# 深度解析:k8s技术架构从入门到精通

从零开始，带你玩转Kubernetes！不再是"听说很牛逼，但不知道怎么用"的状态

文章目录

1. 初识K8s：不只是一个"容器编排工具"
2. K8s核心架构：Master和Node的"君臣关系"
3. Control Plane：大脑中枢的精密运作
4. Worker Node：真正干活的"打工人"
5. Pod：K8s世界的最小单位
6. Service：让应用"找得到彼此"
7. 实战场景：从单体到微服务的华丽转身
8. 进阶之路：从入门到精通的修炼指南
9. 总结：K8s的价值与未来

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初识K8s

什么是Kubernetes？

Kubernetes（简称K8s，中间有8个字母所以叫K8s，程序员都喜欢偷懒‍♂️）是一个开源的容器编排平台。如果把Docker比作"集装箱"，那么K8s就是"港口调度系统"，负责管理这些集装箱的装卸、运输和存储。

为什么需要K8s？

想象一下，你有100个微服务，每个服务都运行在Docker容器中：

• 手动管理：哪个容器挂了？在哪台机器上？怎么重启？
• 扩缩容：流量大了怎么办？半夜加机器？
• 服务发现：A服务怎么找到B服务？IP变了怎么办？
• 负载均衡：请求怎么分发？怎么避免单点故障？

这就是K8s要解决的问题！

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K8s核心架构

K8s采用了经典的Master-Worker架构模式，就像一个"分布式操作系统"：

Kubernetes Cluster

Control Plane (Master)

Worker Node 1

Worker Node 2

Worker Node N

Kubelet

Kube-proxy

Container Runtime

Pods

Kubelet

Kube-proxy

Container Runtime

Pods

Kubelet

Kube-proxy

Container Runtime

Pods

API Server

etcd

Scheduler

Controller Manager

Cloud Controller Manager

整体架构特点

• Master（Control Plane）：大脑，负责决策和管理
• Worker Node：四肢，负责运行具体的应用
• 声明式API：告诉K8s你想要什么，它自己想办法实现
• 控制器模式：持续监控和自动修复

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Control Plane

Control Plane是K8s的"大脑"，包含几个关键组件：

API Server

• 集群的前台：所有请求都通过它
• 认证授权：谁能做什么都由它说了算
• RESTful API：kubectl、Dashboard都通过它交互

etcd

• ️ 集群的数据库：所有配置、状态都存在这里
• 分布式一致性：保证数据的一致性和高可用
• Watch机制：配置变化时实时通知

Scheduler

• Pod调度器：决定Pod运行在哪个Node上
• ⚖️ 智能调度：考虑资源、亲和性、反亲和性等因素
• 可扩展：支持自定义调度策略

Controller Manager

• 自动化管理：维护集群的期望状态
• 控制循环：持续监控和调整
• 内置控制器：Deployment、Service、Volume等

Control Plane 工作流程

API Server

用户提交YAML

etcd存储

Scheduler调度

kubelet执行

反馈状态

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Worker Node

Worker Node是K8s的"四肢"，真正运行应用的地方：

Kubelet

• 节点代理：Master和Node之间的桥梁
• Pod生命周期管理：创建、监控、删除Pod
• 资源监控：上报节点和Pod状态

Kube-proxy

• 网络代理：实现Service的负载均衡
• 流量转发：iptables、ipvs等多种模式
• 服务发现：让Pod能找到其他Service

Container Runtime

• 容器运行时：Docker、containerd、CRI-O等
• 镜像管理：拉取、存储、清理镜像
• 容器管理：创建、启动、停止容器

Worker Node 内部结构

System Pods

User Pods

Node Components

Kubelet

Container Runtime

Local Storage

App Pod 1

App Pod 2

App Pod 3

kube-proxy

Fluentd

Node Monitoring

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Pod

Pod是K8s中最小的调度单位，理解Pod是掌握K8s的关键：

Pod的特点

• 共享网络：Pod内的容器共享IP和端口
• 共享存储：可以挂载相同的Volume
• 生命周期绑定：容器同生共死
• 原子性：要么全部成功，要么全部失败

Pod网络模型

Pod Network Model

Pod 1

Pod 2

Node Network

Bridge Network

eth0

Container C

Container D

Network Namespace

Container A

Container B

Network Namespace

什么时候用多容器Pod？

• Sidecar模式：日志收集、监控代理
• Init容器：应用启动前的初始化工作
• 代理模式：Service Mesh中的Envoy代理

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Service

Service解决了Pod IP不固定的问题，是K8s网络的核心概念：

Service类型

• ClusterIP：集群内部访问（默认）
• NodePort：通过节点端口访问
• LoadBalancer：云厂商负载均衡器
• ExternalName：DNS别名

Service工作原理

Service 工作原理

Kube-proxy

Service

Client

Endpoints

Pod 1

Pod 2

Pod 3

iptables rules

IPVS rules

服务发现机制

• DNS解析：service-name.namespace.svc.cluster.local
• 环境变量：自动注入Service信息
• API查询：通过K8s API获取Service信息

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实战场景

从单体到微服务的迁移

After: 微服务架构

Frontend

Backend Services

Data Layer

Before: 单体应用

User DB

Order DB

Payment DB

Redis Cache

User Service

Order Service

Payment Service

Notification Service

UI Service

Monolithic App

Database

典型部署模式

1. 蓝绿部署

• 零停机更新：新版本准备好再切换
• 快速回滚：出问题立即切回老版本
• 资源成本：需要双倍资源

2. 滚动更新

• 逐步替换：一个个替换Pod
• 资源友好：不需要额外资源
• ⏱️ 更新时间较长：需要等待所有Pod更新完成

3. 金丝雀发布

• 小范围验证：先给少量用户使用新版本
• 风险控制：可以观察指标再决定是否全量发布
• 复杂度较高：需要额外的流量管理

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进阶之路

入门阶段（1-2个月）

• 理论基础：掌握容器、Pod、Service等基本概念
• ️ 实践环境：本地搭建minikube或kind
• 命令行工具：熟练使用kubectl
• YAML编写：会写基本的Deployment、Service配置

进阶阶段（3-6个月）

• ️ 架构设计：理解Control Plane和Worker Node的交互
• 监控告警：Prometheus + Grafana + AlertManager
• 安全管理：RBAC、NetworkPolicy、SecurityContext
• 包管理：Helm Chart的使用和开发

精通阶段（6个月以上）

• 平台建设：基于K8s构建PaaS平台
• 自定义资源：CRD + Operator开发
• 多集群管理：跨云、跨地域的集群联邦
• 性能优化：大规模集群的调优和治理

学习路径图

K8s 学习路径

技能树

K8s概念

容器基础

基础实践

网络存储

安全监控

平台建设

云原生生态

Docker

YAML

Linux

网络

存储

监控

安全

开发

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总结

K8s不仅仅是一个容器编排工具，它更像是一个"分布式操作系统"，为云原生应用提供了完整的运行时环境。通过声明式API和控制器模式，K8s让应用的部署、扩缩容、服务发现等复杂操作变得简单可靠。

K8s的核心价值

• 提高效率：自动化运维，减少人工干预
• 弹性伸缩：根据负载自动调整资源
• 故障恢复：自动重启、重新调度失败的Pod
• 多云支持：一套配置，到处运行

未来展望

随着云原生技术的发展，K8s正在向以下方向演进：

• AI/ML工作负载：支持GPU、TPU等AI芯片
• 零信任安全：更细粒度的安全控制
• 边缘计算：轻量化的K8s发行版
• Serverless：Knative、OpenFaaS等FaaS平台

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记住：K8s的学习曲线可能很陡峭，但一旦掌握，你就拥有了现代应用部署的"超能力"！‍♂️

从今天开始，让我们一起在K8s的世界里探索吧！

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