Kubernetes 核心概念：从容器编排到云原生

摘要：在现代云计算和微服务架构的浪潮中，Kubernetes（简称 K8s）已成为容器编排领域的实际标准。它不仅简化了容器化应用的部署、管理和扩展，还为企业构建云原生应用提供了坚实的基础。根据 CNCF（云原生计算基金会）的 2025 年报告，Kubernetes

在现代云计算和微服务架构的浪潮中，Kubernetes（简称 K8s）已成为容器编排领域的实际标准。它不仅简化了容器化应用的部署、管理和扩展，还为企业构建云原生应用提供了坚实的基础。根据 CNCF（云原生计算基金会）的 2025 年报告，Kubernetes 的采用率在全球企业中已超过 70%，成为 DevOps 和云原生生态的核心支柱。然而，Kubernetes 的强大功能背后隐藏着复杂的架构和概念，对于初学者和进阶用户来说，理解其核心概念是掌握这一技术的关键。

Kubernetes 是一个分布式系统，其设计目标是自动化容器化应用的部署、扩展和管理。它采用主从架构（Master-Worker），由控制平面（Control Plane）和工作节点（Worker Node）组成。以下是核心组件的介绍：

控制平面是 Kubernetes 的大脑，负责管理和协调整个集群的状态。核心组件包括：

API Server（kube-apiserver）：集群的入口，负责接收和处理所有 RESTful API 请求。它是用户、命令行工具（如 kubectl）以及其他组件与集群交互的桥梁。API Server 还负责验证和存储对象状态到 etcd。etcd：一个分布式键值存储，用于保存集群的所有状态数据，例如节点信息、Pod 配置等。它是 Kubernetes 的“真相之源”（Source of Truth）。调度器（kube-scheduler）：负责将 Pod 调度到合适的节点。调度器根据资源需求、硬件约束、亲和性规则等条件选择最佳节点。控制器管理器（kube-controller-manager）：运行多个控制器进程，确保集群的实际状态与期望状态一致。例如，副本控制器确保 Pod 的副本数符合预期。云控制器管理器（cloud-controller-manager）：与底层云提供商（如 AWS、GCP、Azure）交互，管理云特定的资源，如负载均衡器和存储卷。

工作节点是运行容器化应用的地方，每个节点包含以下组件：

Kubelet：节点的代理，负责与控制平面通信，确保 Pod 和容器按预期运行。它监控容器状态并向 API Server 报告。Kube-proxy：管理节点的网络规则，实现服务发现和负载均衡。它通过 iptables 或 IPVS 转发流量到正确的 Pod。容器运行时（Container Runtime）：负责运行容器。常见运行时包括 containerd 和 CRI-O，支持 Docker 的 CRI 标准。

Kubernetes 生态支持多种插件扩展功能，例如：

DNS：为集群提供内部域名解析。Dashboard：提供 Web 界面管理集群。监控工具：如 Prometheus，用于收集和分析集群性能数据。

Kubernetes 使用“声明式”模型，用户通过 YAML 或 JSON 文件定义资源的期望状态，系统自动维护这些状态。以下是核心对象：

Pod 是 Kubernetes 的最小调度单位，通常包含一个或多个容器，这些容器共享网络和存储资源。Pod 具有以下特点：

单一职责：一个 Pod 通常运行一个主要容器，辅以 sidecar 容器（如日志代理）。短暂性：Pod 是临时的，可能因故障或调度被销毁和重建。共享上下文：Pod 内的容器共享 localhost 网络和挂载卷。

示例 Pod 定义：

apiVersion: v1kind: Podmetadata: name: my-podspec: containers: - name: my-container image: nginx:latest

Service 定义了一组 Pod 的逻辑集合，并提供稳定的访问入口。它通过标签选择器（Label Selector）关联 Pod，支持以下类型：

ClusterIP：默认类型，提供集群内部 IP，仅限集群内访问。NodePort：暴露节点端口，外部通过 : 访问。LoadBalancer：集成云提供商的负载均衡器，分配外部 IP。ExternalName：将服务映射到外部 DNS 名称。

Ingress 是一种高级路由机制，用于管理外部对集群内服务的 HTTP/HTTPS 访问。它需要 Ingress 控制器（如 nginx Ingress Controller）支持，提供域名路由、SSL 终止等功能。

示例 Ingress 定义：

apiVersion: Networking.k8s.io/v1kind: Ingressmetadata: name: my-ingressspec: rules: - host: example.com http: paths: - path: / pathType: Prefix backend: service: name: my-service port: number: 80

ReplicaSet 确保指定数量的 Pod 副本始终运行。它通过标签选择器管理 Pod，常用于无状态应用。

Deployment 是 ReplicaSet 的高级封装，支持滚动更新和回滚。它是无状态应用的首选控制器。

示例 Deployment 定义：

apiVersion: apps/v1kind: Deploymentmetadata: name: my-deploymentspec: replicas: 3 selector: matchLabels: app: my-app template: metadata: labels: app: my-app spec: containers: - name: my-container image: nginx:1.14

StatefulSet 适合有状态应用（如数据库），提供稳定的网络标识和持久存储。每个 Pod 有唯一的名称和顺序。

DaemonSet 确保每个节点运行一个 Pod 副本，常用于日志收集（如 Fluentd）或监控代理。

Job：运行一次性任务，完成后终止。CronJob：按计划周期性运行 Job，类似于 Linux Cron。

Kubernetes 的网络模型基于“全互联”原则，确保 Pod 间通信无需 NAT。核心网络概念包括：

每个 Pod 分配一个集群唯一的 IP 地址，Pod 内的容器共享此 IP。Pod 间通信直接使用 IP，无需端口映射。

Service 提供虚拟 IP（ClusterIP），通过 kube-proxy 实现负载均衡。DNS 插件为 Service 分配域名，如 ..svc.cluster.local。

Kubernetes 使用容器网络接口（CNI）实现网络功能。常见插件包括 Flannel、Calico 和 Weave Net，支持不同网络策略和性能优化。

NetworkPolicy 控制 Pod 间的网络流量，支持 ingress 和 egress 规则。例如，限制特定命名空间的访问。

容器是短暂的，数据需要持久化存储。Kubernetes 提供以下存储机制：

Volume 为 Pod 提供存储，生命周期与 Pod 绑定。支持多种类型，如 emptyDir（临时存储）、hostPath（节点本地路径）和云存储（如 AWS EBS）。

2. PersistentVolume（PV）和 PersistentVolumeClaim（PVC）PV：集群级存储资源，由管理员预配置。PVC：用户请求的存储抽象，动态绑定到 PV。

示例 PVC 定义：