Docker与Kubernetes完全掌握第6篇：Kubernetes基础 - 概念与架构

Docker & Kubernetes Complete Guide Part 6: Kubernetes Basics - Concepts and Architecture

2026-01-22 IT/技术

前言：容器编排的标准

到目前为止，我们已经学习了如何通过Docker创建和管理容器。但在实际生产环境中，需要在多台服务器上运行数十甚至数百个容器。此时手动管理每个容器实际上是不可能的。

在本第6篇中，我们将了解已成为容器编排事实标准的Kubernetes（简称K8s）的基础概念和架构。理解什么是Kubernetes、为什么需要它以及它是如何构成的，将帮助您在云原生环境中对应用程序运营有一个全面的认识。

1. 什么是Kubernetes？

1.1 Kubernetes的定义

Kubernetes是一个用于自动化部署、扩展和管理容器化应用程序的开源平台。它在希腊语中意为"舵手"或"飞行员"，扮演着适当运输和管理容器这一"货物"的角色。

"K8s"这个缩写来源于K和s之间有8个字母（ubernete）。

1.2 Kubernetes的历史

2014年：Google基于其内部使用的Borg系统的经验，将Kubernetes开源发布
2015年：发布1.0版本，捐赠给云原生计算基金会（CNCF）
2018年：成为CNCF的第一个"毕业"项目
现在：已成为容器编排的事实标准

1.3 Kubernetes提供的功能

服务发现和负载均衡：通过DNS名称或IP地址暴露容器，并分发流量
存储编排：自动挂载本地存储、云存储等
自动化滚动更新和回滚：逐步部署应用程序更改，出现问题时回滚到先前版本
自动装箱（Bin Packing）：根据资源需求将容器最优放置在节点上
自我修复（Self-healing）：重启失败的容器，替换无响应的容器
密钥和配置管理：安全存储和管理敏感信息

2. 为什么需要Kubernetes？

2.1 仅使用Docker不足的原因

在单个服务器上运行几个容器时，仅使用Docker就足够了。但在实际生产环境中，有以下需求：

在多台服务器上分布部署数百个容器
流量增加时自动扩展容器数量
容器故障时自动恢复
无停机部署（滚动更新、蓝绿部署、金丝雀部署）
容器间网络和存储管理
资源监控和日志记录

2.2 容器编排的必要性

容器编排是指自动化容器的部署、管理、扩展和网络连接。就像交响乐团的指挥协调各种乐器一样，容器编排器协调众多容器。

手动管理的问题	编排的解决方案
服务器故障时需要手动恢复	自动故障检测和恢复
流量增加时需要手动扩展	自动扩缩容（HPA、VPA）
部署时发生停机	无停机滚动更新
容器放置优化困难	自动调度和装箱
服务间通信复杂	服务发现和负载均衡

2.3 Kubernetes vs 其他编排工具

Docker Swarm：Docker原生编排，简单但功能有限
Apache Mesos：通用集群管理工具，学习曲线陡峭
Nomad：HashiCorp的编排工具，轻量级
Kubernetes：功能最多，生态系统最大，事实标准

3. Kubernetes架构

Kubernetes集群主要由Control Plane（控制平面）和Worker Node（工作节点）组成。

3.1 Control Plane（主节点）

Control Plane充当集群的"大脑"。它管理集群的状态，并调度在工作节点上运行的工作负载。

3.1.1 API Server（kube-apiserver）

Kubernetes所有通信的中心。kubectl命令、其他组件和外部客户端都通过API Server与集群交互。

提供RESTful API
处理认证（Authentication）、授权（Authorization）
请求验证
与etcd的唯一通信渠道

3.1.2 etcd

存储集群所有状态数据的分布式键值存储。

存储集群配置、状态、元数据
通常配置为3个或5个实例以实现高可用性
使用Raft共识算法
集群备份 = etcd备份

3.1.3 Scheduler（kube-scheduler）

决定新创建的Pod应该放置在哪个节点上。

考虑资源需求（CPU、内存）
检查节点的可用资源
应用亲和性/反亲和性规则
处理污点（Taint）和容忍（Toleration）

3.1.4 Controller Manager（kube-controller-manager）

运行各种控制器以将集群状态维持在期望状态。

Node Controller：监控节点状态
Replication Controller：维护Pod数量
Endpoints Controller：连接Service和Pod
Service Account Controller：创建账户和令牌

3.1.5 Cloud Controller Manager（可选）

与云提供商的API集成，管理云特定功能。

负载均衡器配置
存储卷管理
节点管理（云实例）

3.2 Worker Node

Worker Node是实际运行应用程序容器的服务器。

3.2.1 kubelet

在每个节点上运行的代理，管理Pod的生命周期。

从API Server接收Pod规范（PodSpec）
向容器运行时请求创建/删除容器
监控容器状态并报告
向API Server报告节点状态信息

3.2.2 kube-proxy

在每个节点上执行网络代理角色。

将Service的虚拟IP映射到实际Pod IP
管理iptables或IPVS规则
路由集群内部和外部流量
负载均衡（轮询）

3.2.3 Container Runtime

实际运行容器的软件。

containerd：从Docker分离出来的行业标准运行时
CRI-O：Kubernetes专用轻量级运行时
Docker Engine：从Kubernetes 1.24开始停止直接支持（移除dockershim）

3.3 架构图

┌─────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│                       CONTROL PLANE                             │
│  ┌─────────────┐  ┌─────────────┐  ┌─────────────┐             │
│  │ API Server  │  │  Scheduler  │  │ Controller  │             │
│  │             │  │             │  │  Manager    │             │
│  └──────┬──────┘  └─────────────┘  └─────────────┘             │
│         │                                                       │
│  ┌──────┴──────┐                                               │
│  │    etcd     │                                               │
│  │ (Key-Value) │                                               │
│  └─────────────┘                                               │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────┘
                              │
                              │ (API 通信)
                              │
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│                       WORKER NODE 1                             │
│  ┌─────────────┐  ┌─────────────┐  ┌─────────────┐             │
│  │   kubelet   │  │  kube-proxy │  │  Container  │             │
│  │             │  │             │  │   Runtime   │             │
│  └─────────────┘  └─────────────┘  └─────────────┘             │
│  ┌─────────┐ ┌─────────┐ ┌─────────┐                           │
│  │  Pod 1  │ │  Pod 2  │ │  Pod 3  │                           │
│  └─────────┘ └─────────┘ └─────────┘                           │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────┘

4. Kubernetes核心对象

4.1 Pod

Pod是Kubernetes中可以创建和管理的最小部署单元。

Pod的特点：

包含一个或多个容器
同一Pod中的容器共享网络和存储
同一Pod中的容器通过localhost通信
通常是一个主容器 + 辅助容器（Sidecar）
Pod是临时的（ephemeral）- 可能随时被删除和重新创建

# pod-example.yaml
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: nginx-pod
  labels:
    app: nginx
spec:
  containers:
  - name: nginx
    image: nginx:1.24
    ports:
    - containerPort: 80
    resources:
      requests:
        memory: "64Mi"
        cpu: "250m"
      limits:
        memory: "128Mi"
        cpu: "500m"

4.2 Service

Service为Pod集合提供稳定的网络端点。Pod的IP可能会改变，但Service的IP（ClusterIP）是固定的。

Service类型：

ClusterIP（默认）：只能在集群内部访问
NodePort：通过每个节点的特定端口允许外部访问
LoadBalancer：通过云负载均衡器进行外部访问
ExternalName：将外部DNS名称映射到集群内部

# service-example.yaml
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: nginx-service
spec:
  selector:
    app: nginx    # 将流量转发到具有此标签的Pod
  ports:
  - protocol: TCP
    port: 80        # Service端口
    targetPort: 80  # Pod的容器端口
  type: ClusterIP

4.3 Deployment

Deployment提供Pod的声明式更新。定义期望的状态后，Deployment Controller会使实际状态达到期望状态。

Deployment的功能：

管理Pod数量（replicas）
滚动更新和回滚
扩缩容（手动/自动）
Pod模板管理

# deployment-example.yaml
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: nginx-deployment
  labels:
    app: nginx
spec:
  replicas: 3    # 维护3个Pod
  selector:
    matchLabels:
      app: nginx
  template:      # Pod模板
    metadata:
      labels:
        app: nginx
    spec:
      containers:
      - name: nginx
        image: nginx:1.24
        ports:
        - containerPort: 80
        resources:
          requests:
            memory: "64Mi"
            cpu: "250m"
          limits:
            memory: "128Mi"
            cpu: "500m"
  strategy:
    type: RollingUpdate
    rollingUpdate:
      maxSurge: 1        # 滚动更新时可额外创建的Pod数
      maxUnavailable: 0  # 滚动更新时不可用的Pod数

4.4 Namespace

Namespace是逻辑上分离集群的虚拟集群。

默认Namespace：

default：未指定时创建资源的默认命名空间
kube-system：用于Kubernetes系统组件
kube-public：所有用户都可以读取的公共资源
kube-node-lease：存储节点心跳信息

# namespace-example.yaml
apiVersion: v1
kind: Namespace
metadata:
  name: development
  labels:
    environment: dev
---
apiVersion: v1
kind: Namespace
metadata:
  name: production
  labels:
    environment: prod

Namespace的用途：

环境隔离（dev、staging、production）
按团队隔离资源
应用资源配额（ResourceQuota）
应用网络策略（NetworkPolicy）

5. kubectl基础

kubectl是与Kubernetes集群交互的命令行工具。

5.1 kubectl安装

# macOS (Homebrew)
brew install kubectl

# Windows (Chocolatey)
choco install kubernetes-cli

# Linux (curl)
curl -LO "https://dl.k8s.io/release/$(curl -L -s https://dl.k8s.io/release/stable.txt)/bin/linux/amd64/kubectl"
chmod +x kubectl
sudo mv kubectl /usr/local/bin/

5.2 基本命令结构

kubectl [command] [TYPE] [NAME] [flags]

# 示例
kubectl get pods                    # 查看所有Pod
kubectl get pod nginx-pod           # 查看特定Pod
kubectl get pods -n kube-system     # 查看kube-system命名空间的Pod
kubectl get pods -o wide            # 包含详细信息的查看
kubectl get pods -o yaml            # 以YAML格式输出

5.3 常用命令

资源查询（get）

# 查看Pod列表
kubectl get pods
kubectl get pods -A                 # 所有命名空间

# 查看Service列表
kubectl get services
kubectl get svc                     # 使用缩写

# 查看Deployment列表
kubectl get deployments
kubectl get deploy                  # 使用缩写

# 同时查看多种资源
kubectl get pods,services,deployments

# 按标签过滤
kubectl get pods -l app=nginx

# 查看所有资源
kubectl get all

资源详细信息（describe）

# Pod详细信息
kubectl describe pod nginx-pod

# Node详细信息
kubectl describe node node-1

# Service详细信息
kubectl describe service nginx-service

创建资源（create、apply）

# 使用YAML文件创建资源
kubectl apply -f deployment.yaml

# 应用目录中的所有YAML文件
kubectl apply -f ./manifests/

# 命令式创建资源
kubectl create deployment nginx --image=nginx:1.24
kubectl create namespace my-namespace

# Dry-run（不实际创建进行测试）
kubectl apply -f deployment.yaml --dry-run=client

修改资源（edit、patch、scale）

# 直接编辑资源（打开编辑器）
kubectl edit deployment nginx-deployment

# 使用patch进行部分修改
kubectl patch deployment nginx-deployment -p '{"spec":{"replicas":5}}'

# 调整规模
kubectl scale deployment nginx-deployment --replicas=5

删除资源（delete）

# 删除特定资源
kubectl delete pod nginx-pod
kubectl delete deployment nginx-deployment

# 删除YAML文件中定义的资源
kubectl delete -f deployment.yaml

# 按标签删除
kubectl delete pods -l app=nginx

# 删除命名空间及其中的所有资源
kubectl delete namespace development

日志和调试

# 查看Pod日志
kubectl logs nginx-pod
kubectl logs nginx-pod -f           # 实时日志流
kubectl logs nginx-pod --previous   # 上一个容器的日志

# 多容器Pod中查看特定容器日志
kubectl logs nginx-pod -c sidecar

# 在Pod内部执行命令
kubectl exec nginx-pod -- ls /usr/share/nginx/html
kubectl exec -it nginx-pod -- /bin/bash  # 交互式shell

# 端口转发（在本地访问Pod）
kubectl port-forward pod/nginx-pod 8080:80
kubectl port-forward service/nginx-service 8080:80

5.4 上下文和命名空间管理

# 查看当前上下文
kubectl config current-context

# 查看可用上下文列表
kubectl config get-contexts

# 切换上下文
kubectl config use-context my-cluster

# 更改默认命名空间
kubectl config set-context --current --namespace=development

5.5 有用的kubectl插件和工具

# kubectx - 快速切换上下文
brew install kubectx
kubectx                  # 上下文列表和切换
kubens                   # 命名空间列表和切换

# k9s - 终端UI
brew install k9s
k9s

# kubectl自动补全（bash）
source <(kubectl completion bash)
echo "source <(kubectl completion bash)" >> ~/.bashrc

# kubectl别名设置
alias k='kubectl'
alias kgp='kubectl get pods'
alias kgs='kubectl get services'

6. 实践：部署第一个应用程序

6.1 本地Kubernetes环境设置

# 在Docker Desktop中启用Kubernetes
# Settings > Kubernetes > Enable Kubernetes

# 或使用Minikube
brew install minikube
minikube start

# 检查集群状态
kubectl cluster-info
kubectl get nodes

6.2 部署Nginx

# 1. 创建Deployment
kubectl create deployment nginx-demo --image=nginx:1.24

# 2. 确认Deployment
kubectl get deployments
kubectl get pods

# 3. 创建Service（NodePort类型）
kubectl expose deployment nginx-demo --type=NodePort --port=80

# 4. 确认Service
kubectl get services

# 5. 访问测试（Minikube）
minikube service nginx-demo

# 6. 或使用端口转发
kubectl port-forward service/nginx-demo 8080:80
# 在浏览器中访问 http://localhost:8080

6.3 扩缩容测试

# 扩展Pod数量
kubectl scale deployment nginx-demo --replicas=5

# 确认Pod
kubectl get pods -o wide

# 缩减Pod数量
kubectl scale deployment nginx-demo --replicas=2

6.4 滚动更新

# 更新镜像
kubectl set image deployment/nginx-demo nginx=nginx:1.25

# 检查滚动更新状态
kubectl rollout status deployment/nginx-demo

# 滚动更新历史
kubectl rollout history deployment/nginx-demo

# 回滚
kubectl rollout undo deployment/nginx-demo

6.5 清理

# 删除资源
kubectl delete deployment nginx-demo
kubectl delete service nginx-demo

# 或一次性删除
kubectl delete deployment,service nginx-demo

7. Kubernetes学习资源

7.1 官方文档

Kubernetes官方文档：https://kubernetes.io/docs/
Kubernetes教程：https://kubernetes.io/docs/tutorials/
kubectl速查表：https://kubernetes.io/docs/reference/kubectl/cheatsheet/

7.2 本地学习环境

Minikube：本地Kubernetes集群
Kind（Kubernetes in Docker）：使用Docker容器运行集群
Docker Desktop：内置Kubernetes支持
k3s：轻量级Kubernetes发行版

7.3 在线实践环境

Katacoda：基于浏览器的Kubernetes实践
Play with Kubernetes：免费在线Kubernetes环境

结论

在本第6篇中，我们了解了Kubernetes的基础概念和架构。核心内容总结如下：

Kubernetes是什么：容器编排的事实标准平台
架构：由Control Plane（API Server、etcd、Scheduler、Controller Manager）和Worker Node（kubelet、kube-proxy、Container Runtime）组成
核心对象：Pod（最小部署单元）、Service（网络端点）、Deployment（声明式Pod管理）、Namespace（逻辑隔离）
kubectl：与Kubernetes集群交互的CLI工具

Kubernetes乍看起来可能很复杂，但一旦理解其设计理念——"声明式配置"和"期望状态（Desired State）"，就会发现它是一个非常强大和灵活的工具。

下一篇我们将介绍Kubernetes实战。我们将探讨ConfigMap和Secret的配置管理、通过Ingress的外部流量路由、通过PersistentVolume的数据持久化等实际运营所需的高级主题。

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