一、Kubernetes 简介

Kubernetes（简称 K8s）是一个开源的容器编排平台，用于自动化部署、扩展和管理容器化应用程序。它旨在提供一个跨主机集群的容器调度、编排、高可用及自动化的平台，让开发者可以更专注于应用程序的开发，而无需过多关注底层基础设施的管理。

Kubernetes 具有强大的自愈能力、弹性伸缩、服务发现与负载均衡等特性，能够有效保障应用在复杂环境中的稳定运行。

图解 1：Kubernetes 作用示意

二、Kubernetes 核心组件

Kubernetes 集群由控制平面组件和节点组件组成，各组件协同工作以实现集群的各项功能。

（一）控制平面组件

• kube-apiserver：所有操作的统一入口，提供 RESTful API，是集群中各个组件之间通信的枢纽。

• etcd：集群数据的存储中心，保存着集群的所有状态信息。

• kube-scheduler：负责 Pod 的调度，根据预定的调度策略为 Pod 选择合适的节点。

• kube-controller-manager：运行各种控制器进程，如节点控制器、副本控制器等，确保集群的状态与期望状态一致。

• cloud-controller-manager：与云服务提供商集成，用于管理云服务相关的资源。

（二）节点组件

• kubelet：运行在每个节点上，确保容器按照 Pod 规范运行，负责与控制平面通信，汇报节点和容器的状态。

• kube-proxy：维护节点网络规则，实现 Pod 之间以及 Pod 与外部网络的通信。

• 容器运行时：负责运行容器，如 containerd、CRI-O 等，是 Kubernetes 与容器交互的接口。

图解 2：Kubernetes 核心组件架构

三、Kubernetes 安装方式

（一）使用 kubeadm 安装 Kubernetes 集群

前置条件

• 至少 2 台 Ubuntu/CentOS 服务器（1 台 master，1 台或多台 node）

• 每台服务器至少 2GB 内存，2 个 CPU

• 服务器之间可以相互通信

• 禁用 swap

• 安装容器运行时（如 containerd）

在所有节点上执行

        1. 禁用 swap：

sudo swapoff -a
# 永久禁用 swap（重启生效）
sudo sed -i '/swap/s/^/#/' /etc/fstab

        2. 安装 containerd：

sudo apt-get update && sudo apt-get install -y containerd
sudo mkdir -p /etc/containerd
containerd config default | sudo tee /etc/containerd/config.toml
sudo systemctl restart containerd

        3. 安装 kubeadm、kubelet 和 kubectl：

sudo apt-get update && sudo apt-get install -y apt-transport-https ca-certificates curl
sudo curl -fsSLo /usr/share/keyrings/kubernetes-archive-keyring.gpg https://packages.cloud.google.com/apt/doc/apt-key.gpg
echo "deb [signed-by=/usr/share/keyrings/kubernetes-archive-keyring.gpg] https://apt.kubernetes.io/ kubernetes-xenial main" | sudo tee /etc/apt/sources.list.d/kubernetes.list
sudo apt-get update
sudo apt-get install -y kubelet kubeadm kubectl
sudo apt-mark hold kubelet kubeadm kubectl

在 master 节点上执行

        1. 初始化集群：

sudo kubeadm init --pod-network-cidr=10.244.0.0/16

        2. 配置 kubectl

mkdir -p $HOME/.kube
sudo cp -i /etc/kubernetes/admin.conf $HOME/.kube/config
sudo chown $(id -u):$(id -g) $HOME/.kube/config

        3. 安装网络插件（这里使用 flannel）：

kubectl apply -f https://raw.githubusercontent.com/flannel-io/flannel/v0.17.0/Documentation/kube-flannel.yml

在 worker 节点上执行

使用 kubeadm init 输出的 kubeadm join 命令，例如：

sudo kubeadm join 192.168.1.100:6443 --token abcdef.0123456789abcdef \
  --discovery-token-ca-cert-hash sha256:1234567890abcdef1234567890abcdef1234567890abcdef1234567890abcdef

如果忘记了 join 命令，可以在 master 节点上执行：

kubeadm token create --print-join-command

图解 3：kubeadm 安装集群流程

（二）安装 Minikube（单节点测试环境）

        1. 安装 Minikube：

curl -LO https://storage.googleapis.com/minikube/releases/latest/minikube-linux-amd64
sudo install minikube-linux-amd64 /usr/local/bin/minikube

        2. 启动 Minikube：

minikube start

        3. 验证集群状态：

minikube status

图解 4：Minikube 安装流程

四、kubectl 常用命令

kubectl 是 Kubernetes 的命令行工具，用于与 Kubernetes 集群进行交互。

        1. 查看集群信息：

kubectl cluster-info

        2. 查看节点：

kubectl get nodes
kubectl get nodes -o wide

        3. 查看命名空间：

kubectl get namespaces

        4. 查看所有资源：

kubectl get all --all-namespaces

        5. 查看 Pod：

kubectl get pods
kubectl get pods -n <namespace>

        6. 查看 Deployment：

kubectl get deployments

        7. 查看 Service：

kubectl get services

        8. 查看日志：

kubectl logs <pod-name>
kubectl logs -f <pod-name>  # 实时查看日志

        9. 进入 Pod：

kubectl exec -it <pod-name> -- /bin/bash

        10. 描述资源：

kubectl describe pod <pod-name>
kubectl describe deployment <deployment-name>

        11. 创建资源：

kubectl create -f <yaml-file>

        12. 应用资源配置：

kubectl apply -f <yaml-file>

        13. 删除资源：

kubectl delete pod <pod-name>
kubectl delete -f <yaml-file>

图解 5：kubectl 命令分类

五、核心资源对象

（一）Pod

Pod 是 Kubernetes 最小的部署单元，包含一个或多个容器，这些容器共享网络和存储资源。

创建 pod.yaml：

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: my-pod
  labels:
    app: my-app
spec:
  containers:
  - name: my-container
    image: nginx:alpine
    ports:
    - containerPort: 80
    resources:
      requests:
        memory: "64Mi"
        cpu: "250m"
      limits:
        memory: "128Mi"
        cpu: "500m"

应用配置：

kubectl apply -f pod.yaml

图解 6：Pod 结构示意

（二）Deployment

Deployment 用于管理 Pod 的创建和扩展，确保指定数量的 Pod 副本运行，并支持滚动更新和回滚。

创建 deployment.yaml：

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: my-deployment
spec:
  replicas: 3
  selector:
    matchLabels:
      app: my-app
  template:
    metadata:
      labels:
        app: my-app
    spec:
      containers:
      - name: my-container
        image: nginx:alpine
        ports:
        - containerPort: 80

应用配置：

kubectl apply -f deployment.yaml

图解 7：Deployment 与 Pod 关系

（三）Service

Service 为 Pod 提供稳定的网络访问点，实现 Pod 之间的通信，即使 Pod 发生重建，Service 也能通过标签选择器找到新的 Pod。

创建 service.yaml：

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

应用配置：

kubectl apply -f service.yaml

图解 8：Service 工作原理

（四）ConfigMap 和 Secret

ConfigMap 用于存储非敏感的配置信息，Secret 用于存储敏感信息，如密码、密钥等。

创建 configmap.yaml：

apiVersion: v1
kind: ConfigMap
metadata:
  name: my-config
data:
  app.properties: |
    environment=production
    log_level=info
  max_connections: "100"

创建 secret.yaml：

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

应用配置：

kubectl apply -f configmap.yaml
kubectl apply -f secret.yaml

在 Pod 中使用：

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: app-pod
spec:
  containers:
  - name: app-container
    image: my-app-image
    env:
    - name: DB_USERNAME
      valueFrom:
        secretKeyRef:
          name: my-secret
          key: username
    - name: LOG_LEVEL
      valueFrom:
        configMapKeyRef:
          name: my-config
          key: log_level
    volumeMounts:
    - name: config-volume
      mountPath: /etc/config
  volumes:
  - name: config-volume
    configMap:
      name: my-config

图解 9：ConfigMap 和 Secret 在 Pod 中的使用

六、存储配置

（一）PersistentVolume 和 PersistentVolumeClaim

PersistentVolume（PV）是集群中的一块存储，由管理员配置；PersistentVolumeClaim（PVC）是用户对存储的请求，PVC 可以绑定到 PV 上，实现存储的动态分配。

创建 pv.yaml：

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

创建 pvc.yaml：

apiVersion: v1
kind: PersistentVolumeClaim
metadata:
  name: my-pvc
spec:
  accessModes:
    - ReadWriteOnce
  resources:
    requests:
      storage: 5Gi

在 Pod 中使用：

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: pv-pod
spec:
  containers:
  - name: pv-container
    image: nginx
    volumeMounts:
    - name: pv-storage
      mountPath: /data
  volumes:
  - name: pv-storage
    persistentVolumeClaim:
      claimName: my-pvc

图解 10：PV、PVC 与 Pod 关系

七、实际应用部署案例

部署一个完整的 Web 应用（前端 + 后端 + 数据库）：

        1. 创建 mysql-secret.yaml（存储 MySQL 密码）：

apiVersion: v1
kind: Secret
metadata:
  name: mysql-secret
type: Opaque
data:
  root-password: cGFzc3dvcmQxMjM=  # base64编码的"password123"

        2. 创建 mysql-pv.yaml：

apiVersion: v1
kind: PersistentVolume
metadata:
  name: mysql-pv
spec:
  capacity:
    storage: 20Gi
  accessModes:
    - ReadWriteOnce
  persistentVolumeReclaimPolicy: Retain
  hostPath:
    path: /data/mysql-pv

        3. 创建 mysql-pvc.yaml：

apiVersion: v1
kind: PersistentVolumeClaim
metadata:
  name: mysql-pvc
spec:
  accessModes:
    - ReadWriteOnce
  resources:
    requests:
      storage: 10Gi

        4. 创建 mysql-deployment.yaml：

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: mysql
spec:
  replicas: 1
  selector:
    matchLabels:
      app: mysql
  template:
    metadata:
      labels:
        app: mysql
    spec:
      containers:
      - name: mysql
        image: mysql:5.7
        env:
        - name: MYSQL_ROOT_PASSWORD
          valueFrom:
            secretKeyRef:
              name: mysql-secret
              key: root-password
        - name: MYSQL_DATABASE
          value: myappdb
        ports:
        - containerPort: 3306
        volumeMounts:
        - name: mysql-storage
          mountPath: /var/lib/mysql
      volumes:
      - name: mysql-storage
        persistentVolumeClaim:
          claimName: mysql-pvc
---
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: mysql-service
spec:
  selector:
    app: mysql
  ports:
  - port: 3306
    targetPort: 3306
  clusterIP: None  # Headless service

        5. 创建 backend-deployment.yaml：

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: backend
spec:
  replicas: 2
  selector:
    matchLabels:
      app: backend
  template:
    metadata:
      labels:
        app: backend
    spec:
      containers:
      - name: backend
        image: my-backend-image:latest
        env:
        - name: DB_HOST
          value: mysql-service
        - name: DB_USER
          value: root
        - name: DB_PASSWORD
          valueFrom:
            secretKeyRef:
              name: mysql-secret
              key: root-password
        ports:
        - containerPort: 8080
---
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: backend-service
spec:
  selector:
    app: backend
  ports:
  - port: 8080
    targetPort: 8080

        6. 创建 frontend-deployment.yaml：

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: frontend
spec:
  replicas: 2
  selector:
    matchLabels:
      app: frontend
  template:
    metadata:
      labels:
        app: frontend
    spec:
      containers:
      - name: frontend
        image: my-frontend-image:latest
        ports:
        - containerPort: 80
---
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: frontend-service
spec:
  selector:
    app: frontend
  ports:
  - port: 80
    targetPort: 80
  type: LoadBalancer

        7. 应用所有配置：

kubectl apply -f mysql-secret.yaml
kubectl apply -f mysql-pv.yaml
kubectl apply -f mysql-pvc.yaml
kubectl apply -f mysql-deployment.yaml
kubectl apply -f backend-deployment.yaml
kubectl apply -f frontend-deployment.yaml

图解 11：完整 Web 应用部署架构

图解 12：Kubernetes 多环境部署架构图

八、Kubernetes 常见问题及解决方法

（一）节点状态为 NotReady

• 问题现象：执行 kubectl get nodes 显示节点状态为 NotReady。

• 可能原因：网络插件未安装或运行异常、kubelet 服务未启动、节点资源不足。

• 解决方法：

• • 检查网络插件状态，如 flannel 插件：kubectl get pods -n kube-system | grep flannel。

• • 重启 kubelet 服务：sudo systemctl restart kubelet。

• • 检查节点资源使用情况，确保内存和 CPU 未耗尽。

（二）Pod 处于 Pending 状态

• 问题现象：Pod 长时间处于 Pending 状态，不调度到节点。

• 可能原因：节点资源不足、节点亲和性设置不当、没有满足条件的节点。

• 解决方法：

• • 查看 Pod 事件：kubectl describe pod <pod-name> 寻找具体原因。

• • 检查节点资源是否充足：kubectl top nodes。

• • 调整 Pod 的资源请求或节点亲和性配置。

（三）Service 无法访问 Pod

• 问题现象：通过 Service 无法访问后端 Pod。

• 可能原因：Service 选择器与 Pod 标签不匹配、Pod 未就绪、网络策略限制。

• 解决方法：

• • 检查 Service 选择器和 Pod 标签是否一致：kubectl get service <service-name> -o yaml 和 kubectl get pods --show-labels。

• • 查看 Pod 状态是否为 Running 且就绪：kubectl get pods。

• • 检查是否有网络策略阻止访问：kubectl get networkpolicy。

九、总结

Kubernetes 作为容器编排领域的主流工具，为大规模容器化应用的管理提供了强大的支持。本文详细介绍了 Kubernetes 的核心组件、安装方式、kubectl 命令、核心资源对象、存储配置、实际应用部署案例以及常见问题解决方法，并通过 Mermaid 图解直观展示了相关概念和架构。

掌握 Kubernetes 需要不断实践，在实际使用中深入理解其设计理念和工作原理，才能更好地应对复杂的容器管理场景，充分发挥其自动化、高可用、可扩展的优势，为应用的稳定运行提供有力保障。