2025-04-09    2025-04-09    1274 字  3 分钟
k8s

Kubernetes（K8s）的基本工作原理围绕自动化容器编排展开，其核心是通过声明式配置和控制器模式，将用户期望的状态（Desired State）与实际状态（Actual State）保持一致。以下是其核心工作机制的分解：

一、核心架构组件

K8s 由两部分组成：

  1. 控制平面（Control Plane）：大脑，负责决策和协调。

    • API Server：唯一与用户交互的入口，处理所有请求（如 kubectl 命令）。
    • Scheduler：决定将 Pod 分配到哪个节点。
    • Controller Manager：运行各种控制器（如 Deployment、Node 控制器），确保系统状态符合预期。
    • etcd：分布式键值数据库，存储集群所有状态数据。

  2. 工作节点（Worker Nodes）：执行实际工作负载。

    • kubelet：节点上的“代理”，负责管理容器生命周期。
    • kube-proxy：处理网络规则（如 Service 的负载均衡）。
    • 容器运行时（如 containerd、Docker）：真正运行容器的工具。

二、核心工作原理

1. 声明式 API 与期望状态

用户通过 YAML/JSON 文件声明应用的期望状态（如“运行 3 个 Nginx 副本”），提交给 API Server：

1
2
3
4
5
6
7
8
9

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
spec:
  replicas: 3  # 期望状态：3个Pod
  template:
    spec:
      containers:
      - name: nginx
        image: nginx:latest

2. 控制器模式（Control Loop）

  • 检测差异：控制器（如 Deployment Controller）持续监听 API Server，比较当前状态与期望状态。
  • 调谐（Reconcile）：若实际 Pod 数量少于 3 个，控制器创建新的 Pod；若多于 3 个，则删除多余的 Pod。

3. 调度与运行

  • 调度器：根据资源需求、亲和性等规则，选择合适节点运行 Pod。
  • kubelet：在目标节点上拉取镜像并启动容器。

4. 自愈与弹性

  • 故障检测：若节点宕机，Node Controller 标记节点为不可用，并重新调度其上的 Pod。
  • 健康检查：通过 livenessProbe 自动重启不健康的容器。

三、关键流程示例（以创建 Pod 为例）

  1. 用户提交请求 
    1

    kubectl apply -f nginx.yaml
  2. API Server 持久化
    • 将 Pod 定义存入 etcd。
  3. 调度器介入
    • 选择满足条件的节点（如 CPU 充足的 node1）。
  4. kubelet 接管
    • node1 上的 kubelet 通过容器运行时创建 Pod。
  5. 状态反馈
    • kubelet 上报 Pod 状态给 API Server，更新至 etcd。

四、核心对象协作

对象 作用
Pod 最小调度单元，包含一个或多个共享网络的容器。
Deployment 管理 Pod 的副本集，支持滚动更新和回滚。
Service 为 Pod 提供稳定的 IP 和 DNS，实现负载均衡和服务发现。
ConfigMap 将配置与容器解耦，实现动态配置注入。
Volume 解决容器内数据的持久化问题。

五、网络与存储原理

  1. 网络模型
    • 每个 Pod 拥有唯一 IP，跨节点通信通过 CNI 插件（如 Calico、Flannel）实现。
  2. 存储抽象
    • PersistentVolume (PV)：集群级别的存储资源（如云磁盘）。
    • PersistentVolumeClaim (PVC)：用户对存储资源的请求。

六、K8s 的核心设计思想

  • 声明式优于命令式：用户关注“做什么”，而非“怎么做”。
  • 控制器模式：通过无限循环（Control Loop）驱动系统趋近期望状态。
  • 松耦合架构：组件通过 API Server 交互，可独立升级替换。

七、可视化流程

graph TD
    A[用户提交 YAML] --> B[API Server]
    B --> C[etcd 存储状态]
    C --> D[控制器检测差异]
    D --> E[调度器分配节点]
    E --> F[kubelet 创建容器]
    F --> G[反馈状态到 API Server]

Kubernetes 通过这套机制实现了自动化部署、扩展和管理容器化应用，成为云原生时代的操作系统级平台。