當你部署完 Kubernetes，便擁有了一個完整的集群。

Kubernetes，作為目前最流行和廣泛采用的容器編排和管理平臺，背后有一系列強大的組件，共同協(xié)作以實現(xiàn)容器化應用的自動化部署、彈性擴展、服務發(fā)現(xiàn)和負載均衡等關鍵功能。本文將介紹 Kubernetes 集群中的主要組件，揭示它們的作用和相互關系，為您提供關于 Kubernetes 內部工作原理的深入理解。

安裝前有幾個概念要了解下

• Node（節(jié)點）： 在 Kubernetes 中，節(jié)點是集群中的工作機器。每個節(jié)點上都運行著容器，由 Kubernetes 管理。
• API Server（API 服務器）： API 服務器是 Kubernetes 集群控制平面的前端，處理來自用戶和其它組件的 API 請求，驗證請求并將配置數(shù)據(jù)持久化。
• kubelet： kubelet 是運行在每個節(jié)點上的代理，它負責與 Master 節(jié)點通信，確保節(jié)點上運行的容器處于預期狀態(tài)。
• kube-proxy： kube-proxy 負責維護節(jié)點上的網(wǎng)絡規(guī)則，以及為服務提供負載均衡和代理功能，以確保服務之間的網(wǎng)絡通信。
• etcd： etcd 是一個分布式鍵值存儲系統(tǒng)，用于保存集群的配置數(shù)據(jù)、狀態(tài)和元數(shù)據(jù)。它是 Kubernetes 控制平面中的重要組件之一。
• Scheduler（調度器）： 調度器負責將新創(chuàng)建的 Pod 分配到合適的節(jié)點上，考慮節(jié)點資源和約束等因素來進行調度決策。
• Controller Manager（控制器管理器）： 控制器管理器包含多個控制器，用于監(jiān)控集群狀態(tài)的變化，并根據(jù)所需的狀態(tài)進行調整。例如，Replication Controller 控制器負責維護副本數(shù)。

1、kube-apiserver

kube-apiserver 是 Kubernetes 控制平面的前端，扮演著用戶和其它組件與集群交互的入口。它處理來自客戶端、命令行工具和控制器的 API 請求，執(zhí)行驗證、授權和數(shù)據(jù)持久化，將集群的配置狀態(tài)存儲在 etcd 中。

kube-apiserver 的功能和穩(wěn)定性對于整個集群的可靠性至關重要。

功能和作用：

• API 前端：kube-apiserver 為 Kubernetes 集群提供了一個統(tǒng)一的 API 入口，允許用戶、命令行工具和各種組件通過 RESTful API 與集群進行交互。這包括創(chuàng)建、更新和刪除資源對象，如 Pod、Service、Deployment 等。
• 認證和授權：kube-apiserver 負責驗證請求的身份，確保只有經(jīng)過身份驗證的用戶和組件才能訪問 API。此外，它也負責授權，根據(jù)用戶的權限來決定是否允許請求對資源的操作。
• 數(shù)據(jù)持久化： 集群的配置數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息存儲在 etcd 中，而 kube-apiserver 負責與 etcd 進行通信，將配置數(shù)據(jù)持久化到 etcd 中，以及從 etcd 中讀取數(shù)據(jù)。
• 資源管理：kube-apiserver 負責監(jiān)控資源的狀態(tài)和變化，并在資源狀態(tài)發(fā)生變化時，通知控制器和其他組件進行相應的操作。這有助于保持集群中各個資源的一致性和期望狀態(tài)。
• 擴展性和自定義：kube-apiserver 支持多版本 API，允許用戶自定義資源類型和自定義控制器，以滿足特定的業(yè)務需求。

2、etcd

etcd 是 Kubernetes 的分布式鍵值存儲系統(tǒng)，被用于保存集群的配置數(shù)據(jù)、狀態(tài)和元數(shù)據(jù)。作為 Kubernetes 控制平面的持久化存儲，etcd 的可靠性和一致性對整個集群的穩(wěn)定運行至關重要。

etcd 的主要特點包括：

• 一致性： etcd 確保數(shù)據(jù)存儲的強一致性。它使用 Raft 共識算法，使集群中的多個節(jié)點能夠就數(shù)據(jù)的狀態(tài)達成一致。
• 分布式： etcd 被設計用于在多個節(jié)點構成的集群中運行。這確保了冗余性和容錯性。
• 鍵值存儲： etcd 提供了簡單的鍵值數(shù)據(jù)模型，您可以使用鍵存儲和檢索數(shù)據(jù)。值可以是字符串、二進制數(shù)據(jù)，甚至是序列化的數(shù)據(jù)結構，如 JSON。
• 觀察機制： etcd 支持觀察機制，允許應用程序在特定鍵被修改時接收通知。這對于構建對配置或其他關鍵數(shù)據(jù)的更改做出反應的應用程序非常有用。
• HTTP/gRPC API： etcd 提供了 HTTP 和 gRPC API，從而方便您使用不同的編程語言和平臺與集群交互。
• 配置管理： etcd 經(jīng)常用于存儲分布式應用的配置數(shù)據(jù)。這使得跨多個應用程序實例更新配置設置變得更加容易。
• 服務發(fā)現(xiàn)： etcd 可用于服務發(fā)現(xiàn)，允許應用程序動態(tài)地發(fā)現(xiàn)分布式系統(tǒng)中的服務位置。
• 領導者選舉： etcd 的 Raft 共識算法也可以用于領導者選舉場景，其中分布式系統(tǒng)需要選擇一個協(xié)調的領導者節(jié)點。
• 安全性： etcd 支持認證和傳輸加密，以確保集群內的通信安全性。

3、kube-scheduler

kube-scheduler 是 Kubernetes 集群中的一個核心組件，負責在集群中選擇合適的節(jié)點（Node）來運行新創(chuàng)建的 Pod。它根據(jù)一系列的策略和條件，將 Pod 分配到最合適的節(jié)點上，以實現(xiàn)負載均衡和資源利用最優(yōu)化。

以下是 kube-scheduler 的主要工作原理和特點：

• 節(jié)點選擇策略：kube-scheduler 根據(jù)一組可配置的節(jié)點選擇策略來決定將 Pod 分配到哪個節(jié)點。這些策略可以根據(jù)資源需求、親和性（Affinity）、反親和性（Anti-Affinity）、節(jié)點污點（Taints）等因素進行設置。
• 資源利用優(yōu)化：kube-scheduler 會考慮集群中每個節(jié)點的資源利用情況，以確保新的 Pod 被分配到資源充足的節(jié)點上，從而避免資源浪費和過度擁塞。
• 親和性和反親和性：kube-scheduler 可以配置 Pod 對某些節(jié)點的親和性或反親和性。這意味著 Pod 可以被分配到滿足指定標簽的節(jié)點上，或者避免分配到具有特定標簽的節(jié)點上。
• 節(jié)點污點和容忍度： 節(jié)點可以設置污點，表示它們有某些限制條件，如特定的硬件或軟件。Pod 可以通過容忍度設置來表示它們可以容忍的節(jié)點污點，這樣 kube-scheduler 就會將 Pod 分配到與其容忍度匹配的節(jié)點上。
• 插件擴展：kube-scheduler 允許用戶通過插件來定制節(jié)點選擇過程。這使得用戶可以根據(jù)自己的需求添加自定義的調度策略。
• 可擴展性：kube-scheduler 支持同時運行多個調度器實例，每個實例可以具有不同的配置和策略。這種架構可以根據(jù)需求進行橫向擴展，以處理更大規(guī)模的集群。
• 調度延遲： 由于調度器需要考慮多種因素來做出決策，因此在創(chuàng)建新 Pod 時可能會出現(xiàn)一定的調度延遲。這取決于集群的負載、調度策略和其他因素。

4、kube-controller-manager

kube-controller-manager 是 Kubernetes 集群中的一個核心組件，它負責管理各種控制器，監(jiān)控集群狀態(tài)，以及確保集群中的實際狀態(tài)與期望狀態(tài)保持一致。這些控制器負責自動化集群中的各種任務和功能，例如副本控制、節(jié)點管理、服務和端點等。

以下是 kube-controller-manager 的一些主要功能和控制器示例：

• Replication Controller 控制器： 負責管理Pod副本數(shù)，確保在集群中始終有指定數(shù)量的Pod實例在運行。如果Pod數(shù)目少于期望的數(shù)量，Replication Controller 將創(chuàng)建新的 Pod 副本。
• Deployment 控制器： 基于聲明式配置，管理 Pod 的部署和更新。它可以創(chuàng)建和管理多個版本的應用程序，支持滾動更新和回滾。
• Node Controller 控制器： 負責監(jiān)控節(jié)點的狀態(tài)，并確保集群中的節(jié)點數(shù)目保持在所需的范圍內。如果節(jié)點離線或不可用，Node Controller 將采取措施進行調整。
• Service Controller 控制器： 確保 Service 對象中定義的網(wǎng)絡終結點與底層 Pod 的變化保持一致。它通過更新底層的 Endpoints 對象來實現(xiàn)。
• Namespace Controller 控制器： 確保 Namespace 的創(chuàng)建和刪除符合預期，并在命名空間被刪除時清理相關資源。
• Persistent Volume Controller 控制器： 監(jiān)控 Persistent Volume 和 Persistent Volume Claim 的狀態(tài)，確保正確的存儲資源分配。
• Job Controller 控制器： 用于管理一次性任務，確保任務的成功執(zhí)行。它可以處理任務的重試和失敗。
• DaemonSet 控制器： 確保每個節(jié)點上都運行有一個 Pod 的副本，適用于在每個節(jié)點上運行特定任務的場景。

5、kubelet

kubelet 是 Kubernetes 集群中的一個重要組件，運行在每個節(jié)點上，負責管理該節(jié)點上的容器和Pod。它與控制平面（如 API Server 和 kube-controller-manager）通信，確保節(jié)點上的容器與期望的狀態(tài)保持一致。

以下是 kubelet 的一些主要功能和工作原理：

• Pod 管理：kubelet 負責管理節(jié)點上的 Pod。它根據(jù)從 API Server 獲取的 Pod 定義（PodSpec）來創(chuàng)建、啟動、停止和刪除容器。
• 容器生命周期管理：kubelet 負責監(jiān)控容器的運行狀態(tài)，并在需要時重新啟動失敗的容器。它還會處理容器的存儲卷掛載、網(wǎng)絡設置等操作。
• 資源管理：kubelet 監(jiān)控節(jié)點上的資源利用情況，確保不超出節(jié)點的資源限制。它可以根據(jù)資源請求和限制設置合適的 QoS 類別，并調整 Pod 資源分配。
• 健康檢查和探針：kubelet 通過周期性的健康檢查和探針來監(jiān)控容器的健康狀態(tài)。如果容器不健康，kubelet 將采取相應的措施，如重新啟動容器或從服務中移除。
• Pod 事件和狀態(tài)報告：kubelet 會將節(jié)點上發(fā)生的事件和狀態(tài)信息報告給集群的 API Server，以便控制平面能夠跟蹤每個節(jié)點和 Pod 的狀態(tài)。
• 與控制平面通信：kubelet 與 API Server 和 kube-controller-manager 進行通信，以獲取 Pod 定義、報告狀態(tài)，以及接收指令來啟動或停止容器。
• Pod 生命周期鉤子：kubelet 支持在容器生命周期各個階段執(zhí)行用戶定義的鉤子，如容器創(chuàng)建前后、停止前后等。
• 資源配額和限制：kubelet 根據(jù) Pod 的資源請求和限制來監(jiān)視和限制容器的資源使用。
• 鏡像管理：kubelet 從指定的容器鏡像倉庫中下載鏡像，以供啟動容器。

6、kube-proxy

kube-proxy 是 Kubernetes 集群中的一個核心組件，負責實現(xiàn)集群內部的網(wǎng)絡通信。它通過維護節(jié)點上的網(wǎng)絡規(guī)則和轉發(fā)規(guī)則，為 Pod 提供網(wǎng)絡代理和負載均衡功能，以便讓集群中的各個 Pod 能夠相互通信。

以下是 kube-proxy 的一些主要功能和工作原理：

• 負載均衡：kube-proxy 通過創(chuàng)建虛擬 IP 地址或 IPVS 負載均衡規(guī)則，將服務（Service）的流量分發(fā)到多個后端 Pod。這使得集群內的應用可以在多個實例之間實現(xiàn)負載均衡。
• 網(wǎng)絡代理： 對于服務的流量，kube-proxy 在節(jié)點上創(chuàng)建規(guī)則以將流量重定向到正確的后端 Pod。這種代理方式使得客戶端能夠透明地訪問服務，而無需知道服務背后的 Pod 是如何部署的。
• Service 實現(xiàn)模式：kube-proxy 支持多種 Service 實現(xiàn)模式，如 iptables、IPVS、以及 userspace。不同模式在不同的網(wǎng)絡環(huán)境中提供不同的性能和特性。
• Service Discovery：kube-proxy 還提供了服務發(fā)現(xiàn)的功能，允許客戶端通過 Service 名稱來訪問服務，而不必知道后端 Pod 的具體 IP 地址。
• 規(guī)則維護：kube-proxy 監(jiān)控 Service 和 Endpoint 的變化，以及 Pod 的增刪變化。如果有變化，它會更新相應的規(guī)則，確保網(wǎng)絡流量被正確地路由到目標 Pod。
• 環(huán)境適應性：kube-proxy 的底層實現(xiàn)方式取決于集群節(jié)點的操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡環(huán)境。它會根據(jù)環(huán)境的差異來選擇適當?shù)膶崿F(xiàn)模式。
• 高可用性： 通常情況下，每個節(jié)點上都運行有一個 kube-proxy 實例，以確保在節(jié)點故障時仍然可以維護服務的連通性。

7、容器運行時（Container Runtime）

容器運行時（Container Runtime）是負責創(chuàng)建、運行和管理容器的軟件組件。在 Kubernetes 集群中，容器運行時負責在節(jié)點上創(chuàng)建和管理容器化的應用程序。

Kubernetes 不直接與容器進行交互，而是通過容器運行時來管理容器。它通過與容器運行時交互來創(chuàng)建、啟動、停止和刪除容器，以及管理容器的生命周期。

以下是一些常見的容器運行時：

• Docker： Docker 是最為廣泛使用的容器運行時。它使用 Docker 鏡像來創(chuàng)建和管理容器。Docker 的客戶端和服務端模型為容器提供了良好的抽象。
• containerd： containerd 是一個輕量級的容器運行時，最初是由 Docker 開發(fā)的，后來成為一個獨立的項目。它提供了容器的基本功能，如創(chuàng)建、啟動和停止容器。
• CRI-O： CRI-O 是專門為 Kubernetes 設計的容器運行時。它遵循 Kubernetes 容器運行時接口（CRI），支持容器的生命周期管理和鏡像管理。
• rkt（Rocket）： rkt 是由 CoreOS 開發(fā)的容器運行時，具有一些特點，如強調安全性、簡化的鏡像格式等。
• Kata Containers： Kata Containers 是一個開源項目，將虛擬機和輕量級容器技術相結合，提供更高的隔離性和安全性。
• gVisor： gVisor 是 Google 開源的一個容器運行時，提供了沙箱機制，增強了容器的安全性。

8、CoreDNS / kube-dns

CoreDNS 和 kube-dns 都是 Kubernetes 集群中用于域名解析（DNS）的服務。它們的作用是將 Pod 名稱和 Service 名稱解析為相應的 IP 地址，從而實現(xiàn)在集群內部進行服務發(fā)現(xiàn)和網(wǎng)絡通信。

這兩者的功能相似，但有些差異。下面我會為你詳細解釋它們的特點和用途：

kube-dns:

kube-dns 是 Kubernetes 最早引入的 DNS 解決方案，它由三個部分組成：

• kube-dns Server（SkyDNS）： 這是一個 DNS 服務器，負責在 Kubernetes 集群內為服務提供域名解析。它維護著一個 DNS 記錄，將 Service 名稱映射到相應的 Pod IP 地址。
• etcd：kube-dns 使用 etcd 來存儲和管理 DNS 記錄。這些記錄包括 Service 和 Pod 的域名映射關系。
• Sidecar 容器： 為了讓 Pod 能夠訪問 kube-dns，kube-dns 在每個節(jié)點上部署一個名為 "kube-dns" 的 Sidecar 容器。這個容器監(jiān)聽 Pod 中的 DNS 查詢，并將其轉發(fā)給 kube-dns 服務器。

CoreDNS:

CoreDNS 是一個可插拔的、現(xiàn)代化的 DNS 服務器，逐漸替代了 kube-dns，成為 Kubernetes 的默認 DNS 解決方案。它具有以下特點：

• 模塊化架構： CoreDNS 使用模塊化架構，允許通過插件來擴展和定制 DNS 功能。這使得它更加靈活和易于擴展。
• 靈活的配置： CoreDNS 使用 Corefile 文件來配置域名解析規(guī)則，配置語法更加直觀和易于理解。
• 支持多種后端： CoreDNS 支持多種后端數(shù)據(jù)源，包括文件、etcd、Kubernetes API 等，這使得它可以更好地集成到不同的環(huán)境中。
• 性能： CoreDNS 被設計為輕量級且高性能的 DNS 服務器，具有更好的性能表現(xiàn)。

9、Node

在 Kubernetes 中，"Node" 是指集群中的一個工作節(jié)點（Worker Node）。工作節(jié)點是集群中的計算資源，負責運行容器化應用程序和管理與之相關的資源。每個節(jié)點都是一個獨立的物理機器或虛擬機，它們一起構成了 Kubernetes 集群的基礎架構。

每個節(jié)點上都運行了一些關鍵組件，其中最重要的是 kubelet。以下是節(jié)點的主要組成部分和功能：

• Kubelet：kubelet 是運行在每個節(jié)點上的代理，負責與 Kubernetes 控制平面通信，并確保節(jié)點上的容器和 Pod 按照預期運行。它會根據(jù)從 API Server 獲取的 Pod 定義來創(chuàng)建和管理容器。
• Container Runtime： 容器運行時是負責在節(jié)點上創(chuàng)建和運行容器的軟件。常見的容器運行時包括 Docker、containerd、CRI-O 等。
• Kube-proxy：kube-proxy 負責維護節(jié)點上的網(wǎng)絡規(guī)則和轉發(fā)規(guī)則，以支持服務發(fā)現(xiàn)和負載均衡。它為 Pod 提供了網(wǎng)絡代理功能。
• CNI 插件： CNI（Container Network Interface）插件負責配置和管理容器的網(wǎng)絡連接。它們確保 Pod 能夠與集群內部和外部進行通信。
• 容器存儲卷插件： 這些插件負責將存儲卷（例如 Persistent Volume）掛載到容器中，以便應用程序可以訪問持久化的數(shù)據(jù)。
• Node Agent： 節(jié)點代理是運行在節(jié)點上的一些輔助組件，用于收集節(jié)點的健康狀況、資源利用情況等信息，并向控制平面報告狀態(tài)。
• 資源管理器： 資源管理器（如 kubelet）監(jiān)控節(jié)點上的資源使用情況，確保不超出節(jié)點的資源限制。
• 操作系統(tǒng)和硬件： 每個節(jié)點都運行有操作系統(tǒng)和底層硬件，它們提供了計算、存儲和網(wǎng)絡資源，用于運行容器化應用程序。

10、Dashboard

幾款k8s web管理界面工具：

• Kubernetes Dashboard：這是官方提供的基于網(wǎng)頁的Kubernetes用戶界面，可以用來部署和管理容器應用，監(jiān)控集群資源，排查問題等。您可以通過 kubectl apply -f 命令來部署Dashboard，并通過 kubectl proxy 命令來訪問Dashboard。。
• Rancher：這是一個開源的企業(yè)級多集群Kubernetes管理平臺，可以實現(xiàn)Kubernetes集群在混合云和本地數(shù)據(jù)中心的集中部署和管理，提供了豐富的功能和易用的界面。您可以通過 docker run rancher/rancher 命令來啟動Rancher，并通過 http://<SERVER_IP>:8080 來訪問Rancher。更多詳情請參考。
• Kuboard：這是一款基于Kubernetes的微服務管理界面，旨在幫助用戶快速在Kubernetes上落地微服務。它提供了簡潔的儀表盤，方便的應用部署和日志查看，以及完善的中文文檔和教程。您可以通過 kubectl apply -f 命令來部署Kuboard，并通過 http://<your.k8s.ip>:32567 來訪問Kuboard。
• Lens：這是一款自稱為“您管理Kubernetes集群所需的唯一IDE”的開源免費的桌面應用程序，支持多平臺和多集群。它提供了直觀的用戶界面，方便地查看集群狀態(tài)，監(jiān)控性能指標，管理工作負載和服務等。您可以從[6]下載Lens，并使用kubeconfig文件來連接Kubernetes集群。

Kubernetes Dashboard

Kubernetes Dashboard 是一個用于可視化管理和監(jiān)控 Kubernetes 集群的 Web 用戶界面。它提供了一種圖形化的方式來查看和管理集群中的資源、應用程序和服務，使得用戶可以更方便地進行操作和監(jiān)控。

Kubernetes Dashboard 的主要特點和功能包括：

• 資源概覽： 提供集群中各種資源的概覽，如節(jié)點、Pod、服務、副本控制器、命名空間等。
• Pod 和容器管理： 允許用戶查看和管理 Pod 和容器的狀態(tài)、日志和配置。
• 應用程序部署： 提供一個圖形界面，可以創(chuàng)建和管理應用程序部署、副本集和服務。
• 服務發(fā)現(xiàn)： 顯示集群中的服務，以及它們與后端 Pod 的關聯(lián)關系。
• 命名空間管理： 允許用戶創(chuàng)建和管理命名空間，用于隔離不同的項目和應用程序。
• 事件和日志： 顯示集群中的事件和日志，幫助用戶了解發(fā)生的事件和問題。
• 資源監(jiān)控： 提供實時的資源監(jiān)控信息，如 CPU 和內存的使用情況。
• 用戶權限： 可以根據(jù)用戶角色和權限設置，控制用戶對集群資源的訪問和操作權限。
• 擴展插件： 可以通過插件來擴展 Dashboard 的功能，添加自定義的儀表板和視圖。

11、網(wǎng)絡插件

Kubernetes 集群需要網(wǎng)絡插件來管理容器和 Pod 之間的網(wǎng)絡通信，以及服務發(fā)現(xiàn)和負載均衡等網(wǎng)絡功能。不同的網(wǎng)絡插件提供不同的網(wǎng)絡模型和功能，您可以根據(jù)集群的需求選擇適合的插件。以下是一些常見的 Kubernetes 網(wǎng)絡插件：

• Flannel： Flannel 是一個輕量級的網(wǎng)絡插件，基于虛擬網(wǎng)絡的方式，使用了多種后端實現(xiàn)，如基于 Overlay 的 VXLAN 和基于 Host-Gateway 的方式。它創(chuàng)建了一個覆蓋整個集群的虛擬網(wǎng)絡，使得 Pod 可以跨節(jié)點通信。
• Calico： Calico 是一個高性能的網(wǎng)絡插件，支持 IP 意識型的路由和 ACL，可以在大規(guī)模的集群中提供高效的網(wǎng)絡連接。它利用 BGP 協(xié)議來實現(xiàn)路由，并通過 Network Policy 實現(xiàn)安全組規(guī)則。
• Cilium： Cilium 是一個強大的網(wǎng)絡和安全插件，基于 Linux 內核的 BPF（eBPF）技術。它提供了更細粒度的網(wǎng)絡和安全策略，支持 HTTP、gRPC 和其他應用層協(xié)議的層級路由和負載均衡。
• Weave Net： Weave Net 是一個支持多云環(huán)境的網(wǎng)絡插件，使用覆蓋網(wǎng)絡技術，可以在不同的云和物理環(huán)境中連接 Pod。
• Antrea： Antrea 是一個基于 Open vSwitch 的 CNI 插件，它提供了網(wǎng)絡連接、安全策略和服務發(fā)現(xiàn)等功能。
• Multus CNI： Multus 是一個多網(wǎng)絡支持的 CNI 插件，允許在一個 Pod 中使用多個網(wǎng)絡接口。這對于實現(xiàn)多網(wǎng)絡場景（如多個 IP 地址、多個網(wǎng)段）非常有用。