K8S原理架构详解(万字图文总结)

K8S是云原生最核心的内容，也是云计算的未来，下满我就全面来详解K8S架构@mikechen

K8S

Kubernetes（简称 K8S）,是容器编排平台，由 Google开发，现由云原生计算基金会（CNCF）进行维护、和发展。

Kubernetes 提供了一种自动化部署、扩展、和管理容器化应用的机制，使开发者能够高效地构建、和运行分布式系统。

如下图所示：

K8S的核心作用：是对容器进行编排，确保容器化应用，比如：Docker…..等容器，能够在集群中高效运行。

比如：K8S提供智能的容器调度功能，能根据，比如：资源需求、策略、和约束条件，将容器调度到合适的节点上运行。

以及，K8S还能够自动管理、和协调多个容器的生命周期，使得应用能够平稳运行、扩展、和升级。

K8S的这些功能，使其成为现代云原生应用开发、和部署的核心工具，应用于大规模的企业、和开发团队。

 

Kubernetes架构

K8S架构，如下图所示：

K8S的架构，和它的原型项目 ：“Borg“ 非常类似，都由 Master 、和 Node 两种节点组成。

Master 、和 Node 两种节点，这两种角色分别对应着：控制节点、和计算节点。

Master 节点负责：全局管理、和调度，Node 节点负责：具体的容器运行、和资源管理。

所以，如果你想掌握好K8S原理，你需要对 Master(控制) 、和 Node (计算)节点有更深入的了解@mikechen

 

Master节点

首先，我们来看Master 节点，Master 节点是 K8S集群的控制中心，负责：管理、和调度集群中的所有资源。

如下所示：

        +---------------+----------------+
        |       Master-controller-manager  |
        +---------------+----------------+
                        |
                        v
+-----------------------+----------------------+
|                      Master Node             |
+-----------------------+----------------------+

Master类似人的“大脑”，负责指挥“Node节点”来调度。

Master节点的整体架构，如下图(黄框)所示：

主要负责，如下内容：

1、集群管理

首先，管理集群的状态、配置、和生命周期。

其次，维护集群的元数据，确保集群的整体健康状态。

2、API 服务

提供集群的 API 接口，处理来自用户、和内部组件的请求。

3、资源调度

根据资源需求、和调度策略，将工作负载（Pod），分配到适当的节点上运行。

4、监控集群

监控集群状态，确保实际状态、与期望状态一致。

以及，处理自动化任务，如：副本管理、故障恢复…等。

 

Master主节点组件

Master 节点在 K8S集群中起着至关重要的作用，它通过 kube-apiserver 提供集群的 API 服务，通过 kube-scheduler 进行资源调度。

以及，通过 kube-controller-manager 进行控制管理，并使用 etcd 来存储集群的配置数据、和状态信息，下面我分别详解@mikechen。

1.API Server

API Server提供 Kubernetes 集群的 API 服务，是所有其他组件、和用户交互的入口。

如下图所示：

提供 Kubernetes 集群的统一接口，以及处理 RESTful API 请求。

比如：所有对集群的操作，如创建、更新、删除 Pod…都通过 kube-apiserver 进行。

大致工作流程，如下:

Client --> [kube-apiserver] --> [etcd]

首先，apiserver ，负责接收请求，比如刚才提到的：创建、更新、删除 Pod……..等等操作。

其次，kube-apiserver 将接收到的请求验证和授权后，将数据写入 etcd(Key-Value）存储。

然后，其他组件，如： kube-scheduler 、和 kube-controller-manager，通过监听 API Server 来获取最新的集群状态。

 

2.键值存储etcd

etcd 是一个分布式键值存储系统，所有的集群状态信息，比如： Pod 状态、Service 配置…等，都保存在 etcd 中。

[kube-apiserver] <--> [etcd Cluster]

提供数据的一致性和高可用性。

比如：数据一致性，使用 Raft 共识算法，来保证数据一致性。

再比如：高可用性，etcd 的高可用性通过部署多个副本实现，通常是奇数个节点，来保证高可用性。

 

3.ControllerManager

kube-controller-manager 是 Kubernetes 集群管理的最核心组件，通过运行多个控制器来维持集群的期望状态。

负责管理 K8S集群中的控制器，这些控制器通过监控集群状态并进行相应的调整，确保集群处于预期的状态。

如下图所示：

常见的控制器，包括： ReplicaSet 控制器、Deployment 控制器、Node 控制器………等。

1.ReplicaSet 控制器

确保指定数量的 Pod 副本始终运行，比如：如果有 Pod 异常终止、或被删除，ReplicaSet 控制器会创建新的 Pod 来补充。

2.Node 控制器

负责：监控节点的健康状态，并在节点失效时执行恢复操作。

比如：标记节点为不可调度或不可用，并重新调度受影响的 Pod。

3.Deployment 控制器

管理 Deployment 对象，支持滚动更新、和回滚操作。

4.Service 控制器

管理 Service 对象，确保服务的 IP 地址、和端点正确配置。

比如：处理服务发现和负载均衡，确保客户端请求能够正确路由到对应的 Pod。

总之，这些控制器负责：管理集群中的各种资源。

从 Pod 副本的管理，到节点健康状态的监控，再到服务发现、和负载均衡。

从而，确保 Kubernetes 集群能够高效、稳定地运行。

 

4.Scheduler

Scheduler：根据资源需求和调度策略，将新创建的 Pod 分配到适合的节点上运行。

[kube-scheduler] <--> [kube-apiserver] --> [Node]

举一个例子，比如：根据资源请求（如 ：CPU、内存….等等）、和调度策略（如亲和性等），评估所有可用节点，来调度节点。

 

工作节点的组件

在 Kubernetes 集群中，Node 节点是运行实际应用、和服务的计算资源单元。

每个 Node 节点通常包括以下组件，如下图所示：

1.Kubelet

Kubelet 是运行在每个 Node 上的主要组件，负责：管理和维护 Node 上的 Pod。

它确保 Pod 根据 Kubernetes API Server 的定义正确地启动和运行。

以下是 Kubelet 的一个简单配置示例：

containers:
- name: kube-proxy
  image: k8s.gcr.io/kube-proxy:v1.21.0
  command:
  - kube-proxy
  - --config=/etc/kubernetes/kube-proxy-config.yaml
  volumeMounts:
  - mountPath: /etc/kubernetes
    name: kubeconfig
    readOnly: true
volumes:
- name: kubeconfig
  hostPath:
    path: /etc/kubernetes

2.Container Runtime

Container Runtime，也就是容器运行时，负责：容器的实际启动、和管理。

比如，提供容器化的运行环境，如 Docker。

3.Kube-proxy

Kube-Proxy 是每个 Node 上运行的网络代理，负责维护网络规则。

主要解决，如下4点：

负载均衡：

Kube-Proxy 在每个 Node 上，配置网络规则，将流量负载均衡到多个 Pod 上；

例如，当请求到达 Service 的 Cluster IP 时，Kube-Proxy 会将请求转发到后端 Pod。

网络规则管理：

Kube-Proxy 在 Node 上设置 IP 规则、和路由规则，以实现服务发现、和负载均衡；

服务发现：

Kube-Proxy 处理 Service 的 IP 地址、和端点更新，确保流量能够正确路由到 Pod。

集群网络：

Kube-Proxy 支持多种网络模式（如： iptables、ipvs。。。），管理 Node 上的网络流量，并保持网络规则的同步。

 

K8S工作流程

K8S工作流程，大致如下：

1.集群初始化

首先，安装和配置Master和Node节点。

2.应用部署

使用kubectl命令行工具或其他工具（如Helm）部署应用。

定义Deployment、Service等资源对象，并通过API Server提交到集群。

3.调度和运行

Scheduler根据调度策略，将Pod分配到合适的Node节点。

Kubelet在Node节点上创建、和管理Pod，确保容器按照定义运行。

4.服务发现和负载均衡

Kube-proxy设置网络规则，确保服务能正确访问和负载均衡；

Service对象提供统一的访问入口、和负载均衡。

5.监控和自动化

Controller Manager持续监控集群状态，进行自动扩展和恢复操作。

使用Prometheus、Grafana等工具监控集群和应用状态。

K8S的应用

Kubernetes 的应用广泛且灵活，涵盖了从容器化应用管理到微服务架构、CI/CD、边缘计算等多个领域。

陈睿mikechen

10年+大厂架构经验，资深技术专家，就职于阿里巴巴、淘宝、百度等一线互联网大厂。

关注「mikechen」公众号，获取更多技术干货！

后台回复【面试】即可获取《史上最全阿里Java面试题总结》，后台回复【架构】，即可获取《阿里架构师进阶专题全部合集》