Kubernetes（K8s）全面解析

Kubernetes 已经成为了云原生时代的"操作系统"。就像 Windows/Linux 管理计算机硬件资源一样，K8s 管理着数据中心的服务器资源，为上层应用提供运行环境。虽然上手有一定门槛，但一旦掌握，它将极大地提升你的应用部署和管理效率。无论你是开发、运维还是架构师，理解 Kubernetes 都将是职业生涯中一笔宝贵的财富。

Reapernino

933人浏览 · 2026-02-25 19:35:17

Reapernino · 2026-02-25 19:35:17 发布

一、Kubernetes 是什么？

Kubernetes 是一个开源的容器编排平台，它的名字源于希腊语，意为"舵手"或"驾驶员"。K8s 这个缩写是因为 K 和 s 之间有 8 个字母。

简单来说，Kubernetes 就是管理容器的容器。如果你用过 Docker，那你就知道容器可以把应用及其依赖打包在一起，实现"一次构建，到处运行"。而 Kubernetes 则是在此之上，帮你管理这些容器的：

生命周期：容器死了自动重启
调度：把容器放到合适的机器上运行
伸缩：流量大了自动多开几个容器
网络：让容器之间可以互相发现和通信
存储：为容器挂载持久化存储

二、为什么需要 Kubernetes？

容器化之后的新问题

假设你有一个电商应用，由用户服务、商品服务、订单服务、支付服务等十几个微服务组成，每个服务都打包成了 Docker 镜像并运行在容器中。

当你只有几个容器时，手动管理还行。但当你有成百上千个容器时，问题就来了：

容器挂了怎么办？ 人工盯着然后手动重启？
流量突增怎么办？ 半夜爬起来手动扩容？
新版本发布怎么搞？ 逐个容器替换，还要保证服务不中断？
服务之间怎么找到对方？ IP 是动态变化的，写死在配置里肯定不行？
资源怎么分配？ 哪个容器该跑在哪台机器上才能最合理利用资源？

这些问题，就是 Kubernetes 要解决的。

Kubernetes 带来的价值

问题	Kubernetes 的解决方案
容器宕机	自动重启，保证期望副本数
流量高峰	自动水平伸缩（HPA）
版本发布	滚动更新，一键回滚
服务发现	内置 DNS，Service 抽象
资源利用	智能调度，提高集群利用率

三、Kubernetes 的核心概念

3.1 架构概览

一个 K8s 集群由两部分组成：

text

┌─────────────────────────────────────┐
│         控制平面 (Control Plane)      │
│  ┌─────────┐ ┌─────────┐ ┌─────────┐ │
│  │API Server││Scheduler││Controller│ │
│  │         ││         ││ Manager  │ │
│  └─────────┘ └─────────┘ └─────────┘ │
│  ┌─────────────────────────────────┐ │
│  │              etcd                │ │
│  └─────────────────────────────────┘ │
└─────────────────────────────────────┘
                  │
    ┌─────────────┼─────────────┐
    ▼             ▼             ▼
┌─────────┐  ┌─────────┐  ┌─────────┐
│  Node 1 │  │  Node 2 │  │  Node 3 │
│kubelet  │  │kubelet  │  │kubelet  │
│kube-proxy│  │kube-proxy│  │kube-proxy│
│Pod  Pod │  │Pod  Pod │  │Pod  Pod │
└─────────┘  └─────────┘  └─────────┘

控制平面：集群的大脑，做出全局决策
工作节点：运行实际容器的地方

3.2 核心资源对象

Pod（豆荚）

Pod 是 K8s 中最小的部署单元，里面可以包含一个或多个容器。这些容器共享网络命名空间和存储卷，通常用于紧密耦合的服务（比如一个应用容器加一个日志采集容器）。

yaml

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

Deployment（部署）

Deployment 是最常用的工作负载资源，它定义了 Pod 的期望状态（比如副本数、镜像版本等），然后由控制器来确保实际状态与期望状态一致。

yaml

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:1.19
        ports:
        - containerPort: 80

Service（服务）

Service 为一组 Pod 提供稳定的访问入口。因为 Pod 是动态创建和销毁的，IP 会变化，Service 通过标签选择器找到目标 Pod，并提供负载均衡。

yaml

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: nginx-service
spec:
  selector:
    app: nginx
  ports:
  - port: 80
    targetPort: 80
  type: ClusterIP  # 其他类型：NodePort, LoadBalancer

ConfigMap 和 Secret

用于将配置信息与容器镜像解耦：

ConfigMap：存储非机密配置（如配置文件、环境变量）
Secret：存储敏感信息（如密码、密钥），用 Base64 编码并支持加密

yaml

apiVersion: v1
kind: ConfigMap
metadata:
  name: app-config
data:
  database.url: "mysql://db-service:3306"
  log.level: "INFO"

Ingress（入口）

Ingress 管理外部访问集群服务的规则，可以理解为"7层负载均衡器"，支持基于域名、路径的路由，以及 SSL 终止等功能。

yaml

apiVersion: networking.k8s.io/v1
kind: Ingress
metadata:
  name: example-ingress
spec:
  rules:
  - host: myapp.example.com
    http:
      paths:
      - path: /api
        pathType: Prefix
        backend:
          service:
            name: api-service
            port:
              number: 80

四、Kubernetes 的工作原理

声明式 API

Kubernetes 最核心的设计哲学是声明式 API。你只需要告诉 K8s"我想要什么"，而不需要告诉它"怎么做"。

比如：

命令式："帮我启动 3 个 Nginx 容器，如果挂了一个就再启动一个"
声明式："我想要的最终状态是有 3 个 Nginx 容器在运行"

K8s 会自己想办法达成这个状态。如果容器挂了，它会重启；如果节点宕机了，它会在其他节点上重建。

控制循环

每个控制器都遵循一个简单的逻辑循环：

text

观察当前状态 → 对比期望状态 → 执行操作 → 再次观察

这个循环永不停止，确保系统始终朝着期望状态收敛。

五、Kubernetes 的典型应用场景

1. 微服务架构

Kubernetes 天生适合微服务。每个微服务可以独立部署为一个 Deployment，通过 Service 进行服务发现，通过 Ingress 对外暴露 API 网关。

2. CI/CD 流水线

K8s 是 DevOps 的绝佳平台。Jenkins、GitLab CI、ArgoCD 等工具可以无缝集成，实现代码提交后自动构建镜像、自动部署到测试环境、自动运行测试、自动发布到生产环境。

3. 批处理与大数据

通过 Job 和 CronJob 资源，K8s 可以很好地支持批处理任务、定时任务，以及 Spark、Flink 等大数据计算框架。

4. AI/机器学习

K8s 正在成为 AI 平台的标准底座。它可以调度 GPU 资源，通过 Kubeflow 等项目提供完整的 ML 工作流支持。

5. 混合云/多云管理

K8s 的抽象层使得应用可以无缝地在公有云、私有云、边缘节点之间迁移，避免厂商锁定。

六、Kubernetes 的生态系统

K8s 之所以强大，很大程度上得益于其庞大的生态系统：

类别	典型项目
服务网格	Istio, Linkerd
监控	Prometheus, Grafana
日志	EFK (Elasticsearch, Fluentd, Kibana), Loki
存储	Rook (Ceph), Longhorn
CI/CD	Jenkins X, ArgoCD, Tekton
包管理	Helm
安全	Falco, OPA/Gatekeeper
边缘计算	KubeEdge, K3s

七、学习 Kubernetes 的路径建议

如果你刚开始接触 K8s，可以参考这个学习路径：

第一阶段（入门）
- 用 Minikube 或 Kind 在本地搭建环境
- 学习 kubectl 常用命令
- 部署第一个 Nginx，理解 Pod、Deployment、Service
第二阶段（掌握核心概念）
- 深入理解 Pod 的生命周期
- 学习 ConfigMap、Secret、Volume
- 掌握 Deployment 的滚动更新和回滚
- 了解不同的 Service 类型
第三阶段（进阶）
- 学习 StatefulSet（有状态应用）
- 掌握 Ingress 和网络策略
- 学习 Helm 包管理
- 了解 RBAC 权限控制
第四阶段（生产实践）
- 搭建监控告警系统（Prometheus + Grafana）
- 实现日志集中采集（EFK/Loki）
- 学习 GitOps 流程（ArgoCD）
- 了解服务网格（Istio）