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Kubernetes容器管理实战：从入门到企业级应用

Kubernetes已经成为容器编排领域的事实标准，为现代应用提供了强大的部署、扩缩容和管理能力。本文将带您深入了解Kubernetes的核心概念和企业级应用实践。

Kubernetes概述

Kubernetes（简称K8s）是一个开源的容器编排平台，由Google开发并捐献给CNCF基金会。它提供了容器化应用的自动化部署、扩缩容和管理功能。

核心价值

自动化部署：自动化容器的部署和更新流程
弹性扩缩容：根据负载自动调整应用实例数量
自我修复：自动重启失败的容器，替换不健康的节点
服务发现：内置的负载均衡和服务发现机制
存储编排：自动挂载存储系统
密钥管理：安全地管理敏感信息

核心架构组件

控制平面（Control Plane）

API Server

集群的API网关和前端接口
处理所有REST操作
身份验证和授权
数据验证和序列化

etcd

分布式键值存储
保存集群的所有配置数据
服务发现和配置共享
强一致性保证

Controller Manager

运行控制器进程
节点控制器、复制控制器
端点控制器、服务账户控制器
监控集群状态并执行修复操作

Scheduler

Pod调度器
根据资源需求选择合适的节点
考虑约束条件和亲和性规则
负载均衡和资源优化

工作节点（Worker Nodes）

kubelet

节点代理
与API Server通信
管理Pod生命周期
容器健康检查

kube-proxy

网络代理
实现服务的负载均衡
维护网络规则
处理集群内外的网络通信

Container Runtime

容器运行时
Docker、containerd、CRI-O
拉取镜像和运行容器
容器生命周期管理

核心资源对象

Pod

Pod是Kubernetes中最小的部署单元：

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: nginx-pod
spec:
  containers:
  - name: nginx
    image: nginx:1.20
    ports:
    - containerPort: 80

特点：

一个或多个紧密耦合的容器
共享网络和存储
原子性的部署和调度单位

Deployment

声明式的应用部署和更新：

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:1.20
        ports:
        - containerPort: 80

功能：

滚动更新和回滚
副本数量管理
应用版本控制

Service

服务发现和负载均衡：

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

类型：

ClusterIP：集群内部访问
NodePort：节点端口暴露
LoadBalancer：外部负载均衡器
ExternalName：DNS CNAME记录

ConfigMap和Secret

配置和密钥管理：

# ConfigMap
apiVersion: v1
kind: ConfigMap
metadata:
  name: app-config
data:
  database_url: "mysql://db:3306/app"
  debug: "true"

---
# Secret
apiVersion: v1
kind: Secret
metadata:
  name: app-secret
type: Opaque
data:
  username: YWRtaW4=  # base64编码
  password: cGFzc3dvcmQ=

存储管理

持久卷（PV）和持久卷声明（PVC）

# PersistentVolume
apiVersion: v1
kind: PersistentVolume
metadata:
  name: pv-storage
spec:
  capacity:
    storage: 10Gi
  accessModes:
    - ReadWriteOnce
  persistentVolumeReclaimPolicy: Retain
  storageClassName: fast-ssd
  hostPath:
    path: /data

---
# PersistentVolumeClaim
apiVersion: v1
kind: PersistentVolumeClaim
metadata:
  name: pvc-storage
spec:
  accessModes:
    - ReadWriteOnce
  resources:
    requests:
      storage: 5Gi
  storageClassName: fast-ssd

存储类（StorageClass）

动态存储供应：

apiVersion: storage.k8s.io/v1
kind: StorageClass
metadata:
  name: fast-ssd
provisioner: kubernetes.io/aws-ebs
parameters:
  type: gp2
  zones: us-west-2a, us-west-2b

网络管理

网络模型

Kubernetes采用扁平网络模型：

每个Pod都有唯一的IP地址
Pod之间可以直接通信
不需要NAT转换
支持跨节点通信

网络插件（CNI）

常用的CNI插件：

Calico：性能优秀，支持网络策略
Flannel：简单易用，适合小型集群
Weave：加密通信，适合安全要求高的环境
Cilium：基于eBPF，性能和安全性俱佳

Ingress

HTTP/HTTPS流量路由：

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

安全管理

RBAC（基于角色的访问控制）

# Role
apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1
kind: Role
metadata:
  name: pod-reader
rules:
- apiGroups: [""]
  resources: ["pods"]
  verbs: ["get", "watch", "list"]

---
# RoleBinding
apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1
kind: RoleBinding
metadata:
  name: read-pods
subjects:
- kind: User
  name: jane
  apiGroup: rbac.authorization.k8s.io
roleRef:
  kind: Role
  name: pod-reader
  apiGroup: rbac.authorization.k8s.io

网络策略

控制Pod间的网络通信：

apiVersion: networking.k8s.io/v1
kind: NetworkPolicy
metadata:
  name: deny-all
spec:
  podSelector: {}
  policyTypes:
  - Ingress
  - Egress

Pod安全标准

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: secure-pod
spec:
  securityContext:
    runAsNonRoot: true
    runAsUser: 1000
    fsGroup: 2000
  containers:
  - name: app
    image: nginx
    securityContext:
      allowPrivilegeEscalation: false
      readOnlyRootFilesystem: true
      capabilities:
        drop:
        - ALL

应用部署策略

滚动更新

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: app-deployment
spec:
  strategy:
    type: RollingUpdate
    rollingUpdate:
      maxUnavailable: 1
      maxSurge: 1
  replicas: 5
  template:
    spec:
      containers:
      - name: app
        image: app:v2.0

蓝绿部署

通过Service切换实现零停机部署：

# 部署绿色版本
kubectl apply -f green-deployment.yaml

# 验证绿色版本
kubectl get pods -l version=green

# 切换流量到绿色版本
kubectl patch service app-service -p '{"spec":{"selector":{"version":"green"}}}'

# 清理蓝色版本
kubectl delete deployment blue-deployment

金丝雀发布

# 主版本（90%流量）
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: app-stable
spec:
  replicas: 9
  template:
    metadata:
      labels:
        app: myapp
        version: stable

---
# 金丝雀版本（10%流量）
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: app-canary
spec:
  replicas: 1
  template:
    metadata:
      labels:
        app: myapp
        version: canary

监控和日志

监控体系

Prometheus监控栈

# ServiceMonitor
apiVersion: monitoring.coreos.com/v1
kind: ServiceMonitor
metadata:
  name: app-monitor
spec:
  selector:
    matchLabels:
      app: myapp
  endpoints:
  - port: metrics
    interval: 30s
    path: /metrics

关键指标

集群级别：节点资源使用率、API Server延迟
节点级别：CPU、内存、磁盘、网络使用率
Pod级别：容器资源使用、重启次数
应用级别：请求量、响应时间、错误率

日志管理

ELK/EFK栈

# Fluentd DaemonSet
apiVersion: apps/v1
kind: DaemonSet
metadata:
  name: fluentd
spec:
  selector:
    matchLabels:
      name: fluentd
  template:
    spec:
      containers:
      - name: fluentd
        image: fluent/fluentd-kubernetes-daemonset:v1-debian-elasticsearch
        env:
        - name: FLUENT_ELASTICSEARCH_HOST
          value: "elasticsearch.logging.svc.cluster.local"

日志最佳实践

结构化日志格式（JSON）
统一日志等级
包含关键上下文信息
避免敏感信息泄露

运维最佳实践

资源管理

资源请求和限制

resources:
  requests:
    memory: "64Mi"
    cpu: "250m"
  limits:
    memory: "128Mi"
    cpu: "500m"

水平Pod自动扩缩容（HPA）

apiVersion: autoscaling/v2
kind: HorizontalPodAutoscaler
metadata:
  name: app-hpa
spec:
  scaleTargetRef:
    apiVersion: apps/v1
    kind: Deployment
    name: app-deployment
  minReplicas: 2
  maxReplicas: 10
  metrics:
  - type: Resource
    resource:
      name: cpu
      target:
        type: Utilization
        averageUtilization: 70

健康检查

livenessProbe:
  httpGet:
    path: /health
    port: 8080
  initialDelaySeconds: 30
  periodSeconds: 10

readinessProbe:
  httpGet:
    path: /ready
    port: 8080
  initialDelaySeconds: 5
  periodSeconds: 5

优雅关闭

lifecycle:
  preStop:
    exec:
      command: ["/bin/sh", "-c", "sleep 15"]

故障排查

常用调试命令

# 查看Pod状态
kubectl get pods -o wide

# 查看Pod详细信息
kubectl describe pod <pod-name>

# 查看Pod日志
kubectl logs <pod-name> -f

# 进入Pod容器
kubectl exec -it <pod-name> -- /bin/bash

# 查看事件
kubectl get events --sort-by=.metadata.creationTimestamp

# 查看资源使用情况
kubectl top nodes
kubectl top pods

常见问题和解决方案

Pod一直处于Pending状态

可能原因：

资源不足
节点选择器不匹配
存储卷不可用

解决方法：

kubectl describe pod <pod-name>
kubectl get nodes
kubectl get pv,pvc

Pod频繁重启