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Kubernetes Introduction

Kubernetes 是什麼？​

Kubernetes 是一個功能強大的容器編排平台，專為管理大規模的容器化應用而設計。它的名字來自希臘語「舵手」或「領航員」，也常簡稱為 K8S。Kubernetes 的主要目標是簡化容器化應用的運行與管理，使開發者能專注於應用程式本身，而非基礎設施的管理。

Kubernetes 的核心功能​

  • 自動化容器管理
    • Kubernetes 自動管理容器的部署、啟動和關閉，確保應用在任何情況下都能穩定運行。
  • 容器編排
    • Kubernetes 支持多個容器的協作，確保應用的不同部分能順利通信並共同運作。
  • 彈性擴展
    • Kubernetes 能根據資源需求（如 CPU 或記憶體使用量）自動擴展或縮減 Pod 的數量。
  • 故障自愈
    • Kubernetes 能檢測並自動修復應用故障，重新啟動失敗的容器，甚至在節點失效時重新調度容器。
  • 滾動更新與回滾
    • 支持平滑更新應用程式版本，且在出現問題時能快速回滾至穩定版本。

Kubernetes 架構​

Kubernetes 是一個分散式系統，由控制平面（Control Plane）和多個工作節點（Node）組成，兩者協作來管理集群中的所有資源。

components-of-kubernetes

控制平面（Control Plane）​

控制平面負責管理 Kubernetes 集群的所有活動，確保集群中的應用按照設定的需求執行。

  1. API Server
    • 是 Kubernetes 的核心入口，負責處理所有 REST API 請求（如 kubectl 命令）。
    • 確保其他元件之間的通信與協調。
  2. etcd
    • 高可用的分散式鍵值存儲，保存整個集群的狀態，包括節點信息、配置和應用元數據。
    • 它的穩定性和一致性對集群運行至關重要。
  3. Controller Manager
    • 包含多種控制器（Controllers），負責執行集群的核心邏輯：
      • ReplicaSet Controller：確保所需的 Pod 副本數保持穩定。
      • Node Controller：監控節點的健康狀態。
      • Job Controller：負責一次性任務的管理。
  4. Scheduler
    • 將新的 Pod 安排到合適的節點。
    • 考慮的因素包括資源需求（CPU、記憶體）、節點的可用性和親和性/反親和性規則。

工作節點（Node）​

每個工作節點運行實際的應用負載，並接受來自控制平面的指令。

  1. Kubelet
    • 節點上的主要代理程序，負責確保 Pod 與容器的正常運行。
    • 定期向控制平面報告節點和 Pod 的狀態。
  2. Kube-proxy
    • 節點上的網路代理，用於處理 Pod 之間及其與外部世界的通信。
    • 支持服務發現和集群內的負載均衡。
  3. Container Runtime
    • Kubernetes 支持多種容器運行時（如 Docker、containerd、CRI-O），負責啟動和運行容器。

附加元件​

除了核心元件外，Kubernetes 提供多種附加元件，增強其功能。

  1. DNS
    • Kubernetes 集群內的每個服務都會自動分配一個 DNS 名稱，方便 Pod 間的通信。
  2. Ingress Controller
    • 處理外部 HTTP/HTTPS 流量進入集群的路由規則，支持負載均衡和名稱路由。
  3. Dashboard
    • Kubernetes 的 Web 圖形化介面，用於查看集群狀態、管理資源和監控應用。
  4. Metrics Server
    • 收集集群的資源使用數據（如 CPU 和記憶體），用於監控和自動化擴展。
  5. Helm
    • Kubernetes 的包管理工具，用於簡化應用的部署和版本控制。

Kubernetes 的核心概念​

  1. Pod
    • Kubernetes 中最小的可部署單位，通常包含一個或多個緊密耦合的容器。
  2. Service
    • 將一組 Pod 暴露為一個網路服務，提供負載均衡與服務發現。
  3. Namespace
    • 用於將資源分組，實現資源的邏輯隔離。
  4. ConfigMap 和 Secret
    • ConfigMap：用於存儲配置數據（如環境變數）。
    • Secret：用於存儲敏感數據（如密碼、憑證）。
  5. Volume
    • 提供持久存儲給容器，支持多種後端存儲（如主機目錄、雲端存儲）。
  6. Deployment
    • 用於管理應用的部署和更新，支持滾動更新與回滾。

Kubernetes 的應用場景​

  1. 微服務架構
    • Kubernetes 特別適合管理微服務架構中的眾多小型服務。
  2. CI/CD 流程
    • Kubernetes 可與工具（如 Jenkins、GitLab CI/CD）結合，用於自動化應用部署和測試。
  3. 大數據與 AI
    • Kubernetes 能高效調度資源，適合運行分散式數據處理（如 Apache Spark）和機器學習任務。
  4. 混合雲與多雲部署
    • 支持無縫運行在多個雲環境中，實現應用的高可用性與容災能力。

結論​

Kubernetes 是現代化應用程式運行和管理的基石，它的強大功能和靈活性讓開發者能專注於創新而非基礎設施運營。熟悉 Kubernetes 的架構與元件，能幫助團隊更好地實現容器化應用的可擴展性、高可用性和穩定性。