引言：K3s 的诞生背景与核心价值

随着物联网（IoT）、边缘计算等场景的兴起，传统 Kubernetes（K8s）因资源占用高、部署复杂等问题难以直接应用。K3s 作为 Rancher Labs 推出的轻量级 Kubernetes 发行版，通过精简架构、优化组件和简化配置，成为资源受限环境下的理想选择。其核心价值体现在：极低资源消耗（单节点仅需 512MB 内存）、快速部署（单命令安装）、高可用支持（嵌入式 SQLite 或外接数据库）以及兼容性（完整支持 Kubernetes API）。

一、K3s 架构解析：轻量化的设计哲学

1.1 组件精简与功能整合

K3s 通过以下设计实现轻量化：

• 合并控制平面组件：将 kube-apiserver、kube-scheduler、kube-controller-manager 整合为单个进程，减少进程间通信开销。
• 嵌入式数据库：默认使用 SQLite 存储集群状态，避免外接数据库的复杂性（支持外接 MySQL/PostgreSQL）。
• 精简网络插件：内置 Flannel 作为默认 CNI，支持 VXLAN 和 Host-GW 模式，满足基础网络需求。
• 移除非核心组件：如 cloud-controller-manager、kube-proxy（可选通过 --disable 参数进一步裁剪）。

1.2 架构对比：K3s vs K8s

特性	K3s	K8s
资源占用	单节点 512MB 内存	单节点 2GB+ 内存
部署时间	1 分钟内完成	10-30 分钟（依赖配置复杂度）
控制平面组件	合并为单个进程	独立进程
数据库支持	SQLite（默认）、MySQL、PostgreSQL	etcd
适用场景	边缘计算、IoT、嵌入式设备	云原生、大规模集群

二、K3s 部署实践：从零到一的完整指南

2.1 单节点快速部署

2.1.1 基础安装命令

# 下载并安装 K3s（自动包含 Server 和 Agent）
curl -sfL https://get.k3s.io | sh -
# 验证节点状态
sudo k3s kubectl get nodes

输出示例：

NAME       STATUS   ROLES    AGE   VERSION
k3s-node   Ready    <none>   1m    v1.28.4+k3s1

2.1.2 关键配置参数

• --write-kubeconfig-mode 644：允许非 root 用户访问 kubeconfig。
• --disable-cloud-controller：禁用云提供商集成（适用于本地环境）。
• --flannel-backend vxlan：指定网络后端（支持 vxlan、host-gw、ipsec）。

2.2 高可用集群部署

2.2.1 外接数据库模式

1. 准备数据库（以 MySQL 为例）：

   CREATE DATABASE k3s CHARACTER SET utf8mb4 COLLATE utf8mb4_unicode_ci;
   CREATE USER 'k3s'@'%' IDENTIFIED BY 'password';
   GRANT ALL PRIVILEGES ON k3s.* TO 'k3s'@'%';

2. 启动首个 Server 节点：

   curl -sfL https://get.k3s.io | \
     INSTALL_K3S_EXEC="--datastore-endpoint=mysql://k3s:password@tcp(db-host:3306)/k3s" \
     sh -

3. 加入其他 Server 节点：

   curl -sfL https://get.k3s.io | \
     INSTALL_K3S_EXEC="server --server https://<primary-server-ip>:6443 --token <token>" \
     sh -

2.2.2 负载均衡配置

使用 Nginx 或 HAProxy 代理 API 请求：

upstream k3s_api {
  server <server1-ip>:6443;
  server <server2-ip>:6443;
}
server {
  listen 6443;
  location / {
    proxy_pass https://k3s_api;
    proxy_set_header Host $host;
  }
}

agent-">2.3 Agent 节点加入集群

# 从 Server 节点获取加入令牌
sudo cat /var/lib/rancher/k3s/server/node-token
# 在 Agent 节点执行
curl -sfL https://get.k3s.io | \
  K3S_URL=https://<server-ip>:6443 \
  K3S_TOKEN=<token> \
  sh -

三、K3s 核心应用场景与优化技巧

3.1 边缘计算场景实践

3.1.1 离线环境部署

1. 下载离线安装包：

   curl -sfL https://get.k3s.io | INSTALL_K3S_TYPE=server INSTALL_K3S_EXEC="--no-deploy=traefik" sh -s -- --write-kubeconfig-mode 644
   tar czvf k3s-airgap.tar.gz /var/lib/rancher/k3s/server/manifests/ /var/lib/rancher/k3s/server/db/

2. 在目标设备解压并启动：

   tar xzvf k3s-airgap.tar.gz -C /
   k3s server --datastore-endpoint="sqlite:///var/lib/rancher/k3s/server/db/state.db"

3.1.2 资源限制配置

通过 ResourceQuota 和 LimitRange 约束 Pod 资源：

apiVersion: v1
kind: ResourceQuota
metadata:
  name: edge-quota
spec:
  hard:
    requests.cpu: "1"
    requests.memory: "1Gi"
    limits.cpu: "2"
    limits.memory: "2Gi"

3.2 性能优化策略

3.2.1 网络性能调优

• 调整 Flannel 参数：

  k3s server --flannel-backend=host-gw --flannel-iface=eth1

• 使用 WireGuard 加速（K3s v1.21+）：

  k3s server --flannel-backend=wireguard-native

3.2.2 存储优化

• 本地存储卷：使用 hostPath 或 local 存储类：

  apiVersion: v1
  kind: PersistentVolume
  metadata:
    name: local-pv
  spec:
    capacity:
      storage: 10Gi
    accessModes:
      - ReadWriteOnce
    hostPath:
      path: /mnt/data

四、故障排查与常见问题解决

4.1 节点注册失败

• 现象：Agent 节点状态为 NotReady。
• 排查步骤：
  1. 检查 k3s-agent.log：

     journalctl -u k3s-agent -f

  2. 验证网络连通性：

     curl -k https://<server-ip>:6443/healthz

  3. 确认令牌和 Server URL 是否正确。

4.2 数据库连接问题

• 错误示例：Failed to connect to database。
• 解决方案：
  1. 检查数据库服务是否运行：

     systemctl status mysql

  2. 验证连接字符串：

     mysql -h <db-host> -u k3s -p'password' k3s

五、进阶技巧：自定义 K3s 发行版

5.1 使用 k3s-airgap-images 定制镜像

# 导出默认镜像列表
k3s crictl images --output json | jq -r '.[] | .repoTags[0]' > images.txt
# 构建自定义镜像包
sudo k3s-airgap-images --image-list images.txt --dir /custom-images

5.2 集成第三方 CNI 插件

1. 禁用内置 Flannel：

   k3s server --disable-network-policy --flannel-backend=none

2. 部署 Calico：

   kubectl apply -f https://docs.projectcalico.org/manifests/calico.yaml

结语：K3s 的未来与生态扩展

K3s 凭借其轻量化特性，已成为边缘计算、CI/CD 管道和开发测试环境的首选。未来，随着 Kubernetes 生态的演进，K3s 将进一步优化多集群管理、安全合规（如 FIPS 140-2）和异构硬件支持。开发者可通过 K3s 官方文档 获取最新实践，或参与社区贡献（如开发 Helm Chart 或 Operator）。

行动建议：

1. 在树莓派集群部署 K3s 实践边缘 AI 推理。
2. 使用 K3d（K3s 的 Docker 封装）快速搭建本地开发环境。
3. 结合 Argo CD 实现 GitOps 持续交付。