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Kubernetes 工作流程

介绍

Kubernetes 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。它的核心目标是通过自动化操作来简化容器化应用的运维工作。为了理解 Kubernetes 的工作原理,我们需要深入探讨其工作流程。

Kubernetes 的工作流程描述了从用户提交资源定义到 Kubernetes 集群实际运行容器的整个过程。这个过程涉及多个组件和步骤,包括 API 服务器、调度器、控制器、节点等。

Kubernetes 工作流程概述

Kubernetes 的工作流程可以简化为以下几个关键步骤:

  1. 用户提交资源定义:用户通过 kubectl 或其他工具向 Kubernetes API 服务器提交资源定义(如 Pod、Deployment、Service 等)。
  2. API 服务器验证和存储:API 服务器接收请求,验证资源定义的合法性,并将其存储在 etcd 中。
  3. 调度器分配节点:调度器根据资源需求和集群状态,将 Pod 分配到合适的节点上。
  4. 节点上的 kubelet 启动容器:目标节点上的 kubelet 接收到调度器的指令后,启动容器并监控其状态。
  5. 控制器确保期望状态:控制器(如 Deployment 控制器)持续监控集群状态,确保实际状态与用户定义的期望状态一致。

下面我们将逐步详细讲解这些步骤。


1. 用户提交资源定义

用户通过编写 YAML 或 JSON 文件定义 Kubernetes 资源,然后使用 kubectl 提交到集群。例如,以下是一个简单的 Pod 定义:

yaml
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
name: my-pod
spec:
containers:
- name: nginx
image: nginx:latest

使用以下命令提交资源定义:

bash
kubectl apply -f pod.yaml
备注

kubectl apply 是 Kubernetes 中常用的命令,用于创建或更新资源。


2. API 服务器验证和存储

当用户提交资源定义后,kubectl 会将请求发送到 Kubernetes API 服务器。API 服务器是 Kubernetes 的核心组件,负责接收和处理所有请求。

API 服务器会执行以下操作:

  • 验证资源定义:检查 YAML 文件的语法和字段是否合法。
  • 存储到 etcd:将资源定义存储到 etcd 中,etcd 是 Kubernetes 的分布式键值存储系统。
提示

etcd 是 Kubernetes 的“大脑”,存储了集群的所有状态信息。


3. 调度器分配节点

Kubernetes 调度器负责将 Pod 分配到合适的节点上运行。调度器会根据以下因素做出决策:

  • 资源需求(如 CPU、内存)。
  • 节点可用性。
  • 亲和性和反亲和性规则。
  • 污点和容忍度。

以下是一个调度过程的简化示例:

警告

如果集群中没有足够的资源,Pod 可能会处于 Pending 状态,直到有可用资源。


4. 节点上的 kubelet 启动容器

一旦调度器将 Pod 分配到某个节点,该节点上的 kubelet 就会接收到指令。kubelet 是 Kubernetes 的节点代理,负责管理节点上的容器。

kubelet 会执行以下操作:

  • 拉取容器镜像。
  • 启动容器。
  • 监控容器状态并报告给 API 服务器。

例如,如果 Pod 定义中指定了 nginx:latest 镜像,kubelet 会从镜像仓库拉取该镜像并启动容器。


5. 控制器确保期望状态

Kubernetes 控制器是确保集群状态与用户定义的期望状态一致的关键组件。例如,Deployment 控制器会确保指定数量的 Pod 副本始终运行。

如果某个 Pod 崩溃或被删除,控制器会检测到状态不一致,并创建新的 Pod 以替换它。

以下是一个 Deployment 的示例:

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
注意

控制器是 Kubernetes 自动化的核心,确保系统具有自愈能力。


实际案例:部署一个 Web 应用

假设我们需要部署一个简单的 Web 应用,以下是完整的流程:

  1. 编写 Deployment 和 Service 的 YAML 文件。
  2. 使用 kubectl apply 提交到集群。
  3. Kubernetes 调度器将 Pod 分配到节点。
  4. kubelet 启动容器并监控状态。
  5. Deployment 控制器确保有 3 个 Pod 副本运行。
  6. Service 提供稳定的网络访问。

总结

Kubernetes 的工作流程是一个高度自动化的过程,涉及多个组件的协作。从用户提交资源定义到容器实际运行,Kubernetes 通过 API 服务器、调度器、kubelet 和控制器等组件,确保集群状态始终与期望状态一致。

理解 Kubernetes 的工作流程是掌握其核心概念的关键。通过实际案例和逐步讲解,我们希望你能对 Kubernetes 的工作方式有更清晰的认识。


附加资源与练习

  • 官方文档Kubernetes 概念
  • 练习:尝试创建一个 Deployment 并观察其工作流程。
  • 深入学习:研究 Kubernetes 控制器的工作原理,如 ReplicaSet 和 StatefulSet。
提示

实践是学习 Kubernetes 的最佳方式。尝试在本地或云环境中部署一个简单的应用,观察其运行状态。