k8s功能特性概览

自动化部署与调度

k8s的核心功能之一是自动化部署与资源调度。通过定义Deployment、StatefulSet等资源对象，开发者可以描述应用的期望状态（如副本数、镜像版本），k8s的调度器（Scheduler）会根据集群资源状况（CPU、内存、存储等）自动将Pod分配到合适的节点上运行。例如，以下是一个简单的Deployment YAML示例：

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
        ports:
        - containerPort: 80

此配置会创建3个nginx容器的副本，k8s会自动处理容器的创建、重启（如崩溃时）和负载均衡。

弹性伸缩（Horizontal Pod Autoscaler, HPA）

k8s支持基于CPU利用率、内存使用量或自定义指标的弹性伸缩。通过HPA，当应用负载增加时，系统可自动增加Pod数量；负载降低时，则减少Pod，实现资源的高效利用。配置示例：

apiVersion: autoscaling/v2
kind: HorizontalPodAutoscaler
metadata:
  name: nginx-hpa
spec:
  scaleTargetRef:
    apiVersion: apps/v1
    kind: Deployment
    name: nginx-deployment
  minReplicas: 1
  maxReplicas: 10
  metrics:
  - type: Resource
    resource:
      name: cpu
      target:
        type: Utilization
        averageUtilization: 50

此配置表示当nginx-deployment的CPU平均利用率超过50%时，自动扩容Pod，最多至10个副本。

服务发现与负载均衡

k8s通过Service资源提供服务发现和负载均衡。Service抽象了Pod的IP地址，通过标签选择器（Label Selector）关联一组Pod，客户端通过Service的DNS名称或ClusterIP访问服务，k8s内部使用iptables或IPVS实现负载均衡。例如：

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: nginx-service
spec:
  selector:
    app: nginx
  ports:
    - protocol: TCP
      port: 80
      targetPort: 80

此配置创建了一个名为nginx-service的Service，将80端口的流量路由到标签为app: nginx的Pod的80端口。

k8s集群架构详解

控制平面组件

k8s集群的控制平面（Control Plane）负责集群的全局管理，主要包括以下组件：

• kube-apiserver：API服务器，是集群的入口，处理所有REST请求，验证并存储数据到etcd。
• etcd：分布式键值存储，保存集群状态和配置信息，要求高可用和一致性。
• kube-scheduler：调度器，根据资源需求、节点亲和性等策略，将未调度的Pod分配到节点。
• kube-controller-manager：控制器管理器，运行多个控制器（如ReplicationController、NodeController），确保集群状态与期望状态一致。
• cloud-controller-manager（可选）：与云服务商API交互，管理云资源（如负载均衡器、存储卷）。

节点组件

每个工作节点（Node）运行以下组件：

• kubelet：节点代理，负责启动、停止和管理Pod及容器，与kube-apiserver通信，报告节点状态。
• kube-proxy：网络代理，维护节点上的网络规则，实现Service的负载均衡。
• 容器运行时：如Docker、containerd，负责容器的创建、运行和销毁。

网络通信机制

k8s网络模型要求：

• 每个Pod拥有唯一的IP地址，且Pod间可直接通信。
• 不同节点上的Pod可通过集群网络互通。
• Service的ClusterIP对Pod可见，实现服务发现。

常见实现方案包括Flannel、Calico、Cilium等，它们通过不同的方式（如VXLAN、BGP、eBPF）实现跨节点网络通信和策略控制。

实践建议

• 高可用部署：控制平面组件应部署在多个节点上，etcd采用奇数个节点保证一致性。
• 资源限制：为Pod设置合理的CPU、内存请求（requests）和限制（limits），避免资源争抢。
• 监控与日志：集成Prometheus、Grafana进行监控，使用EFK（Elasticsearch、Fluentd、Kibana）或Loki、Promtail、Grafana（LPG）堆栈收集和分析日志。
• 安全策略：启用NetworkPolicy限制Pod间通信，使用RBAC进行细粒度权限控制。

k8s以其强大的功能特性和灵活的集群架构，成为容器编排领域的标准。深入理解其核心机制，对于构建高效、可靠的云原生应用至关重要。