無二的IP地址。這意味著在整個集群內(nèi)，每個Pod都應(yīng)該能夠直接訪問其他Pod，而無需NAT。
- Pod-to-Pod Communication：Pod之間可以直接通信，無需通過NAT。
- Pod-to-Service Communication：Service作為Pods的抽象，提供了一個穩(wěn)定的接口供Pods間通信。
2. 網(wǎng)絡(luò)策略
Kubernetes允許使用網(wǎng)絡(luò)策略來控制Pod間的流量。這些策略基于標簽和命名空間，允許定義復雜的規(guī)則集，以確定Pods間的通信權(quán)限。
- 入口和出口規(guī)則：定義哪些類型的流量可以進入或離開Pod。
- 基于標簽的隔離：通過標簽來標識Pods和服務(wù)，實現(xiàn)細粒度的網(wǎng)絡(luò)隔離。
持久化存儲和Volume管理
1. Volume
Kubernetes中的Volume是一個存儲在Pod中的目錄，可以是本地的目錄，也可以是遠程存儲或其他高級存儲設(shè)備。
- 生命周期：Volume的生命周期與Pod相同，它在Pod啟動時創(chuàng)建，在Pod退出時銷毀。
- 類型：支持多種類型的Volume，如emptyDir、hostPath、NFS、PersistentVolume等。
2. PersistentVolume (PV) 和 PersistentVolumeClaim (PVC)
- PersistentVolume (PV)：集群資源，代表一塊存儲空間。PV是獨立于Pod的，可以在Pod間共享。
- PersistentVolumeClaim (PVC)：用戶對存儲的請求。PVC消費PV資源，PVC與PV之間的關(guān)系類似于Pod與Node。
3. 存儲類 (StorageClass)
- 定義：描述不同類型存儲的方法。
- 功能：允許管理員為不同的存儲后端提供和配置類別，用戶可以基于這些類別創(chuàng)建PVC。
4. StatefulSet的存儲管理
StatefulSet是管理有狀態(tài)應(yīng)用的控制器，它可以確保每個Pod都能夠綁定到特定的PersistentVolume，這對于數(shù)據(jù)庫和其他需要持久化存儲的應(yīng)用至關(guān)重要。
Kubernetes在網(wǎng)絡(luò)和存儲方面提供了高度的靈活性和可擴展性，能夠適應(yīng)不同的應(yīng)用場景和需求。這些特性是Kubernetes支持復雜企業(yè)級應(yīng)用的關(guān)鍵因素之一。
五、安全和合規(guī)
在Kubernetes環(huán)境中，確保集群安全和遵守合規(guī)標準是至關(guān)重要的。這一部分詳細探討Kubernetes中的安全機制，包括認證、授權(quán)、訪問控制以及最佳安全實踐。
認證、授權(quán)與訪問控制
1. 認證 (Authentication)
- 機制：Kubernetes支持多種認證機制，如X.509證書、Bearer Tokens、OpenID Connect Tokens等。
- Kubeconfig：用于存儲API服務(wù)器的訪問憑證和連接信息。
- Service Accounts：專門為Pod中運行的應(yīng)用程序創(chuàng)建的賬戶，由Kubernetes自動管理。
2. 授權(quán) (Authorization)
- RBAC (Role-Based Access Control)：基于角色的訪問控制，通過角色和角色綁定來控制用戶對Kubernetes資源的訪問。
- ABAC (Attribute-Based Access Control)：基于屬性的訪問控制，定義復雜的訪問規(guī)則。
- Node Authorization：專門控制節(jié)點（kubelet）對API的訪問。
3. 準入控制 (Admission Control)
- 定義：用于攔截（在認證和授權(quán)之后）對API的請求。
- 常用控制器：包括PodSecurityPolicies、ResourceQuotas、NamespaceLifecycle等。
安全最佳實踐與策略
1. 集群安全
- API服務(wù)器安全配置：使用HTTPS、開啟RBAC、限制訪問來源等。
- 節(jié)點安全：保證kubelet的安全，限制對kubelet API的訪問。
- 網(wǎng)絡(luò)策略：使用網(wǎng)絡(luò)策略隔離Pod和服務(wù)，防止未授權(quán)的跨服務(wù)訪問。
2. Pod安全
- Pod安全策略：定義一組條件，Pod需要滿足這些條件才能運行。
- 安全上下文：為Pod和容器配置權(quán)限和訪問控制設(shè)置。
- 最小權(quán)限原則：只授予Pod運行所必需的權(quán)限。
3. 密鑰和敏感數(shù)據(jù)管理
- Secrets：用于存儲和管理敏感信息，如密碼、OAuth令牌和SSH密鑰。
- 加密-at-Rest：確保持久化存儲的數(shù)據(jù)被加密。
4. 審計日志
- 審計：跟蹤和記錄集群中的活動，對安全事件進行分析。
- 策略：定義審核日志策略，決定記錄哪些事件以及如何保留日志。
通過這些機制和最佳實踐，Kubernetes提供了強大的工具來保護集群和應(yīng)用程序免受未授權(quán)訪問和攻擊，同時確保了合規(guī)性和數(shù)據(jù)保密性。
六、高可用和災(zāi)難恢復
在Kubernetes集群管理中，實現(xiàn)高可用性和災(zāi)難恢復策略是至關(guān)重要的。這些機制確保在硬件故障、軟件錯誤、網(wǎng)絡(luò)問題等不可預測情況下，集群和應(yīng)用能夠持續(xù)運行或快速恢復。
集群的高可用配置
1. 控制平面的高可用
- 多節(jié)點控制平面：部署多個控制平面節(jié)點，以避免單點故障。
- 負載均衡器：在控制平面節(jié)點前設(shè)置負載均衡器，以分散請求。
- etcd集群：運行多個etcd實例，形成一個高可用的鍵值存儲集群。
2. 工作節(jié)點的高可用
- 自動擴展和自愈：使用集群自動擴展器和自動修復策略確保足夠的工作節(jié)點數(shù)量和健康狀態(tài)。
- 跨區(qū)域部署：在不同的地理位置或云區(qū)域部署節(jié)點，以抵御區(qū)域性故障。
備份與恢復策略
1. 數(shù)據(jù)備份
- etcd備份：定期備份etcd數(shù)據(jù)，這對于恢復集群狀態(tài)至關(guān)重要。
- 持久卷備份：對PersistentVolumes進行定期備份，以保證數(shù)據(jù)安全。
2. 集群資源備份
- Kubernetes資源備份：使用工具如Velero備份Kubernetes資源和配置，包括Deployments、Services等。
3. 災(zāi)難恢復
- 恢復計劃：制定詳細的災(zāi)難恢復計劃，包括如何快速恢復集群和應(yīng)用。
- 演練：定期進行災(zāi)難恢復演練，以驗證和改進恢復流程。
4. 容災(zāi)策略
- 多集群部署：部署多個Kubernetes集群，作為彼此的備份，以保證至少有一個集群始終可用。
- 數(shù)據(jù)復制：跨集群復制關(guān)鍵數(shù)據(jù)和配置，以確保在主集群不可用時能夠快速切換。
通過這些高可用和災(zāi)難恢復策略，Kubernetes能夠最大限度地減少系統(tǒng)停機時間，保證業(yè)務(wù)連續(xù)性和數(shù)據(jù)完整性。這些策略對于運行關(guān)鍵業(yè)務(wù)應(yīng)用的企業(yè)來說尤為重要。
七、監(jiān)控和日志
監(jiān)控和日志管理是Kubernetes集群管理中不可或缺的一部分，它們幫助管理員了解集群的健康狀況，診斷問題，并確保集群的高效運行。這部分將深入探討Kubernetes中的監(jiān)控和日志系統(tǒng)。
集群監(jiān)控工具和技巧
1. 資源和性能監(jiān)控
- Prometheus：一個開源的監(jiān)控和告警工具，廣泛用于Kubernetes的資源和性能監(jiān)控。
- Grafana：與Prometheus集成，提供了豐富的數(shù)據(jù)可視化選項。
- Heapster：（已廢棄）曾經(jīng)是Kubernetes的默認監(jiān)控工具，現(xiàn)已被Metrics Server所替代。
- Metrics Server：用于收集集群中節(jié)點和Pod的資源使用數(shù)據(jù)。
2. 監(jiān)控策略
- 基于閾值的告警：設(shè)置資源使用率等的閾值，當達到閾值時發(fā)送告警。
- 自定義監(jiān)控和告警規(guī)則：利用Prometheus的強大查詢語言和告警規(guī)則來定制監(jiān)控策略。
日志管理和分析
1. 日志收集
- Elasticsearch、Fluentd和Kibana（EFK堆棧）：一套流行的日志收集、存儲和分析解決方案。
- Loki：一個更輕量級的日志聚合系統(tǒng)，專為Kubernetes設(shè)計，與Grafana緊密集成。
2. 日志策略
- 集中式日志收集：將所有節(jié)點和Pod的日志匯總到一個中心位置，便于分析和存儲。
- 日志輪轉(zhuǎn)和保留：自動刪除舊日志，以管理存儲空間和滿足合規(guī)要求。
3. 日志分析
- 實時日志分析：提供實時的日志數(shù)據(jù)流，幫助快速定位問題。
- 日志查詢和可視化：使用Kibana或Grafana對日志數(shù)據(jù)進行查詢和可視化展示。
4. 審計日志
- Kubernetes審計：記錄對Kubernetes API的請求，包括誰、什么時候、什么操作以及操作是否成功等信息。
通過這些監(jiān)控和日志管理工具，Kubernetes管理員能夠有效地監(jiān)控集群狀態(tài)，識別和解決問題，從而保證集群的穩(wěn)定性和效率。這些系統(tǒng)對于維護大規(guī)模、復雜的Kubernetes集群至關(guān)重要。文章來源：http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-844163.html
關(guān)注【TechLeadCloud】，分享互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)、云服務(wù)技術(shù)的全維度知識。作者擁有10+年互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)架構(gòu)、AI產(chǎn)品研發(fā)經(jīng)驗、團隊管理經(jīng)驗，同濟本復旦碩，復旦機器人智能實驗室成員，阿里云認證的資深架構(gòu)師，項目管理專業(yè)人士，上億營收AI產(chǎn)品研發(fā)負責人
如有幫助，請多關(guān)注
TeahLead KrisChang，10+年的互聯(lián)網(wǎng)和人工智能從業(yè)經(jīng)驗，10年+技術(shù)和業(yè)務(wù)團隊管理經(jīng)驗，同濟軟件工程本科，復旦工程管理碩士，阿里云認證云服務(wù)資深架構(gòu)師，上億營收AI產(chǎn)品業(yè)務(wù)負責人。文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-844163.html
到了這里，關(guān)于K8s技術(shù)全景：架構(gòu)、應(yīng)用與優(yōu)化的文章就介紹完了。如果您還想了解更多內(nèi)容，請在右上角搜索TOY模板網(wǎng)以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章，希望大家以后多多支持TOY模板網(wǎng)！
