一、K8S 基本概念

1.1 什么是 Kubernetes（K8S）？

Kubernetes（通常缩写为 K8S）是一个开源的容器编排平台，旨在自动化容器化应用程序的部署、扩展和管理。K8S 提供了高可用性、弹性扩展以及简化的运维操作，使开发和运维团队能够快速交付应用。

1.2 K8S 的核心组件

K8S 由多个核心组件组成，每个组件都有其独特的功能：

• API Server：K8S 的前端接口，所有的 K8S 操作（如创建、更新、删除资源）都通过 API Server 进行。它负责处理 REST 请求，并将请求转发到相应的组件。
• etcd：一个高可用的分布式键值存储，用于存储集群的所有配置信息和状态数据。etcd 是 K8S 的数据持久化存储，确保集群状态的一致性。
• Controller Manager：负责管理集群的控制循环，包括处理节点状态、Pod 状态等。每个控制器负责监控特定资源的状态并采取行动。
• Scheduler：负责将新的 Pod 分配到合适的节点上，基于资源需求、硬件约束和其他约定来做出调度决策。
• Kubelet：运行在每个节点上的代理，负责维护节点的状态和管理 Pod 的生命周期。Kubelet 根据 API Server 的指示来启动和停止容器。
• Kube-Proxy：处理集群内部的网络通信，提供负载均衡功能，确保流量能够正确路由到运行的 Pods。

二、K8S 资源对象

2.1 Pod 的概念

Pod 是 K8S 的基本调度单位，表示一个或多个容器的集合。Pod 内的容器共享网络和存储，因此它们能够高效地通信和协作。每个 Pod 有一个独立的 IP 地址，所有容器共享同一个网络命名空间。

2.1.1 Pod 的生命周期

Pod 的生命周期包括以下几个阶段：

• Pending：Pod 被创建但尚未调度到节点上。
• Running：Pod 已被调度并且至少一个容器正在运行。
• Succeeded：Pod 中的所有容器均已成功完成。
• Failed：Pod 中的容器已终止，并且未能成功运行。
• Unknown：Pod 的状态无法确定，通常是由于网络问题。

2.2 Deployment、StatefulSet 和 DaemonSet 的区别与使用场景

• Deployment：用于管理无状态应用的部署，支持滚动更新和回滚等功能。适合处理短暂性和可替代的服务。
• StatefulSet：用于管理有状态应用，确保 Pods 的顺序和持久性。每个 Pod 具有唯一的身份和稳定的存储。适用于数据库等需要持久性存储的应用。
• DaemonSet：确保所有（或某些）节点上运行特定的 Pod，如日志收集或监控服务。适用于需要在每个节点上运行的守护进程。

2.3 Service 的类型和作用

K8S 中的 Service 提供了稳定的访问方式，用于在 Pod 之间进行通信。常见的 Service 类型包括：

• ClusterIP：默认类型，提供集群内部的访问，其他 Pod 通过服务名称访问。
• NodePort：在每个节点上开放一个特定端口，将流量转发到 ClusterIP 服务。适合于外部访问。
• LoadBalancer：集成云服务提供商的负载均衡器，自动分配一个外部 IP，用于访问服务。

三、K8S 存储

3.1 K8S 中的存储卷（Volume）类型

K8S 支持多种类型的存储卷，常见的包括：

• EmptyDir：当 Pod 被分配到节点时创建的空目录，存储在节点本地。适合临时数据存储。
• HostPath：将主机文件系统中的目录挂载到 Pod 中，适合需要访问节点文件系统的应用。
• PersistentVolumeClaim（PVC）：请求存储资源的对象，动态绑定到 Persistent Volume（PV）。

3.2 Persistent Volume（PV）和 Persistent Volume Claim（PVC）的关系和工作原理

PV 是集群中的存储资源，而 PVC 是用户对存储资源的请求。创建 PVC 时，K8S 会根据 PVC 的需求自动选择一个适合的 PV。PV 和 PVC 的创建可以通过 YAML 文件进行管理。

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

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

四、K8S 网络

4.1 K8S 网络模型的基本原理

K8S 的网络模型保证每个 Pod 都有唯一的 IP 地址，并且 Pod 之间能够直接通信，而无需 NAT。这种模型简化了网络配置和服务发现。

4.2 CNI（容器网络接口）插件的了解

CNI 插件为 K8S 提供网络功能，常见的插件包括：

• Flannel：实现了简单的覆盖网络，适合小型集群。
• Calico：提供更复杂的网络策略和安全控制，适合大规模集群。

五、K8S 运维与监控

5.1 如何对 K8S 集群进行监控

在 K8S 集群中，监控是确保应用性能和系统稳定性的重要手段。常见的监控工具包括 Prometheus 和 Grafana，它们结合使用能够提供全面的监控解决方案。

5.1.1 Prometheus

Prometheus 是一个开源监控系统和时间序列数据库，专门用于收集和存储指标数据。它通过 HTTP 协议拉取（pull）目标的指标数据，非常适合容器化环境。

安装 Prometheus

1. 使用 K8S 部署 Prometheus Operator，这是管理 Prometheus 实例的推荐方式。可以通过以下命令快速安装：

   kubectl apply -f https://github.com/prometheus-operator/prometheus-operator/raw/master/bundle.yaml
   

2. 部署 Prometheus 实例，创建一个 Prometheus CRD（Custom Resource Definition）：

   apiVersion: monitoring.coreos.com/v1
   kind: Prometheus
   metadata:
     name: my-prometheus
     labels:
       app: prometheus
   spec:
     serviceAccountName: prometheus
     replicas: 1
     resources:
       requests:
         memory: 400Mi
     storage:
       volumes:
         - name: prometheus-storage
           emptyDir: {}
       volumeClaimTemplate:
         spec:
           accessModes: ["ReadWriteOnce"]
           resources:
             requests:
               storage: 10Gi
   

3. 使用 kubectl apply -f 部署 Prometheus。

配置监控指标

1. 配置 Prometheus 监控目标，通过创建 ServiceMonitor 对象来指定需要监控的服务：

   apiVersion: monitoring.coreos.com/v1
   kind: ServiceMonitor
   metadata:
     name: my-service-monitor
     labels:
       app: my-app
   spec:
     selector:
       matchLabels:
         app: my-app
     endpoints:
       - port: http
         interval: 30s
   

2. 在 Prometheus 的配置中添加此 ServiceMonitor，Prometheus 将会自动发现并开始收集这些服务的指标。

5.1.2 Grafana

Grafana 是一个开源的可视化工具，能够从多个数据源（包括 Prometheus）中提取数据并展示在仪表板上。

安装 Grafana

1. 使用 Helm 来安装 Grafana，首先确保 Helm 已经安装并配置好：

   helm repo add grafana https://grafana.github.io/helm-charts
   helm repo update
   helm install my-grafana grafana/grafana
   

2. 安装完成后，可以通过以下命令获取 Grafana 的服务 URL：

   kubectl get svc --namespace default -w my-grafana
   

配置 Grafana 连接 Prometheus

1. 登录 Grafana（默认用户名和密码均为 admin），然后在 Grafana 界面中添加数据源。
2. 选择 Prometheus 作为数据源，并配置 URL 为 http://:9090。
3. 通过创建仪表板，选择监控指标并进行可视化。

5.2 如何进行 K8S 集群的升级和回滚

在升级 K8S 集群时，确保兼容性和集群状态是至关重要的。以下是进行 K8S 升级和回滚的常见步骤。

5.2.1 升级 K8S 集群

1. 备份集群状态： 在升级之前，使用 kubectl 或其他工具备份关键数据，特别是 etcd 数据库。

   ETCDCTL_API=3 etcdctl snapshot save <snapshot-file>
   

2. 使用 kubeadm 进行升级： 运行以下命令来检查可用的升级版本：

   kubeadm upgrade plan
   

   根据输出的信息，选择合适的版本进行升级：

   kubeadm upgrade apply v1.x.x
   

3. 节点升级后，验证功能： 升级完成后，确保所有节点和 Pods 正常运行。使用以下命令检查节点状态：

   kubectl get nodes
   

5.2.2 回滚操作

如果升级后发现问题，可以通过以下方式回滚：

1. 使用之前备份的 etcd 数据恢复集群状态：

   ETCDCTL_API=3 etcdctl snapshot restore <snapshot-file>
   

2. 确保所有组件使用正确的版本，并重启相关的 Pods 和服务。

3. 再次验证集群状态，确保应用和服务恢复正常。

通过以上步骤，您可以有效地管理 K8S 集群的监控和维护。监控可以确保系统的健康状态，而升级和回滚则是保障系统持续可用的重要手段。