Kubernetes 简介

Kubernetes（简称 K8s）是一个开源的容器编排平台，用于自动化容器化应用的部署、扩缩容和管理。它最初由 Google 设计，现在由 Cloud Native Computing Foundation（CNCF）维护。

解决什么问题

在微服务架构下，应用程序被拆分为多个容器，这些容器需要被部署、调度、扩缩容和管理。Kubernetes 提供了：

• 自动化部署与回滚：无需手动干预即可完成应用的更新和回滚
• 服务发现与负载均衡：自动为容器分配 IP，提供 DNS 名称进行服务发现
• 存储编排：自动挂载存储系统（本地、NFS、云存储等）
• 自动扩缩容：根据 CPU 使用率或其他指标自动调整容器数量
• 自我修复：自动重启失败的容器，替换不健康的节点

与 Docker 的关系

层级	技术	职责
容器运行时	Docker、containerd、CRI-O	运行容器
容器编排	Kubernetes	调度、管理多个容器
云原生生态	Helm、Istio、Prometheus	应用打包、服务网格、监控

Docker 解决了单个容器的打包和运行问题，而 Kubernetes 解决了多个容器的协调问题。

核心概念

Pod

Pod 是 Kubernetes 中的最小调度单位，一个 Pod 可以包含一个或多个共享网络和存储的容器。

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: nginx-pod
  labels:
    app: nginx
spec:
  containers:
    - name: nginx
      image: nginx:latest
      ports:
        - containerPort: 80

ReplicaSet / Deployment

ReplicaSet 确保指定数量的 Pod 副本始终运行。Deployment 是更高级的资源，它管理 ReplicaSet 并支持声明式更新和回滚。

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

Service

Service 为一组 Pod 提供稳定的访问入口（IP 和 DNS），实现负载均衡和服务发现。

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

Service 类型：

类型	说明
ClusterIP	仅集群内部访问（默认）
NodePort	通过节点端口暴露服务
LoadBalancer	通过云厂商负载均衡器暴露
ExternalName	映射到外部 DNS 名称

Ingress

Ingress 提供 HTTP/HTTPS 路由规则，将外部请求转发到集群内的 Service。

apiVersion: networking.k8s.io/v1
kind: Ingress
metadata:
  name: my-app-ingress
  annotations:
    nginx.ingress.kubernetes.io/rewrite-target: /
spec:
  ingressClassName: nginx
  rules:
    - host: myapp.example.com
      http:
        paths:
          - path: /
            pathType: Prefix
            backend:
              service:
                name: my-app-service
                port:
                  number: 80

ConfigMap / Secret

ConfigMap 用于存储非敏感的配置数据，Secret 用于存储敏感信息（如密码、密钥）。

apiVersion: v1
kind: ConfigMap
metadata:
  name: app-config
data:
  DATABASE_HOST: "localhost"
  LOG_LEVEL: "info"

---
apiVersion: v1
kind: Secret
metadata:
  name: app-secret
type: Opaque
stringData:
  DATABASE_PASSWORD: "my-secret-password"
  API_KEY: "your-api-key"

在 Pod 中引用：

env:
  - name: DATABASE_HOST
    valueFrom:
      configMapKeyRef:
        name: app-config
        key: DATABASE_HOST
  - name: DATABASE_PASSWORD
    valueFrom:
      secretKeyRef:
        name: app-secret
        key: DATABASE_PASSWORD

Volume

Volume 提供持久化存储，支持多种类型：

apiVersion: v1
kind: PersistentVolumeClaim
metadata:
  name: my-pvc
spec:
  accessModes:
    - ReadWriteOnce
  resources:
    requests:
      storage: 1Gi

常见 Volume 类型：

类型	说明
emptyDir	临时存储，Pod 删除时清除
hostPath	挂载主机文件系统路径
persistentVolumeClaim	使用 PVC 挂载持久化存储
configMap / secret	挂载配置或密钥
nfs	挂载 NFS 网络存储

kubectl 常用命令

基础操作

# 获取资源信息
kubectl get pods                    # 查看所有 Pod
kubectl get services               # 查看所有 Service
kubectl get deployments             # 查看所有 Deployment
kubectl get all                    # 查看所有资源
kubectl get pods -o wide           # 查看详细信息

# 查看资源详情
kubectl describe pod nginx-pod     # 查看 Pod 详细信息
kubectl describe service nginx     # 查看 Service 详细信息

# 查看日志
kubectl logs nginx-pod              # 查看容器日志
kubectl logs -f nginx-pod          # 实时查看日志
kubectl logs --tail=100 nginx-pod  # 查看最后 100 行

# 执行命令
kubectl exec -it nginx-pod -- /bin/sh   # 进入容器 shell
kubectl exec nginx-pod -- ls /app       # 在容器中执行命令

# 删除资源
kubectl delete pod nginx-pod
kubectl delete deployment nginx
kubectl delete -f deployment.yaml        # 通过文件删除

部署与管理

# 应用配置
kubectl apply -f deployment.yaml        # 创建或更新资源
kubectl apply -f ./                      # 应用目录下所有 yaml 文件
kubectl rollout status deployment/nginx  # 查看部署状态

# 扩缩容
kubectl scale deployment nginx --replicas=5    # 扩容到 5 个副本
kubectl autoscale deployment nginx --min=2 --max=10 --cpu-percent=80  # 自动扩缩容

# 回滚
kubectl rollout history deployment/nginx      # 查看历史版本
kubectl rollout undo deployment/nginx         # 回滚到上一个版本
kubectl rollout undo deployment/nginx --to-revision=2  # 回滚到指定版本

# 调试
kubectl port-forward pod/nginx-pod 8080:80    # 端口转发
kubectl top pods                              # 查看资源使用
kubectl get events                             # 查看事件列表

集群信息

kubectl cluster-info               # 查看集群信息
kubectl get nodes                  # 查看所有节点
kubectl version                    # 查看客户端和服务端版本
kubectl config current-context     # 查看当前上下文
kubectl config use-context <name>  # 切换上下文

前端项目的 K8s 部署示例

假设有一个 Vue/React 前端项目，构建后打包为 Nginx 镜像。

Dockerfile

# 构建阶段
FROM node:20-alpine AS builder
WORKDIR /app
COPY package*.json ./
RUN npm ci
COPY . .
RUN npm run build

# 运行阶段
FROM nginx:alpine
COPY --from=builder /app/dist /usr/share/nginx/html
COPY nginx.conf /etc/nginx/conf.d/default.conf
EXPOSE 80
CMD ["nginx", "-g", "daemon off;"]

nginx.conf

server {
    listen 80;
    server_name localhost;
    root /usr/share/nginx/html;
    index index.html;

    location / {
        try_files $uri $uri/ /index.html;
    }

    location /api {
        proxy_pass http://backend-service:3000;
        proxy_set_header Host $host;
    }
}

Deployment 配置

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: frontend-app
  labels:
    app: frontend-app
spec:
  replicas: 2
  selector:
    matchLabels:
      app: frontend-app
  template:
    metadata:
      labels:
        app: frontend-app
    spec:
      containers:
        - name: frontend
          image: myregistry/frontend:latest
          ports:
            - containerPort: 80
          resources:
            requests:
              memory: "64Mi"
              cpu: "250m"
            limits:
              memory: "128Mi"
              cpu: "500m"
          livenessProbe:
            httpGet:
              path: /
              port: 80
            initialDelaySeconds: 10
            periodSeconds: 5
          readinessProbe:
            httpGet:
              path: /
              port: 80
            initialDelaySeconds: 5
            periodSeconds: 3

Service 配置

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

Ingress 配置

apiVersion: networking.k8s.io/v1
kind: Ingress
metadata:
  name: frontend-ingress
  annotations:
    nginx.ingress.kubernetes.io/ssl-redirect: "false"
    nginx.ingress.kubernetes.io/proxy-body-size: "50m"
spec:
  ingressClassName: nginx
  rules:
    - host: frontend.example.com
      http:
        paths:
          - path: /
            pathType: Prefix
            backend:
              service:
                name: frontend-service
                port:
                  number: 80

一键部署脚本

#!/bin/bash
kubectl apply -f frontend-deployment.yaml
kubectl apply -f frontend-service.yaml
kubectl apply -f frontend-ingress.yaml

echo "Waiting for deployment..."
kubectl rollout status deployment/frontend-app

echo "Deployment completed!"
kubectl get pods -l app=frontend-app

本地开发

Minikube

Minikube 是在本地运行单节点 Kubernetes 集群的工具，适合学习和测试。

# 安装
brew install minikube

# 启动集群
minikube start
minikube start --driver=hyperkit  # 使用 hyperkit 驱动
minikube start --memory=4096 --cpus=4  # 指定资源

# 常用命令
minikube status                   # 查看状态
minikube dashboard               # 打开 Kubernetes Dashboard
minikube ssh                      # 进入虚拟机
minikube stop                     # 停止集群
minikube delete                   # 删除集群

# 访问服务
minikube service frontend-service  # 在浏览器中打开服务

kind (Kubernetes IN Docker)

kind 使用 Docker 容器作为 Kubernetes 节点，启动快速，适合 CI/CD。

# 安装
brew install kind

# 创建集群
kind create cluster
kind create cluster --name my-cluster

# 加载镜像
kind load docker-image myregistry/frontend:latest

# 常用命令
kind get clusters
kind delete cluster --name my-cluster

k3d

k3d 使用轻量级的 k3s 发行版，在 Docker 中运行，适合快速创建多节点集群。

# 安装
brew install k3d

# 创建集群（单节点）
k3d cluster create mycluster

# 创建集群（多节点）
k3d cluster create mycluster --servers 1 --agents 3

# 常用命令
k3d cluster list
k3d cluster start mycluster
k3d cluster stop mycluster
k3d cluster delete mycluster

# 加载镜像
k3d image import myregistry/frontend:latest -c mycluster

本地开发工作流

# 1. 启动本地集群
k3d cluster create dev

# 2. 加载镜像
k3d image import myapp:latest -c dev

# 3. 部署应用
kubectl apply -f k8s/

# 4. 端口转发进行调试
kubectl port-forward svc/frontend-service 8080:80

# 5. 修改代码后重新构建和加载镜像
docker build -t myapp:latest . && k3d image import myapp:latest -c dev

# 6. 重启 Pod
kubectl rollout restart deployment/frontend-app

推荐学习路径

阶段一：基础入门

1. 了解容器化基础（Docker）
2. 理解 Kubernetes 核心概念（Pod、Deployment、Service）
3. 学会使用 kubectl 基本命令
4. 在本地集群（Minikube/kind/k3d）部署简单应用

阶段二：进阶学习

1. 深入理解 Ingress、ConfigMap、Secret、Volume
2. 学习 StatefulSet、DaemonSet 等高级资源
3. 掌握服务网络和 DNS 原理
4. 学习 Helm 包管理器

阶段三：生产实践

1. 学习 RBAC 权限控制
2. 了解 NetworkPolicy 网络策略
3. 掌握资源限制和配额管理
4. 学习 Prometheus + Grafana 监控
5. 了解 GitOps 理念（ArgoCD、Flux）

学习资源

资源	说明
Kubernetes 官方文档	官方中文文档
K8s 从入门到实战	实战教程
Kind 官方文档	本地集群搭建
Ingress-Nginx 文档	HTTP 路由配置
Kubernetes The Hard Way	深入理解原理

贡献者: Ra1n

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