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= Kubernetes集群 =

== 介绍 ==  
'''Kubernetes集群'''是Kubernetes的核心架构，由一组相互协作的节点（物理机或虚拟机）组成，用于自动化部署、扩展和管理容器化应用程序。集群通过控制平面（Control Plane）和工作节点（Worker Nodes）的协同工作，提供高可用性、负载均衡和故障恢复能力。  

一个典型的Kubernetes集群包含以下核心组件：  
* '''控制平面（Control Plane）'''：负责集群的全局决策（如调度）和事件响应。  
* '''工作节点（Worker Nodes）'''：运行容器化应用的机器，每个节点包含必要的组件（如kubelet、容器运行时）。  
* '''分布式键值存储（etcd）'''：保存集群的配置和状态数据。  

== 集群架构 ==  
以下是一个Kubernetes集群的简化架构图：  

<mermaid>  
graph TD  
    subgraph Control Plane  
        API_Server[API Server]  
        Scheduler[Scheduler]  
        Controller[Controller Manager]  
        etcd[(etcd)]  
    end  

    subgraph Worker Nodes  
        Node1[Node 1]  
        Node2[Node 2]  
        Node3[Node 3]  
    end  

    API_Server -->|通信| Node1  
    API_Server -->|通信| Node2  
    API_Server -->|通信| Node3  
    Scheduler --> API_Server  
    Controller --> API_Server  
    etcd --> API_Server  
</mermaid>  

=== 控制平面组件 ===  
1. '''API Server'''：集群的入口，处理所有REST请求。  
2. '''Scheduler'''：决定将Pod调度到哪个节点。  
3. '''Controller Manager'''：运行控制器（如Deployment控制器）以确保集群状态符合预期。  
4. '''etcd'''：高可用的键值存储，保存集群数据。  

=== 工作节点组件 ===  
1. '''kubelet'''：与API Server通信，管理节点上的Pod生命周期。  
2. '''kube-proxy'''：维护网络规则，实现服务负载均衡。  
3. '''容器运行时'''（如Docker、containerd）：运行容器。  

== 创建集群示例 ==  
以下是一个使用`kubeadm`工具创建集群的示例：  

<syntaxhighlight lang="bash">  
# 在主节点上初始化控制平面  
sudo kubeadm init --pod-network-cidr=10.244.0.0/16  

# 将工作节点加入集群（在工作节点上运行）  
sudo kubeadm join <主节点IP>:6443 --token <token> --discovery-token-ca-cert-hash <hash>  
</syntaxhighlight>  

'''输出示例：'''  
<pre>  
Your Kubernetes control-plane has initialized successfully!  
To start using your cluster, run:  
  mkdir -p $HOME/.kube  
  sudo cp -i /etc/kubernetes/admin.conf $HOME/.kube/config  
  sudo chown $(id -u):$(id -g) $HOME/.kube/config  
</pre>  

== 实际应用场景 ==  
'''案例：高可用Web应用部署'''  
假设需要部署一个包含3个副本的Nginx服务：  
1. 通过Deployment定义副本数量和容器镜像。  
2. 通过Service暴露服务到集群外部。  

<syntaxhighlight lang="yaml">  
apiVersion: apps/v1  
kind: Deployment  
metadata:  
  name: nginx-deployment  
spec:  
  replicas: 3  
  selector:  
    matchLabels:  
      app: nginx  
  template:  
    metadata:  
      labels:  
        app: nginx  
    spec:  
      containers:  
      - name: nginx  
        image: nginx:latest  
        ports:  
        - containerPort: 80  

---  
apiVersion: v1  
kind: Service  
metadata:  
  name: nginx-service  
spec:  
  selector:  
    app: nginx  
  ports:  
    - protocol: TCP  
      port: 80  
      targetPort: 80  
  type: LoadBalancer  
</syntaxhighlight>  

执行后，Kubernetes会自动将Pod分布到不同节点，并通过Service提供负载均衡。  

== 数学建模（可选） ==  
在调度算法中，Kubernetes可能基于资源请求和节点容量进行决策。例如，调度器会计算节点的剩余资源：  

<math>  
\text{剩余CPU} = \text{节点CPU总量} - \sum(\text{所有Pod的CPU请求})  
</math>  

== 常见问题 ==  
'''Q：如何检查集群状态？'''  
<syntaxhighlight lang="bash">  
kubectl get nodes  # 查看节点状态  
kubectl cluster-info  # 显示集群信息  
</syntaxhighlight>  

'''Q：如何扩展集群？'''  
通过`kubeadm join`添加新节点，或使用云提供商的自动扩展组（如AWS Auto Scaling）。  

== 总结 ==  
Kubernetes集群是容器编排的基础，通过控制平面和工作节点的分工实现自动化运维。理解其架构和组件是掌握Kubernetes的关键。

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