Kubernetes (K8s) 底层原理

Kubernetes (K8s) 的底层原理涉及多个关键组件和概念，确保容器化应用程序的自动化部署、扩展和管理。以下是 Kubernetes 的底层原理及其关键组件的详细描述。

核心组件

1. Etcd

   • 功能：分布式键值存储，用于存储集群的所有数据，包括配置、状态等。
   • 作用：提供可靠的数据存储，确保所有组件能够一致地访问集群状态。

2. Kube-API Server

   • 功能：Kubernetes 控制平面的核心组件，负责处理 RESTful API 请求。
   • 作用：管理和协调所有其他组件的操作，包括 Pod、Service、Namespace 等资源的管理。

3. Kube-Scheduler

   • 功能：负责根据调度策略将新创建的 Pod 分配到合适的 Node 上。
   • 作用：确保资源的合理分配，满足负载均衡和资源利用率优化。

4. Kube-Controller Manager

   • 功能：运行集群的控制循环，监控集群状态并确保期望状态与实际状态一致。
   • 作用：包括节点控制器、复制控制器、端点控制器和服务帐户控制器等。

5. Kubelet

   • 功能：运行在每个 Node 上，负责管理该节点上的容器。
   • 作用：监控 Pod 的状态，确保容器按照 Pod 规范运行。

6. Kube-Proxy

   • 功能：负责为 Kubernetes 服务提供网络代理功能。
   • 作用：管理网络规则，处理 Pod 间的网络通信和负载均衡。

7. Container Runtime

   • 功能：在容器中运行应用程序。
   • 作用：支持 Docker、containerd、CRI-O 等容器运行时。

工作流程

1. API 请求：用户通过 kubectl 或 API 调用与 Kube-API Server 交互，提交资源配置请求（例如创建 Pod）。
2. 持久化存储：Kube-API Server 将请求数据存储在 Etcd 中。
3. 调度：Kube-Scheduler 从 Etcd 中读取新创建的 Pod 资源，根据调度策略将其分配到适当的 Node 上。
4. Pod 创建：Kubelet 接收到调度任务后，通过 Container Runtime 创建并启动容器。
5. 状态监控：Kube-Controller Manager 不断监控资源状态，确保实际状态与期望状态一致。
6. 网络代理：Kube-Proxy 管理网络通信，确保 Pod 间和外部访问的网络连接正常。

架构图示

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|        Kube-API Server        |
|                               |
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|  |         Etcd            |  |
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|                               |
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                |
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|       Kube-Scheduler          |
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                |
+---------------v---------------+
|   Kube-Controller Manager     |
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                |
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|        Nodes (Workers)        |
|                               |
|  +-------------------------+  |
|  |         Kubelet         |  |
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|                               |
|  +-------------------------+  |
|  |       Kube-Proxy        |  |
|  +-------------------------+  |
|                               |
|  +-------------------------+  |
|  |    Container Runtime    |  |
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核心概念

1. Desired State & Actual State：Kubernetes 使用声明式 API，用户定义所需的集群状态（Desired State），Kubernetes 控制平面通过不断对比实际状态（Actual State）和期望状态，确保二者一致。
2. Controller Loop：控制器不断监控集群状态，自动纠正偏差，确保资源按照定义配置和运行。
3. Label & Selector：通过标签（Label）和选择器（Selector）实现资源的灵活管理和筛选。
4. Namespace：用于资源隔离和分组管理，实现多租户支持。
5. Service Discovery：通过 Service 和 DNS 机制，实现 Pod 之间和外部系统的自动发现和通信。

总结

Kubernetes 通过其分布式架构和自动化控制机制，提供了高度可扩展和可靠的容器编排能力。其底层原理涵盖了从资源调度、状态管理到网络通信的各个方面，确保容器化应用程序的高效运行和管理。