玩转 K3s：轻量级 Kubernetes 的高效部署与实践指南

一、K3s 的定位与核心优势

K3s 是由 Rancher Labs（现属 SUSE）推出的轻量级 Kubernetes 发行版，专为资源受限的边缘计算、IoT 设备及 CI/CD 流水线设计。其核心优势体现在三个方面：

1. 极简架构：通过合并 etcd、kube-proxy 等组件，将二进制包体积压缩至 60MB 以内，内存占用降低 50% 以上。
2. 高兼容性：完整支持 Kubernetes API，兼容 90% 以上的主流 CNI 插件（如 Calico、Flannel）和存储驱动（如 Longhorn、Rook）。
3. 自动化运维：内置 SQLite 数据库（可选外置 etcd）、自动证书轮换、负载均衡器集成等功能，显著降低集群管理复杂度。

典型应用场景包括工业物联网网关部署、K8s 多集群管理中的轻量级控制平面、以及开发测试环境的快速构建。例如，某智能制造企业通过 K3s 在 500+ 边缘节点部署预测性维护模型，将数据采集延迟从 3s 降至 200ms。

二、安装与配置：30 分钟极速入门

1. 单节点部署（开发环境）

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

此命令自动完成以下操作：

• 下载并验证 K3s 二进制文件
• 生成自签名 TLS 证书
• 启动包含 API Server、Scheduler、Controller Manager 的复合进程
• 配置 Flannel 作为默认 CNI

验证安装：

sudo k3s kubectl get pods -A
# 预期输出包含 coredns、local-path-provisioner 等系统组件

2. 高可用集群部署（生产环境）

采用嵌入式 SQLite 数据库时，需配置外部数据存储：

# /var/lib/rancher/k3s/server/db/etcd-config.yaml
name: default
data-dir: /var/lib/rancher/k3s/server/db/etcd

通过 k3s server --cluster-init 初始化首个控制平面节点后，其他节点以 worker 身份加入：

k3s agent --server https://<master-ip>:6443 --token <cluster-secret>

关键配置参数：
| 参数 | 说明 | 推荐值 |
|———|———|————|
| --node-name | 指定节点名称 | 主机名或 MAC 地址 |
| --node-taint | 设置节点污点 | NoSchedule 用于专用节点 |
| --kubelet-arg | 传递参数给 kubelet | --max-pods=110 提升单节点负载 |

三、核心功能深度解析

1. 存储管理

K3s 默认集成 local-path-provisioner，支持动态卷分配：

apiVersion: v1
kind: PersistentVolumeClaim
metadata:
  name: my-pvc
spec:
  accessModes:
    - ReadWriteOnce
  resources:
    requests:
      storage: 10Gi
  storageClassName: local-path

对于生产环境，建议对接分布式存储：

• Longhorn：块存储方案，支持快照、备份
• Rook + Ceph：对象存储集成，适合海量数据场景

2. 网络配置

Flannel 默认提供 VXLAN 覆盖网络，如需修改 CIDR：

# 安装时指定
curl -sfL https://get.k3s.io | INSTALL_K3S_EXEC="--flannel-backend=vxlan --flannel-iface=eth1" sh -
# 运行中修改
sudo vi /var/lib/rancher/k3s/server/manifests/flannel.yaml
# 修改 `Network` 和 `SubnetLen` 参数后重启服务

3. 安全加固

实施 RBAC 最小权限原则：

# 创建只读 ServiceAccount
apiVersion: v1
kind: ServiceAccount
metadata:
  name: readonly-user
  namespace: default
---
apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1
kind: Role
metadata:
  namespace: default
  name: readonly-role
rules:
- apiGroups: [""]
  resources: ["pods"]
  verbs: ["get", "list", "watch"]

定期更新证书（默认 1 年有效期）：

# 手动轮换证书
sudo k3s cert rotate
# 查看证书过期时间
sudo k3s kubectl get cm -n kube-system k3s-serving -o jsonpath='{.data.tls\.crt}' | openssl x509 -noout -enddate

四、典型应用场景实践

1. 边缘计算部署

某物流企业案例：

• 硬件：500 台搭载 ARM 芯片的智能分拣设备
• 配置：

  k3s agent --server https://<central-ip>:6443 \
    --node-label "region=east" \
    --kubelet-arg="feature-gates=RotateKubeletServerCertificate=true"

• 效果：单节点资源占用 <200MB，分拣效率提升 35%

2. CI/CD 流水线集成

在 GitLab Runner 中使用 K3s：

# .gitlab-ci.yml 示例
test:
  image: docker:latest
  services:
    - name: docker:dind
  script:
    - curl -sfL https://get.k3s.io | INSTALL_K3S_EXEC="--disable traefik --disable servicelb" sh -
    - export KUBECONFIG=/etc/rancher/k3s/k3s.yaml
    - kubectl apply -f deployment.yaml
    - kubectl rollout status deployment/my-app

3. 多集群管理

通过 Rancher 或 KubeSphere 统一管理 K3s 集群：

# 生成集群注册命令
rancher login https://<rancher-server> --token <token>
rancher cluster create my-k3s-cluster --provider existing --k3s

五、性能调优与故障排查

1. 资源限制优化

根据节点规格调整参数：

# /etc/rancher/k3s/config.yaml
write-kubeconfig-mode: "0644"
kube-apiserver-arg:
  - "default-not-ready-toleration-seconds=30"
  - "default-unreachable-toleration-seconds=30"
kube-controller-manager-arg:
  - "node-monitor-grace-period=40s"

2. 常见问题处理

现象	原因	解决方案
节点状态 NotReady	kubelet 证书过期	执行 sudo k3s cert rotate
Pod 调度失败	资源不足	调整 --kube-reserved 和 --system-reserved
API 访问延迟	etcd 性能瓶颈	切换至外置 etcd 集群

六、进阶技巧

1. 自定义镜像构建

通过 Dockerfile 定制 K3s 版本：

FROM rancher/k3s:v1.26.4-k3s1
RUN apt-get update && apt-get install -y \
    conntrack \
    socat \
    && rm -rf /var/lib/apt/lists/*
COPY custom-cni-plugin /usr/local/bin/

2. 监控体系搭建

集成 Prometheus Operator：

kubectl apply -f https://raw.githubusercontent.com/prometheus-operator/kube-prometheus/main/manifests/setup
kubectl apply -f https://raw.githubusercontent.com/prometheus-operator/kube-prometheus/main/manifests/

配置自定义告警规则：

# prometheus-rules.yaml
groups:
- name: k3s.rules
  rules:
  - alert: K3sNodeDown
    expr: kube_node_status_condition{condition="Ready",status="false"} == 1
    for: 5m
    labels:
      severity: critical

结语

K3s 通过其轻量化设计和完善的生产级特性，正在成为边缘计算、快速原型开发等场景的首选 Kubernetes 方案。建议开发者从单节点测试环境入手，逐步掌握高可用部署、存储网络配置等核心技能。对于资源敏感型应用，可通过调整 --reserved-cpus、--eviction-hard 等参数进一步优化资源利用率。随着 K3s 1.26 版本对 Windows 容器的支持，其在混合架构环境中的应用前景将更加广阔。