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容器化运维工具（2）Kubernetes 详细教程（含图解）

news 2025/8/7 16:42:28

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-podlabels:app: my-app
spec:containers:- name: my-containerimage: nginx:alpineports:- containerPort: 80resources: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: 3selector:matchLabels:app: my-apptemplate:metadata:labels:app: my-appspec:containers:- name: my-containerimage: nginx:alpineports:- 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-appports:- port: 80targetPort: 80type: 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=productionlog_level=infomax_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-containerimage: my-app-imageenv:- name: DB_USERNAMEvalueFrom:secretKeyRef:name: my-secretkey: username- name: LOG_LEVELvalueFrom:configMapKeyRef:name: my-configkey: log_levelvolumeMounts:- name: config-volumemountPath: /etc/configvolumes:- name: config-volumeconfigMap: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: 10GiaccessModes:- ReadWriteOncepersistentVolumeReclaimPolicy: RetainhostPath:path: /data/my-pv

创建 pvc.yaml：

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

在 Pod 中使用：

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:name: pv-pod
spec:containers:- name: pv-containerimage: nginxvolumeMounts:- name: pv-storagemountPath: /datavolumes:- name: pv-storagepersistentVolumeClaim: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: 20GiaccessModes:- ReadWriteOncepersistentVolumeReclaimPolicy: RetainhostPath:path: /data/mysql-pv

        3. 创建 mysql-pvc.yaml：

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

        4. 创建 mysql-deployment.yaml：

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:name: mysql
spec:replicas: 1selector:matchLabels:app: mysqltemplate:metadata:labels:app: mysqlspec:containers:- name: mysqlimage: mysql:5.7env:- name: MYSQL_ROOT_PASSWORDvalueFrom:secretKeyRef:name: mysql-secretkey: root-password- name: MYSQL_DATABASEvalue: myappdbports:- containerPort: 3306volumeMounts:- name: mysql-storagemountPath: /var/lib/mysqlvolumes:- name: mysql-storagepersistentVolumeClaim:claimName: mysql-pvc
---
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:name: mysql-service
spec:selector:app: mysqlports:- port: 3306targetPort: 3306clusterIP: None  # Headless service

        5. 创建 backend-deployment.yaml：

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:name: backend
spec:replicas: 2selector:matchLabels:app: backendtemplate:metadata:labels:app: backendspec:containers:- name: backendimage: my-backend-image:latestenv:- name: DB_HOSTvalue: mysql-service- name: DB_USERvalue: root- name: DB_PASSWORDvalueFrom:secretKeyRef:name: mysql-secretkey: root-passwordports:- containerPort: 8080
---
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:name: backend-service
spec:selector:app: backendports:- port: 8080targetPort: 8080

        6. 创建 frontend-deployment.yaml：

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:name: frontend
spec:replicas: 2selector:matchLabels:app: frontendtemplate:metadata:labels:app: frontendspec:containers:- name: frontendimage: my-frontend-image:latestports:- containerPort: 80
---
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:name: frontend-service
spec:selector:app: frontendports:- port: 80targetPort: 80type: 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。

http://www.dtcms.com/a/318698.html

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