1. Kubernetes 简介和架构

1.1. Kubernetes 简介

Kubernetes 是一个开源的容器编排和管理平台，用于自动化部署、扩展和管理容器化应用程序。它提供了一个可靠的平台来运行和管理容器化的工作负载，并具有高度可扩展性、弹性和自愈能力。

Kubernetes 的核心概念包括：

• Pod: 是 Kubernetes 中最小的可部署单元，包含一个或多个容器，共享相同的网络和存储资源。

• Deployment: 用于定义和管理 Pod 的副本数量、升级策略和滚动更新等。

• Service: 提供了一个稳定的网络终点，用于访问一组具有相同功能的 Pod。

• Namespace: 用于在 Kubernetes 集群中划分资源的逻辑隔离单元。

• Node: 是 Kubernetes 集群中的一个工作节点，负责运行容器化应用程序。

1.2. Kubernetes 架构

Kubernetes 的架构由 Master 节点和 Worker 节点组成：

• Master 节点: 是 Kubernetes 集群的控制节点，负责管理和调度集群中的所有资源。它包含以下组件：

• API Server: 提供了集群的 API 接口，用于管理和控制集群中的资源。

• Scheduler: 负责将 Pod 调度到集群中的合适节点上。
• Controller Manager: 包含多个控制器，用于管理和维护集群中的各种资源，如副本数量、服务发现等。
• etcd: 是一个高可用的分布式键值存储，用于保存集群的配置信息和状态。

• Worker 节点: 是 Kubernetes 集群中的工作节点，负责运行容器化应用程序。每个 Worker 节点包含以下组件：

• Kubelet: 是在每个节点上运行的代理程序，负责与 Master 节点通信，管理和监控节点上的容器。

• Container Runtime: 负责运行容器，如 Docker 或 Containerd。
• Kube Proxy: 负责将网络请求路由到正确的容器。

2. Kubernetes 安装和配置

2.1. 单节点安装

在单节点上安装和配置 Kubernetes 可以用于学习和测试的目的。以下是安装 Kubernetes 单节点集群的示例：

2.1.1. 安装 Docker
首先，安装 Docker 引擎，作为 Kubernetes 集群中的容器运行时。

# 安装 Docker
curl -fsSL https://get.docker.com -o get-docker.sh
sudo sh get-docker.sh

# 启动 Docker 服务
sudo systemctl enable docker
sudo systemctl start docker

# 验证 Docker 安装
docker version

2.1.2. 安装 kubeadm、kubelet 和 kubectl
接下来，安装 Kubernetes 的组件：kubeadm、kubelet 和 kubectl。

# 添加 Kubernetes 软件源
sudo apt-get update && sudo apt-get install -y apt-transport-https gnupg2 curl
curl -s https://packages.cloud.google.com/apt/doc/apt-key.gpg | sudo apt-key add -
echo "deb https://apt.kubernetes.io/ kubernetes-xenial main" | sudo tee /etc/apt/sources.list.d/kubernetes.list

# 安装 kubeadm、kubelet 和 kubectl
sudo apt-get update
sudo apt-get install -y kubeadm kubelet kubectl

# 阻止自动升级 Kubernetes 组件
sudo apt-mark hold kubeadm kubelet kubectl

# 验证 Kubernetes 安装
kubeadm version
kubectl version --short

2.1.3. 初始化 Kubernetes 控制平面
使用 kubeadm 命令初始化 Kubernetes 控制平面。

sudo kubeadm init --pod-network-cidr=10.244.0.0/16

根据输出的信息，执行后续的配置命令，如设置 kubeconfig 和安装网络插件。

2.2. 多节点安装

在多节点上安装和配置 Kubernetes 可以构建生产环境的集群。以下是安装 Kubernetes 多节点集群的示例：

2.2.1. 准备工作
确保每个节点上已安装 Docker 和设置正确的网络配置。
在每个节点上安装 kubeadm、kubelet 和 kubectl。
2.2.2. 初始化控制平面节点
选择一个节点作为控制平面节点，使用 kubeadm 命令初始化控制平面。

sudo kubeadm init --pod-network-cidr=10.244.0.0/16

根据输出的信息，执行后续的配置命令，如设置 kubeconfig 和安装网络插件。

2.2.3. 加入工作节点
对于每个工作节点，使用 kubeadm join 命令将其加入到 Kubernetes 集群中。

sudo kubeadm join <control-plane-host>:<control-plane-port> --token <token> --discovery-token-ca-cert-hash sha256:<hash>

2.3. 配置kubectl命令行工具

在任何一个节点上，配置 kubectl 命令行工具，以便与 Kubernetes 集群进行交互。

mkdir -p $HOME/.kube
sudo cp -i /etc/kubernetes/admin.conf $HOME/.kube/config
sudo chown {
   mathJaxContainer[0]}(id -g) $HOME/.kube/config

3. 部署应用到 Kubernetes 集群

在 Kubernetes 集群中部署应用程序通常涉及创建 Deployment 和 Service。以下是部署应用到 Kubernetes 集群的示例：

3.1. 创建 Deployment

编写一个包含应用程序描述的 Deployment YAML 文件，例如 myapp-deployment.yaml。

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: myapp-deployment
spec:
  replicas: 3
  selector:
    matchLabels:
      app: myapp
  template:
    metadata:
      labels:
        app: myapp
    spec:
      containers:
        - name: myapp-container
          image: myapp:1.0
          ports:
            - containerPort: 8000

使用 kubectl 命令创建 Deployment。

kubectl apply -f myapp-deployment.yaml

3.2. 创建 Service

编写一个 Service YAML 文件，例如 myapp-service.yaml，指定如何访问 Deployment。

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: myapp-service
spec:
  selector:
    app: myapp
  ports:
    - protocol: TCP
      port: 80
      targetPort: 8000
  type: LoadBalancer

使用 kubectl 命令创建 Service。

kubectl apply -f myapp-service.yaml

3.3. 验证应用部署

通过访问 Service 的外部 IP 地址，验证应用程序是否成功部署。

kubectl get services

4. Kubernetes 的 Pod、Deployment、Service 等概念

在 Kubernetes 中，有几个核心概念需要了解，包括 Pod、Deployment 和 Service。

4.1. Pod

Pod 是 Kubernetes 中最小的可部署单元，它包含一个或多个紧密相关的容器。Pod 共享相同的网络和存储资源，并通过 Pod 的 IP 地址进行通信。

以下是一个 Pod 的示例 YAML 文件：

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: myapp-pod
spec:
  containers:
    - name: myapp-container
      image: myapp:1.0
      ports:
        - containerPort: 8000

使用 kubectl 命令创建 Pod。

kubectl apply -f myapp-pod.yaml

4.2. Deployment

Deployment 是用于管理 Pod 的副本数量和升级策略的控制器。它确保指定数量的 Pod 始终在运行，并支持滚动更新来逐步升级应用程序。

以下是一个 Deployment 的示例 YAML 文件：

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: myapp-deployment
spec:
  replicas: 3
  selector:
    matchLabels:
      app: myapp
  template:
    metadata:
      labels:
        app: myapp
    spec:
      containers:
        - name: myapp-container
          image: myapp:1.0
          ports:
            - containerPort: 8000

使用 kubectl 命令创建 Deployment。

kubectl apply -f myapp-deployment.yaml

4.3. Service

Service 提供了一个稳定的网络终点，用于访问一组具有相同功能的 Pod。它可以通过负载均衡将请求路由到后端 Pod，以实现应用程序的高可用性和可伸缩性。

以下是一个 Service 的示例 YAML 文件：

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: myapp-service
spec:
  selector:
    app: myapp
  ports:
    - protocol: TCP
      port: 80
      targetPort: 8000
  type: LoadBalancer

使用 kubectl 命令创建 Service。

kubectl apply -f myapp-service.yaml

5. 资源调度和伸缩

Kubernetes 提供了资源调度和伸缩的功能，以确保应用程序在集群中获得足够的计算资源并根据负载自动扩展。

5.1. 资源调度

Kubernetes 使用调度器（Scheduler）将 Pod 调度到集群中的合适节点上。调度器根据节点的资源利用率、约束条件和亲和性规则等进行决策。

以下是一个 Pod 的调度约束条件示例：

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: myapp-pod
spec:
  containers:
    - name: myapp-container
      image: myapp:1.0
      ports:
        - containerPort: 8000
  affinity:
    nodeAffinity:
      requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
        nodeSelectorTerms:
          - matchExpressions:
              - key: disktype
                operator: In
                values:
                  - ssd

5.2. 资源伸缩

Kubernetes 支持根据负载自动扩展应用程序的副本数量。可以使用 Horizontal Pod Autoscaler（HPA）来设置自动扩展的策略。

以下是一个 HPA 的示例 YAML 文件：

apiVersion: autoscaling/v2beta2
kind: HorizontalPodAutoscaler
metadata:
  name: myapp-hpa
spec:
  scaleTargetRef:
    apiVersion: apps/v1
    kind: Deployment
    name: myapp-deployment
  minReplicas: 1
  maxReplicas: 10
  metrics:
    - type: Resource
      resource:
        name: cpu
        target:
          type: Utilization
          averageUtilization: 50

使用 kubectl 命令创建 HPA。

kubectl apply -f myapp-hpa.yaml

6. 监控和日志管理

Kubernetes 提供了各种工具和插件，用于监控集群中的应用程序和收集容器日志。

6.1. 监控

Kubernetes 的监控解决方案通常包括以下组件：

• Prometheus：用于收集和存储指标数据。
• Grafana：用于可视化指标数据。
• kube-state-metrics：用于将 Kubernetes API 对象转换为 Prometheus 可读取的指标。
• cAdvisor：用于收集容器级别的性能指标。

6.2. 日志管理

Kubernetes 的日志管理解决方案通常包括以下组件：

• Fluentd：用于收集、传输和存储容器日志。
• Elasticsearch：用于存储和索引日志数据。
• Kibana：用于可视化和查询日志数据。

7. 网络和存储管理

Kubernetes 提供了网络和存储管理的功能，以便应用程序可以进行通信和持久化存储。

7.1. 网络管理

Kubernetes 使用网络插件来提供集群内部和集群外部的网络连接。一些常见的网络插件包括：

• Calico
• Flannel
• Weave

7.2. 存储管理

Kubernetes 支持多种存储解决方案，包括：

• Persistent Volumes（PV）和 Persistent Volume Claims（PVC）：用于提供持久化存储。
• CSI（Container Storage Interface）：用于与外部存储系统集成。

以上是关于容器编排与管理的基本概念和操作示例。通过理解这些概念和使用示例，您可以开始构建和管理 Kubernetes 集群，并在其中部署和运行应用程序。