Kubernetes架构
Kubernetes核心架构：控制平面、节点组件、etcd、API Server 等详解。
1. Kubernetes 整体架构
1.1 架构图
┌──────────────────── 控制平面 ────────────────────┐
│ ┌──────────┐ ┌──────────┐ ┌──────────┐ │
│ │API Server │ │Scheduler │ │Controller│ │
│ │ │ │ │ │ Manager │ │
│ └────┬─────┘ └──────────┘ └──────────┘ │
│ │ │
│ ┌────┴─────┐ │
│ │ etcd │ │
│ └──────────┘ │
└──────────────────────────────────────────────────┘
│
┌───────┴───────┐
▼ ▼
┌─────────┐ ┌─────────┐
│ Node 1 │ │ Node 2 │
│ ┌─────┐ │ │ ┌─────┐ │
│ │kubelet│ │ │ │kubelet│ │
│ └─────┘ │ │ └─────┘ │
│ ┌─────┐ │ │ ┌─────┐ │
│ │Proxy │ │ │ │Proxy │ │
│ └─────┘ │ │ └─────┘ │
│ ┌─────┐ │ │ ┌─────┐ │
│ │ Pods │ │ │ │ Pods │ │
│ └─────┘ │ │ └─────┘ │
└─────────┘ └─────────┘1.2 设计理念
| 理念 | 描述 |
|---|---|
| 声明式 API | 描述期望状态，系统自动趋近 |
| 控制循环 | 持续观测并调和状态 |
| 松耦合 | 组件间通过 API 通信 |
| 可扩展 | CRD、Operator、插件 |
2. 控制平面组件
2.1 API Server
集群的统一入口，所有操作都通过 API Server 进行。
核心功能：
- RESTful API 网关
- 认证、授权、准入控制
- 数据验证与持久化
- Watch 机制（变更通知）
请求流程：
请求 → 认证 → 授权 → 准入控制 → 验证 → etcd 持久化 → 响应2.2 etcd
分布式键值存储，Kubernetes 的唯一状态存储。
| 特性 | 描述 |
|---|---|
| 一致性 | Raft 共识协议 |
| Watch | 监听键值变化 |
| 事务 | Compare-and-Set |
| TTL | 键值过期 |
运维要点：
- 奇数节点（3/5/7）
- SSD 存储
- 独立部署
- 定期备份
2.3 Scheduler
负责将 Pod 调度到合适的节点。
调度流程：
1. 过滤（Filter）：排除不满足条件的节点
2. 评分（Score）：对可行节点打分
3. 绑定（Bind）：将 Pod 绑定到最高分节点调度策略：
| 策略 | 描述 |
|---|---|
| 节点选择器 | nodeSelector |
| 节点亲和性 | nodeAffinity |
| Pod 亲和/反亲和 | podAffinity/podAntiAffinity |
| 污点与容忍 | taints/tolerations |
| 资源限制 | CPU/内存请求与限制 |
2.4 Controller Manager
运行各种控制器，每个控制器是一个控制循环。
| 控制器 | 功能 |
|---|---|
| Deployment Controller | 管理 ReplicaSet |
| ReplicaSet Controller | 维护 Pod 副本数 |
| Node Controller | 节点健康监测 |
| Job Controller | 一次性任务 |
| Endpoints Controller | Service 端点 |
| Service Account Controller | 服务账户 |
3. 节点组件
3.1 kubelet
节点上的代理，负责 Pod 的生命周期管理。
核心职责：
- Pod 创建与销毁
- 容器健康检查
- 资源使用上报
- Volume 挂载
3.2 kube-proxy
维护网络规则，实现 Service 的负载均衡。
代理模式：
| 模式 | 描述 | 性能 |
|---|---|---|
| iptables | iptables 规则 | 中 |
| IPVS | IPVS 负载均衡 | 高 |
| userspace | 用户空间代理 | 低（已弃用） |
3.3 容器运行时
| 运行时 | 特点 |
|---|---|
| containerd | 默认推荐 |
| CRI-O | 轻量级 |
| Docker | 已弃用（1.24+） |
4. API 对象与资源
4.1 核心资源
| 资源 | API 组 | 描述 |
|---|---|---|
| Pod | core | 最小调度单元 |
| Service | core | 服务发现与负载均衡 |
| ConfigMap | core | 配置管理 |
| Secret | core | 敏感数据 |
| Namespace | core | 资源隔离 |
| Deployment | apps | 无状态应用 |
| StatefulSet | apps | 有状态应用 |
| DaemonSet | apps | 每节点一个 Pod |
| Job | batch | 一次性任务 |
| CronJob | batch | 定时任务 |
| Ingress | networking | HTTP 路由 |
| PV/PVC | storage | 持久化存储 |
4.2 声明式管理
# 期望状态
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
name: nginx
spec:
replicas: 3
selector:
matchLabels:
app: nginx
template:
metadata:
labels:
app: nginx
spec:
containers:
- name: nginx
image: nginx:1.255. 高可用架构
5.1 控制平面 HA
┌─────────────────────────────────┐
│ 负载均衡器 (LB) │
└───────┬─────────┬───────────────┘
│ │
┌────▼───┐ ┌──▼────┐ ┌───────┐
│Master 1│ │Master2│ │Master3│
│(leader)│ │(follower)│ │(follower)│
└────────┘ └───────┘ └───────┘5.2 etcd HA
- 3 节点容忍 1 节点故障
- 5 节点容忍 2 节点故障
- 使用 Raft 协议选举 Leader