Kubernetes架构

Kubernetes架构

Kubernetes（简称K8s）是一个开源的容器编排平台，用于自动化部署、扩展和管理容器化应用程序。理解Kubernetes的架构是掌握其工作原理的关键。本节将详细介绍Kubernetes的核心组件及其交互方式。

核心架构概述

Kubernetes采用主从（Master-Worker）架构，由控制平面（Control Plane）和工作节点（Worker Node）组成。控制平面负责集群的全局决策和状态管理，而工作节点负责运行容器化应用。

graph TD subgraph Control Plane A[API Server] --> B[etcd] A --> C[Scheduler] A --> D[Controller Manager] end subgraph Worker Nodes E[Kubelet] --> F[Container Runtime] E --> G[kube-proxy] end A --> E

控制平面组件

控制平面是Kubernetes集群的大脑，包含以下关键组件：

API Server

• 作为集群的前端接口，处理所有REST操作
• 验证并配置API对象（如Pods、Services等）
• 唯一与etcd通信的组件

etcd

• 分布式键值存储，保存集群的所有配置数据
• 提供一致性保证（基于Raft算法）
• 示例数据存储结构：

# 查看etcd中存储的Pod信息
etcdctl get /registry/pods/default/my-pod

Scheduler

• 监视未调度的Pod，根据资源需求选择合适节点
• 考虑因素包括：
  • 硬件/软件约束
  • 亲和性/反亲和性规则
  • 数据局部性
  • 资源需求

Controller Manager

• 运行各种控制器进程的守护进程
• 主要控制器包括：
  • Node Controller
  • Replication Controller
  • Endpoints Controller
  • Service Account & Token Controllers

工作节点组件

工作节点是运行容器化应用的机器，包含以下组件：

Kubelet

• 节点代理，确保容器在Pod中运行
• 与容器运行时通信
• 定期向API Server报告节点状态

kube-proxy

• 网络代理，实现Kubernetes Service概念
• 维护节点网络规则
• 支持三种代理模式：
  • userspace（已弃用）
  • iptables（默认）
  • IPVS

容器运行时

• 负责运行容器的软件
• 支持多种运行时：
  • Docker
  • containerd
  • CRI-O
  • Mirantis Container Runtime

数据流示例

当用户创建一个Deployment时，Kubernetes内部的数据流如下：

sequenceDiagram participant User participant API_Server participant etcd participant Scheduler participant Kubelet participant Container_Runtime User->>API_Server: kubectl create -f deployment.yaml API_Server->>etcd: 存储Deployment配置 etcd-->>API_Server: 确认存储 Controller_Manager->>API_Server: 检测到新Deployment API_Server->>etcd: 创建ReplicaSet记录 Scheduler->>API_Server: 为Pod选择节点 API_Server->>etcd: 更新Pod绑定信息 Kubelet->>Container_Runtime: 创建容器 Container_Runtime-->>Kubelet: 容器状态 Kubelet->>API_Server: 更新Pod状态

实际案例

考虑一个简单的Web应用部署场景：

1. 开发人员创建包含3个副本的Deployment

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: web-app
spec:
  replicas: 3
  selector:
    matchLabels:
      app: web
  template:
    metadata:
      labels:
        app: web
    spec:
      containers:
      - name: nginx
        image: nginx:1.19
        ports:
        - containerPort: 80

2. Kubernetes内部处理流程：

• API Server接收并验证YAML
• Controller Manager创建ReplicaSet
• Scheduler将Pod分配到合适节点
• 各节点Kubelet拉取镜像并启动容器
• kube-proxy设置网络规则，允许Service访问Pod

高级主题

对于需要深入理解Kubernetes架构的高级用户，以下概念值得关注：

高可用架构

生产环境通常需要配置多控制平面实例：

• API Server可水平扩展
• etcd使用奇数个节点（通常3或5）实现高可用
• 使用负载均衡器分发API请求

通信安全

• 组件间使用TLS相互认证
• API Server支持多种认证方式：
  • 客户端证书
  • Bearer Token
  • 认证代理
• 基于RBAC的授权

扩展点

Kubernetes提供多种扩展机制：

• CRD（Custom Resource Definitions）
• 自定义调度器
• 网络插件（CNI）
• 存储插件（CSI）

数学基础

Kubernetes调度器使用优先级函数计算节点得分：

$score(node)=\sum _i(weigh{t}_i\times priorityFunctio{n}_i(node))$

其中：

• $weigh{t}_i$ 是优先级函数的权重
• $priorityFunctio{n}_i$ 是单个评分函数（如资源利用率、亲和性等）

总结

Kubernetes架构设计遵循以下原则：

• 声明式API
• 控制器模式
• 松耦合组件
• 可扩展性
• 高可用性

理解这些核心组件及其交互方式，是有效使用Kubernetes的基础。随着对架构理解的深入，用户可以更好地诊断问题、规划集群容量和设计可靠的应用部署策略。