Kubernetes集群核心组件全解析：从控制平面到应用生态
Kubernetes作为容器编排领域的核心平台，其架构由多个解耦的组件协同工作。本文将深度剖析集群的三大层级组件，并扩展关键生态工具，帮助读者构建全面的知识体系。
一、控制平面（Control Plane）组件
1. kube-apiserver
- 核心枢纽：提供RESTful API接口，所有集群操作（包括CLI、Dashboard、其他组件）均通过此组件交互
- 安全网关：集成认证（X.509证书/Bearer Token）、鉴权（RBAC）、准入控制（Admission Webhook）三阶段安全机制
- 状态代理：作为唯一直接与etcd通信的组件，确保数据一致性
2. etcd
- 分布式数据库：采用Raft协议实现高可用，存储集群配置、Secret、Service发现等关键数据
- 运维要点：推荐奇数节点部署（3/5节点），定期备份快照防止数据丢失
3. kube-scheduler
- 智能调度器：基于资源请求、亲和性策略、硬件约束等条件为Pod选择最优节点
- 扩展机制：支持自定义调度器（Scheduler Extender）实现业务特异性调度
4. kube-controller-manager
- 集群管家：运行多个控制循环，包括：
- Deployment Controller：管理副本数滚动更新
- Node Controller：监控节点健康状态
- Service Account Controller：管理命名空间级账户
5. cloud-controller-manager (云厂商定制)
- 云平台桥梁：实现负载均衡器配置（AWS ELB/Azure LB）、存储卷动态供给（EBS/Azure Disk）、节点自动扩缩容（如GKE的Node Pool）
二、工作节点（Worker Node）组件
1. kubelet
- 节点代理：
- 接收PodSpecs并确保容器健康运行
- 定期向API Server上报节点状态（CPU/Memory/Disk压力）
- 执行存活探针（Liveness Probe）和就绪探针（Readiness Probe）
2. 容器运行时（Container Runtime）
- OCI标准实现：
- containerd（CNCF毕业项目，K8s默认选择）
- CRI-O（专为K8s设计的轻量级运行时）
- Docker（旧版本通过dockershim兼容）
3. kube-proxy
- 服务网格：
- 维护iptables/IPVS规则实现Service的虚拟IP转发
- 支持三种代理模式：userspace（已弃用）、iptables（默认）、IPVS（高性能）
4. 网络与存储插件
-
CNI网络插件：
- Flannel（Overlay网络简易方案）
- Calico（基于BGP的高性能网络策略）
- Cilium（eBPF驱动的新一代网络方案）
-
CSI存储插件：
- 对接云存储（AWS EBS, Google Persistent Disk）
- 本地存储方案（OpenEBS, Rook）
三、关键应用层组件
1. 服务发现与负载均衡
- CoreDNS：集群内DNS解析，将Service名称映射为虚拟IP
- Ingress Controller：
- Nginx Ingress：基于配置生成路由规则
- Traefik：支持Let’s Encrypt自动证书
2. 监控与日志
- Metrics Server：收集节点/Pod资源指标，支撑HPA自动扩缩
- Prometheus + Grafana：时序数据存储与可视化
- EFK Stack：
- Fluentd：日志收集
- Elasticsearch：日志存储
- Kibana：日志展示
3. 持续交付与GitOps
- Argo CD：声明式GitOps工具，实现配置即代码（IaC）
- Tekton：云原生CI/CD流水线框架
四、扩展生态系统
1. 安全增强
- Cert Manager：自动管理TLS证书（Let’s Encrypt集成）
- OPA Gatekeeper：策略即代码（Pod安全策略/资源限制）
2. 服务网格
- Istio：提供mTLS加密、流量镜像、金丝雀发布等高级功能
- Linkerd：轻量级Service Mesh方案
3. 集群运维工具
- kubeadm：快速搭建符合最佳实践的集群
- Lens IDE：可视化集群管理客户端
- Velero：集群备份与迁移工具
组件协同工作流程
通过一个Pod创建请求的完整生命周期，展示组件协作：
- 用户提交
kubectl create请求至kube-apiserver - etcd持久化存储Pod元数据
- kube-scheduler选择合适节点并更新etcd
- 目标节点的kubelet通过容器运行时创建容器
- kube-proxy配置Service iptables/IPVS规则
- CoreDNS更新服务域名解析记录