玩转 K3s：轻量级 Kubernetes 的高效实践指南

在边缘计算、物联网（IoT）和资源受限的云环境中，Kubernetes 的轻量化版本 K3s 凭借其极简设计、低资源消耗和快速部署能力，成为开发者构建高效容器化应用的理想选择。本文将从 K3s 的核心特性、部署技巧、运维优化和实际应用场景四个维度，系统解析如何“玩转”这一轻量级 Kubernetes 发行版。

一、K3s 的核心特性：轻量化与功能完备的平衡

K3s 由 Rancher Labs（现属 SUSE）开发，专为资源受限环境设计，其核心优势体现在以下方面：

1.1 极简架构，资源占用低

K3s 通过精简 Kubernetes 组件（如移除 etcd 替换为 SQLite、合并 kube-apiserver/kube-controller-manager/kube-scheduler 为单一进程）和移除非必要插件（如云控制器管理器），将二进制包大小压缩至约 100MB，内存占用较标准 Kubernetes 降低 50% 以上。例如，在树莓派 4B（4GB RAM）上运行 K3s 集群时，单个节点仅需 300MB 内存即可稳定运行。

1.2 一键安装，开箱即用

K3s 提供单条命令安装方式：

curl -sfL https://get.k3s.io | sh -

该命令会自动完成以下操作：

• 下载并安装 K3s 二进制文件；
• 配置为 systemd 服务并启动；
• 生成 kubeconfig 文件（默认路径 /etc/rancher/k3s/k3s.yaml）；
• 启动内置的 Traefik Ingress 控制器和 Local Storage Provider。

1.3 高可用（HA）支持

K3s 支持通过外部数据库（如 MySQL、PostgreSQL）实现高可用部署。配置示例：

# 主节点
curl -sfL https://get.k3s.io | INSTALL_K3S_EXEC="--datastore-endpoint=mysql://username:password@tcp(db-host:3306)/database" sh -
# 从节点
curl -sfL https://get.k3s.io | INSTALL_K3S_EXEC="--server https://<master-ip>:6443 --token <token>" sh -

1.4 扩展性：支持 CRI、CNI 和 CSI 插件

K3s 默认集成 containerd 作为容器运行时（CRI），但可通过配置文件支持 Docker 或其他 CRI 实现。例如，使用 Docker 作为运行时：

curl -sfL https://get.k3s.io | INSTALL_K3S_EXEC="--docker" sh -

对于网络插件（CNI），K3s 默认使用 Flannel，但可通过 --flannel-backend 参数切换为 VXLAN、IPSEC 或 WireGuard 模式。存储插件（CSI）方面，K3s 支持 Longhorn、Rook-Ceph 等解决方案。

二、部署技巧：从单节点到生产级集群

2.1 单节点开发环境快速搭建

单节点 K3s 适合本地开发和测试。安装后，通过 kubectl 直接访问集群：

export KUBECONFIG=/etc/rancher/k3s/k3s.yaml
kubectl get nodes

优化建议：

• 使用 k3s server --write-kubeconfig-mode 644 避免权限问题；
• 通过 k3s server --disable traefik 禁用默认 Ingress，改用 Nginx 或 Istio。

2.2 多节点生产集群部署

生产环境需至少 3 个主节点（运行 k3s server）和多个工作节点（运行 k3s agent）。关键步骤：

1. 主节点初始化：

   k3s server --tls-san <external-ip> --node-name master-1

   --tls-san 参数确保 API 服务器证书包含外部 IP 或域名。

2. 工作节点加入：

   k3s agent --server https://<master-ip>:6443 --token <token> --node-name worker-1

   token 可通过 sudo cat /var/lib/rancher/k3s/server/node-token 在主节点获取。

3. 负载均衡配置：
   使用 HAProxy 或 Nginx 代理 API 请求：

   upstream k3s_api {
       server master-1:6443;
       server master-2:6443;
       server master-3:6443;
   }
   server {
       listen 6443;
       proxy_pass k3s_api;
   }

2.3 离线环境部署

在无互联网访问的环境中，需预先下载 K3s 镜像和依赖：

# 在有网络的环境中导出镜像
k3s crictl images --output json | jq -r '.[].repoTags[]' | xargs -I {} docker pull {}
docker save $(k3s crictl images --output json | jq -r '.[].repoTags[]') > k3s-images.tar
# 在离线环境中加载镜像
docker load < k3s-images.tar

安装时指定镜像目录：

k3s server --disable-agent --write-kubeconfig-mode 644 --image-dir /var/lib/rancher/k3s/agent/images/

三、运维优化：性能调优与故障排查

3.1 资源限制配置

通过 k3s.service 的 ExecStart 参数调整资源限制：

[Service]
ExecStart=/usr/local/bin/k3s server --kube-controller-manager-arg=address=0.0.0.0 --kube-scheduler-arg=address=0.0.0.0 --feature-gates=TTLAfterFinished=true

或通过 kubelet 配置文件（/var/lib/rancher/k3s/agent/etc/config.toml）设置：

[kubelet]
  eviction-hard = "memory.available<500Mi,nodefs.available<10%"

3.2 日志与监控

K3s 日志默认存储在 /var/log/syslog（Ubuntu）或 /var/log/messages（CentOS）。可通过 journalctl 查看：

journalctl -u k3s -f

推荐集成 Prometheus 和 Grafana 进行监控：

# 部署 Prometheus Operator
kubectl apply -f https://raw.githubusercontent.com/prometheus-operator/prometheus-operator/master/bundle.yaml
# 配置 ServiceMonitor 抓取 K3s 组件指标
apiVersion: monitoring.coreos.com/v1
kind: ServiceMonitor
metadata:
  name: k3s-components
spec:
  selector:
    matchLabels:
      k8s-app: k3s
  endpoints:
  - port: https
    scheme: https
    tlsConfig:
      insecureSkipVerify: true
    path: /metrics

3.3 常见故障排查

• 节点状态为 NotReady：检查 kubelet 日志，确认 cni0 网桥是否存在。
• Pod 无法调度：通过 kubectl describe node <node-name> 查看资源剩余量。
• API 服务器无响应：检查负载均衡器健康检查配置和防火墙规则。

四、实际应用场景：从边缘计算到 CI/CD

4.1 边缘计算场景

K3s 适用于工厂、零售店等边缘环境。例如，在工业传感器网络中部署 K3s 集群：

# 边缘节点 DaemonSet 示例
apiVersion: apps/v1
kind: DaemonSet
metadata:
  name: edge-sensor
spec:
  template:
    spec:
      containers:
      - name: sensor
        image: my-sensor:latest
        resources:
          limits:
            cpu: 500m
            memory: 256Mi
      nodeSelector:
        kubernetes.io/hostname: edge-node-1

4.2 CI/CD 流水线集成

在 GitLab CI 或 Jenkins 中使用 K3s 作为测试环境：

# .gitlab-ci.yml 示例
stages:
- test
deploy_to_k3s:
  stage: test
  image: bitnami/kubectl:latest
  script:
    - kubectl config use-context k3s
    - kubectl apply -f k8s/deployment.yaml
    - kubectl rollout status deployment/my-app

4.3 混合云架构

结合公有云（如 AWS EKS）和私有云 K3s 集群，通过 Service Mesh（如 Istio）实现跨集群通信：

# Istio Gateway 配置示例
apiVersion: networking.istio.io/v1alpha3
kind: Gateway
metadata:
  name: hybrid-gateway
spec:
  selector:
    istio: ingressgateway
  servers:
  - port:
      number: 80
      name: http
      protocol: HTTP
    hosts:
    - "*.hybrid-app.com"

五、总结与展望

K3s 通过极简设计和高度可定制性，成为资源受限环境中 Kubernetes 的首选方案。从单节点开发到生产级高可用集群，K3s 均能提供稳定支持。未来，随着边缘计算的普及和 Kubernetes 生态的完善，K3s 将在 IoT、5G 基站和远程办公等领域发挥更大价值。开发者可通过持续关注 K3s 官方文档（https://docs.k3s.io/）和社区案例，深入探索其高级特性（如 Windows 节点支持、eBPF 网络加速等），进一步释放轻量级 Kubernetes 的潜力。