什么是 Kubernetes 以及它是如何工作的？
Kubernetes 是容器编排领域的领先解决方案之一，提供强大的自动化能力，简化大规模应用程序管理。
Kubernetes 是容器编排领域的领先解决方案之一，提供强大的自动化能力，简化大规模应用程序管理。这份综合指南解释了什么是 Kubernetes，它如何工作，以及为什么它对现代应用部署变得至关重要。
理解 Kubernetes：现代容器编排的基础
Kubernetes (常简称为 K8s) 是一个开源平台，专为自动化容器化应用程序的部署、扩展和管理而设计。Kubernetes 最初由 Google 在2014年推出，现由云原生计算基金会 (CNCF) 维护，已迅速成为容器编排领域的行业标准。
Kubernetes 的核心是提供一个高效运行分布式系统的框架。它负责处理应用程序的扩展和故障转移，提供部署模式，并具备自我修复能力，当容器失败时，能够自动替换和重新调度它们。
Kubernetes 的三项核心设计原则
Kubernetes 构建于三项指导其实现的基本设计原则：
- 安全性：Kubernetes 部署遵循最新的安全最佳实践，保护您的应用程序和数据。
- 用户友好性：尽管 Kubernetes 本身复杂，但它被设计为可通过相对简单的命令操作，这使得不同专业水平的团队都能够轻松上手使用。
- 可扩展性：Kubernetes 不偏好任何特定供应商，可以通过配置文件自定义，实现跨环境的灵活部署。
Kubernetes 的关键概念和组件
要理解 Kubernetes 的工作原理，首先需要熟悉以下基本概念：
容器和 Pod
容器将应用程序代码及其所有依赖项打包在一起，使应用程序能够在不同环境中轻松移植。容器提供了隔离性，而 Kubernetes 则将这些容器组织成 "Pod"——这是最小的可部署单元，可以包含一个或多个共享资源的紧密关联的容器。
Kubernetes 集群架构
Kubernetes 集群由两个主要组件组成：
- 控制平面：运行操作的核心，负责维护集群的期望状态，包括：
- API 服务器 (kube-apiserver)：所有集群交互的前端界面，负责处理内部和外部的请求
- 调度器 (kube-scheduler)：根据资源需求和集群健康状况，将工作负载分配到合适的节点上
- 控制器管理器 (kube-controller-manager)：监控集群状态并作出调整，以达到期望的状态
- etcd：一个键值存储数据库，保存集群配置和状态信息，是集群信息的最终权威来源
- 节点：运行容器化应用的工作机器 (可以是物理机或虚拟机)：
- Kubelet：确保 pod 中的容器按预期运行
- Kube-proxy：维护网络规则并促进 Kubernetes 网络服务
- 运行环境：负责运行容器的软件 (Docker、CRI-O、rkt 等)
Kubernetes 工作流程
使用 Kubernetes 时，管理员通过 YAML 或 JSON 配置文件定义应用程序和资源的期望状态。这些配置会提交到 API 服务器，并存储在 etcd 中。控制平面组件会持续工作，通过以下方式确保实际状态与期望状态保持一致：
- 将 pod 调度到合适的节点
- 监控 pod 和节点的健康状态
- 自动替换故障组件
- 根据需求上下扩展资源
Kubernetes 对您组织的好处
Kubernetes 提供了众多优势，这也解释了其广泛采用的原因：
可扩展性和高可用性
Kubernetes 能够根据需求自动扩展应用，将容器分布在多个节点上以实现最佳资源利用。这种弹性使系统能够高效应对流量突增，同时保持稳定性能。
跨环境的可移植性
Kubernetes 最大的优势之一是它能够在各种基础设施上一致运行：
- 本地数据中心
- 公共云环境 (AWS、Google Cloud、Azure)
- 私有云
- 混合云配置 这种灵活性让您避免受限于特定供应商，并支持多云战略部署。
声明式配置和自动化
Kubernetes 采用声明式模型，您只需指定应用程序的期望状态，而不必手动配置每个步骤。平台会自动协调当前状态与期望状态之间的差异，从而减少人为错误和运维负担。
自我修复能力
Kubernetes 不断监控应用程序和基础设施的健康状况。当容器出现故障时，Kubernetes 会自动进行替换。如果某个节点出现故障，工作负载会被重新调度到健康的节点上，将停机时间降到最低。
增强的安全性
Kubernetes 提供了强大的安全特性：
- 基于角色的访问控制 (RBAC)，用于分配特定权限
- 网络策略，用于流量隔离
- 密钥管理，用于保护加密密钥等敏感数据
- Pod 安全策略，用于治理
DevOps 和 DevSecOps 赋能
通过提供一致的基础设施基础，Kubernetes 架起了开发团队和运维团队之间的桥梁。它支持 CI/CD 管道，并通过在开发生命周期早期引入安全控制和漏洞管理，促进了 DevSecOps 实践的实施。
复杂环境管理
微服务容器化大大增加了环境中容器的数量，增加了复杂性。Kubernetes 通过将容器组织到 Pod (容器组) 中，并为这些容器提供网络和存储等必要服务，帮助管理这种复杂性。
支持传统和云原生应用
Kubernetes 能够帮助您部署和管理容器化的传统应用，以及云原生应用和那些正在向微服务架构转型的应用，为您的整个应用程序组合提供了统一的平台。
Kubernetes 在实践中：理解集群
Kubernetes 的工作部署被称为集群，它由一组运行容器的主机构成。管理员定义集群的期望状态，指定应该运行哪些应用程序，使用什么容器镜像，以及需要什么资源。
在 Kubernetes 节点内，pod 表示应用程序的单个实例。Kubernetes 服务协同工作，确定哪个节点最适合执行特定任务，分配资源，并指派 pod 来完成请求的工作。无论 pod 在集群中移动到何处或被替换，系统都能自动将请求路由到正确的 pod。
高级 Kubernetes 概念
Kubernetes Operators
Operators 扩展了 Kubernetes 的功能，它通过封装特定应用程序的运维知识实现这一点。它们不仅基于基础的 Kubernetes 资源和控制器构建，还包含特定领域知识，用于自动化其管理的软件的整个生命周期。
示例包括：
- Prometheus Operator 用于监控
- Elastic Kubernetes Operator 用于自动化搜索
- 数据库 operators 用于管理复杂的有状态应用程序
Operators 可以被构建来执行几乎任何 Kubernetes 操作，从扩展复杂应用到执行应用版本升级，甚至管理专用硬件。
使用 Knative 的无服务器 Kubernetes
Knative 为 Kubernetes 带来了无服务器功能，允许开发者无需管理服务器即可构建和运行应用。使用 Knative：
- 开发者可以将代码打包到容器中进行部署
- 应用能够根据需求自动扩缩容，包括缩减至零
- 只有在代码实际运行时才会消耗资源
- 事件驱动模型实现了成本高效的运营
这种无服务器方法对于具有可变流量模式的事件驱动工作负载特别有益。
Kubernetes 与其他解决方案对比
Kubernetes 和 Red Hat OpenShift
虽然 Kubernetes 提供了基础容器编排引擎，但 Red Hat OpenShift 在此基础上构建，打造了一个完整的应用平台。OpenShift 不仅集成了 Kubernetes，还包含了面向开发者的额外工具、安全特性和企业支持。
作为 CNCF 认证的 Kubernetes 解决方案，Red Hat OpenShift 提供以下几种形式：
- 作为主要云服务提供商 (AWS、Azure、Google Cloud、IBM) 上的公共云服务
- 可在裸机和虚拟基础设施上部署的自管理软件
- 横跨数据中心、公共云和边缘环境的混合解决方案
Kubernetes 和 OKD
OKD (Origin Kubernetes Distribution) 是 Red Hat OpenShift 的社区版上游项目。它包含许多相同的组件，但不具备 Red Hat 订阅所提供的企业验证、测试和支持。
OKD 支持多种编程语言，包括 Go、Node.js、Ruby、Python、PHP、Perl 和 Java，这使得它适合多元化的开发团队使用。
Kubernetes 入门
实施 Kubernetes 需要精心规划：
- 评估应用程序组合，识别适合容器化的候选应用
- 从小规模开始，先尝试非核心应用
- 明确工作负载的资源需求
- 选择适合的部署模型 (自管理、托管服务或混合模型)
- 从一开始就落实安全最佳实践
- 对团队进行 Kubernetes 相关概念和操作的培训
在 Kubernetes 中管理持久存储
除了管理容器，Kubernetes 还能处理附加到集群的应用数据。Kubernetes 让用户可以请求存储资源，而不需要理解底层的存储基础架构。持久卷是属于集群而非 pod 的资源，这使得它们能够存活得比个别 pod 更长久。
容器镜像仓库集成
Kubernetes 所依赖的容器镜像都存储在容器镜像仓库中。这可以是你自己配置的镜像仓库，也可以是第三方的镜像仓库服务。镜像仓库作为一个仓库，存放着你的应用程序需要的所有容器镜像。
结论
Kubernetes 通过提供强大且灵活的容器编排平台，彻底革新了应用部署方式。它能够自动化复杂的运维任务，同时提供跨环境的可移植性，这对于拥抱云原生开发实践的组织而言具有不可估量的价值。
无论您是在公共云、本地环境还是混合环境中运行应用程序，Kubernetes 都能提供一个一致的基础，实现更快速的创新、更高的可靠性和更高效的资源利用。通过有效理解和实施 Kubernetes，组织可以加速数字化转型进程，在快速变化的市场中保持竞争优势。
对于大多数实际应用场景，将 Kubernetes 与监控、网络、存储和 CI/CD 等额外工具结合使用，能够提供最全面的解决方案。如果您希望体验所有这些强大功能而不必应对其复杂性，可以尝试使用 Sealos。
