(超全)Kubernetes 的核心组件解析

引言

         在现代软件开发和运维的世界中,容器化技术已经成为一种标志性的解决方案,它为应用的构建、部署和管理提供了前所未有的灵活性和效率。然而,随着应用规模的扩大和复杂性的增加,单纯依靠容器本身来管理这些应用和服务已不再足够。这时,容器编排平台的出现就显得尤为重要。

         Kubernetes,作为最领先的容器编排系统,已经成为企业和开发者在管理容器化应用时的首选工具。它不仅提供了全面的容器管理功能,还支持自动化部署、弹性扩展、故障恢复和服务发现等关键特性。无论是在云环境还是本地数据中心,Kubernetes 都能有效地管理大规模的容器集群,提升系统的稳定性和可靠性。

        在本文中,我们将深入探讨 Kubernetes 的核心组件及其功能。这些组件共同构成了一个功能强大的容器编排平台,使得应用的管理变得更加高效和智能。我们将逐一介绍控制平面组件、节点组件以及各种插件,帮助读者全面理解 Kubernetes 的内部机制和运作方式。通过对这些组件的详细了解,您将能够更好地利用 Kubernetes 的强大功能,优化容器化应用的部署和运维流程。

        Kubernetes 集群的核心组件是其控制平面和节点组件。这些组件协同工作,确保集群的正常运行和高效管理。下面将详细介绍这些核心组件及其功能。(图片来自K8s官方)

控制平面组件(Control Plane Components)

        控制平面组件负责对集群进行全局管理,包括资源的调度、状态监控和事件处理。它们通常运行在集群的管理节点上,并确保集群的健康和稳定。

kube-apiserver

        kube-apiserver 是 Kubernetes 的核心组件之一,作为所有 REST 操作的前端。它处理所有的 API 请求并更新 etcd 存储的数据。通过 kube-apiserver,用户可以与 Kubernetes 集群进行交互,包括部署应用程序、查询集群状态和管理资源等。API 服务器的设计支持水平扩展,即可以通过部署多个实例来提高性能和容错能力。

etcd

       etcd 是一个高可用的键值存储,用于保存 Kubernetes 的所有集群数据。它是 Kubernetes 的后台数据库,存储了集群的状态信息、配置数据和元数据。etcd 提供了一致性和高可用性,确保集群数据的持久性和可靠性。由于 etcd 存储了关键的数据,因此备份等数据保护措施非常重要。

kube-scheduler

       kube-scheduler 负责为新创建的 Pods 选择合适的节点进行运行。它根据资源需求、调度策略和集群状态等因素,决定 Pods 的分配。调度器会考虑节点的资源使用情况、Pod 的亲和性和反亲和性、数据位置等条件,以优化资源的使用和满足应用的要求。

kube-controller-manager

       kube-controller-manager 运行控制器进程,负责管理集群的状态。每个控制器都负责特定的任务,如节点状态监控、Pod 的创建和管理、服务的维护等。虽然每个控制器在逻辑上是独立的,但它们被编译到一个单独的可执行文件中,以简化管理和维护。主要控制器包括:

  • 节点控制器(Node Controller):负责处理节点故障的通知和响应。
  • 任务控制器(Job Controller):管理一次性任务的执行,确保 Job 对象下的 Pods 被正确创建和运行。
  • 端点分片控制器(EndpointSlice Controller):管理 Service 和 Pod 之间的链接。
  • 服务账号控制器(ServiceAccount Controller):为新的命名空间创建默认服务账号。
cloud-controller-manager

       cloud-controller-manager 负责与云提供商的 API 进行交互。它将集群的管理与云平台的特定操作分离开来,允许 Kubernetes 集群与云环境集成。主要控制器包括:

  • 节点控制器(Node Controller):用于检测和处理云环境中节点的终止和删除。
  • 路由控制器(Route Controller):配置云基础设施中的路由。
  • 服务控制器(Service Controller):管理云提供商的负载均衡器的创建、更新和删除。

节点组件(Node Components)

节点组件运行在每个集群节点上,负责容器的实际执行和管理。

kubelet

       kubelet 是每个节点上的核心组件,负责确保容器在 Pod 中运行并保持健康。它从 API 服务器获取 PodSpec,并确保容器按照这些规格运行。kubelet 监控容器的状态,并向 API 服务器报告节点的状态。kubelet 不管理非 Kubernetes 创建的容器。

kube-proxy

       kube-proxy 是集群中的网络代理,负责实现 Kubernetes 服务的网络功能。它维护节点上的网络规则,支持服务的负载均衡和网络转发。kube-proxy 可以利用操作系统的数据包过滤层,也可以通过流量转发实现网络规则,确保 Pod 之间的网络通信顺畅。

容器运行时(Container Runtime)

       容器运行时 是 Kubernetes 运行容器的基础组件,管理容器的执行和生命周期。支持的容器运行时包括 containerd、CRI-O 和 Kubernetes CRI 的其他实现。容器运行时负责启动和停止容器,并处理容器的资源管理和监控。

插件(Addons)

       插件是扩展 Kubernetes 集群功能的组件,通常运行在 kube-system 命名空间中。它们提供额外的功能和服务,使集群更加全面和灵活。

DNS

       集群 DNS 是几乎所有 Kubernetes 集群都需要的插件。它为 Kubernetes 服务提供 DNS 记录,使得服务可以通过 DNS 名称进行访问。容器启动时会自动将集群 DNS 服务器包含在其 DNS 搜索列表中,简化了服务的发现和访问。

Web 界面(仪表盘)

       Kubernetes Dashboard 是一个基于 Web 的用户界面,允许用户管理集群和应用程序,并进行故障排除。Dashboard 提供了集群状态的可视化展示,简化了集群的管理操作。

容器资源监控

       容器资源监控 插件将容器的时间序列度量值保存到集中数据库中,并提供数据浏览界面。它帮助用户监控容器的性能和资源使用情况,便于进行优化和故障排查。

集群层面日志

       集群层面日志 插件负责将容器的日志数据集中存储,提供搜索和浏览接口。通过集中日志存储,用户可以轻松查看和分析日志,支持故障排除和系统监控。

网络插件

       网络插件 实现容器网络接口(CNI)规范,负责为 Pod 分配 IP 地址并实现 Pod 之间的网络通信。网络插件确保集群内的网络功能正常运行,为应用提供稳定的网络支持。

总结

       Kubernetes 集群的组件包括控制平面组件、节点组件和插件。这些组件协同工作,确保集群的高效运行和稳定管理。控制平面组件负责全局管理和调度,节点组件负责容器的实际执行,插件则扩展了集群的功能。通过了解和管理这些组件,可以充分发挥 Kubernetes 的优势,提升应用的可用性、稳定性和扩展性。

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