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Kubernetes（K8s）技术解析

news 文章来源：https://blog.csdn.net/wnm23/article/details/137213310 2024/11/8 13:52:00

1. K8s简介

Kubernetes（简称K8s）是一个开源的容器编排平台，旨在简化容器化应用程序的部署、扩展和管理。为开发者和运维人员提供了丰富的功能和灵活的解决方案，帮助他们更轻松地构建、部署和管理云原生应用程序。以下是关于Kubernetes的简介：

开发人员和公司： Kubernetes最初由Google开发，并于2014年首次发布为开源项目。目前，它由云原生计算基金会（Cloud Native Computing Foundation，CNCF）维护，并得到了来自全球范围内许多公司和开发者的贡献和支持。
是否开源： 是的，Kubernetes是一个完全开源的项目，任何人都可以查看、使用和贡献代码。
开发语言： Kubernetes的核心部分主要使用Go语言（Golang）开发，同时也包括了一些使用其他语言开发的辅助工具和组件。
设计理念： Kubernetes的设计理念包括自动化、可扩展性、自愈性和平台无关性。它旨在提供一个统一的平台，用于管理容器化的应用程序，使开发者能够更轻松地部署、扩展和管理应用，同时确保高可用性和稳定性。
解决的问题： Kubernetes解决了传统部署方式中的一些挑战，包括复杂的部署流程、手动的扩展和管理、单点故障等。它通过容器编排、自动化操作和资源调度等功能，提高了应用程序的可靠性、弹性和效率。
核心功能： Kubernetes的核心功能包括：
1. 容器编排： 自动化部署、重新调度和管理容器化应用程序。
2. 自动伸缩： 根据应用程序的负载和资源需求，自动调整应用程序的副本数量。
3. 服务发现与负载均衡： 提供内置的服务发现机制和负载均衡器，确保应用程序能够互相访问，并平衡流量。
4. 存储编排： 管理应用程序所需的持久化存储卷，并与容器进行动态挂载和卸载。
5. 自我修复： 监控应用程序的健康状态，并自动处理故障或异常情况。
6. 密钥管理与安全： 提供密钥管理和安全机制，确保敏感数据的安全性和隐私保护。
7. 扩展机制： 支持插件和扩展机制，使用户能够根据自己的需求扩展Kubernetes的功能。
技术生态：

理念优点：在自动化应用程序的部署、扩展和操作。本文将介绍K8s的功能架构、技术架构、组件模块、数据流图以及其在云计算领域的优势。我们还将讨论K8s的发展历史、开发语言、市场占有率，并与一些同类产品进行对比，最后探讨基于K8s开发的生态产品和应用场景，以及在中国各大企业中的应用状况。

2. 功能架构

K8s的功能架构主要包括以下几个方面：

自动化部署和扩展： K8s可以自动化地部署和扩展应用程序，根据需求动态地添加或删除容器实例。
服务发现和负载均衡： K8s提供了内置的服务发现和负载均衡功能，使得应用程序可以轻松地与其他服务进行通信。
存储编排： K8s可以根据需求自动挂载存储系统，并为应用程序提供持久化存储。
自动恢复： K8s可以自动检测和替换失效的容器实例，确保应用程序的高可用性。
密钥管理： K8s提供了集成的密钥管理功能，用于安全地存储和管理敏感信息。

3. 技术架构

K8s的技术架构主要包括以下几个核心组件：

Master节点： Master节点是K8s集群的控制平面，负责管理集群中的所有资源和容器。
Node节点： Node节点是K8s集群中的工作节点，负责运行容器实例和提供运行环境。
etcd： etcd是K8s集群的分布式键值存储系统，用于存储集群的状态信息。
API Server： API Server是K8s集群的核心组件，负责暴露集群的API，并与其他组件进行通信。
Controller Manager： Controller Manager负责管理集群中的控制器，监控集群的状态并进行调整。
Scheduler： Scheduler负责将新创建的Pod调度到合适的Node节点上运行。
Kubelet： Kubelet是运行在Node节点上的代理，负责管理Node节点上的容器实例。
Container Runtime： Container Runtime是K8s集群中用于运行容器的软件，常见的包括Docker、containerd等。

4. 组件模块

K8s的组件模块主要包括以下几个部分：

kube-apiserver（API服务器）： kube-apiserver 是 Kubernetes 控制面的前端服务，它充当集群的 API 入口，负责处理用户对集群的 API 请求，并将其转发给其他组件处理。
etcd（数据存储）： etcd 是 Kubernetes 集群中的分布式键值存储系统，用于存储集群的所有状态数据，包括配置信息、元数据、状态等。它对整个集群的稳定性和一致性至关重要。
kube-scheduler（调度器）： kube-scheduler 负责监视新创建的 Pod，并根据预定义的调度策略将其分配到集群中的合适节点上，以确保资源的合理利用和负载均衡。
kube-controller-manager（控制器管理器）： kube-controller-manager 包含了多个控制器，负责监控集群中的各种资源对象的状态，如 Node、Pod、Service 等，并确保这些资源对象按照用户定义的期望状态进行管理和调节。
kubelet（节点代理）： kubelet 是运行在每个节点上的代理服务，负责管理节点上的容器和 Pod，与容器运行时进行交互，监控容器的运行状态，并根据 API Server 下发的指令对容器进行启动、停止等操作。
kube-proxy（网络代理）： kube-proxy 是负责实现 Kubernetes Service 的网络代理组件，它维护着集群中的网络规则，并通过网络转发实现 Service 的负载均衡、流量转发等功能。

5. 数据流图

K8s的数据流图如下所示：

6. 云计算领域的优势

K8s在云计算领域具有以下优势：

弹性伸缩： K8s可以根据负载自动扩展和收缩应用程序，确保资源的高效利用。
高可用性： K8s提供了自动恢复和故障转移功能，确保应用程序的高可用性。
灵活性： K8s提供了丰富的API和插件机制，可以根据需求定制和扩展功能。
可移植性： K8s可以在各种云平台和部署环境中运行，确保应用程序的可移植性和跨平台性。

7. 发展历史

K8s的发展历史如下：

2014年6月，Google发布了K8s的首个版本。
2015年7月，K8s成为Linux基金会的一个托管项目。
自此之后，K8s经过多个版本的迭代和更新，逐渐成为了云原生应用开发和部署的标准平台。

8. 市场占有率

Kubernetes已经成为容器编排领域的领导者，其市场占有率相当高。根据多家市场研究公司的报告和数据，以下是关于Kubernetes市场占有率的一些信息：

CNCF调查报告： 根据云原生计算基金会（CNCF）的调查报告，在容器编排平台中，Kubernetes的市场份额超过了80%。这表明Kubernetes已经成为业界标准，被广泛应用于各种规模和行业的企业中。
其他调查和报告： 不同的市场调查公司可能会有略微不同的数据，但总体趋势都是一致的，即Kubernetes在容器编排领域占据主导地位。一些调查报告还指出，Kubernetes的市场份额在不断增长，预计未来仍会保持领先地位。
竞争对手： 尽管Kubernetes在市场上占据主导地位，但仍然有一些竞争对手，例如Docker Swarm、Apache Mesos等。然而，这些竞争对手的市场份额相对较小，远远落后于Kubernetes。

9. 同类产品对比

K8s与其主要竞争对手的功能、技术、组件、优势和缺点：

特征	Kubernetes	Docker Swarm	Apache Mesos	OpenShift
功能	自动化部署、扩展和管理容器化应用程序；服务发现和负载均衡；存储编排；自动恢复；密钥管理。	自动化容器部署和管理；内置负载均衡；容器网络；密钥管理。	自动化容器部署和管理；弹性扩展；资源调度；监控和故障恢复。	自动化容器部署和管理；构建、部署和扩展应用程序；多租户支持。
技术	Master节点、Node节点、etcd、API Server、Controller Manager、Scheduler、Kubelet、Container Runtime。	Manager节点、Worker节点、Swarm Agent、Swarm Manager、Swarm CLI。	Master节点、Agent节点、ZooKeeper、Mesos Master、Mesos Slave。	Master节点、Node节点、etcd、API Server、Controller Manager、Scheduler、Kubelet、Container Runtime。
组件	Pod、Deployment、Service、Volume、Namespace。	Service、Task、Node、Stack、Secret。	Framework、Executor、Task、Agent。	Pod、Deployment、Service、Volume、Namespace。
优势	广泛的社区支持；强大的生态系统；跨平台可移植性；丰富的功能和灵活性。	简单易用；与Docker Engine集成紧密；快速部署。	高可靠性；资源利用率高；灵活性强。	企业级支持和服务；集成开发工具；安全和多租户支持。
缺点	学习曲线较陡；复杂性较高；需要专业的运维团队。	功能相对较少；扩展性有限；不够灵活。	配置和管理较复杂；对操作和维护要求较高。	商业版成本较高；对自定义配置和扩展性较少。

10.应用场景

基于Kubernetes（K8s）开发的生态产品非常丰富，涵盖了各个领域，下面列举了一些主要的生态产品及其应用场景：

Istio： Istio是一个开源的服务网格（Service Mesh）解决方案，基于K8s提供了流量管理、安全、监控等功能，适用于微服务架构中的服务治理和可观察性需求。
Prometheus： Prometheus是一个开源的监控和警报工具，可以与K8s集成，用于收集、存储和查询应用程序和基础设施的监控数据。
Helm： Helm是一个K8s的包管理工具，用于简化应用程序的部署和管理，可以通过Helm Charts来定义和发布应用程序的配置和模板。
Knative： Knative是一个开源的K8s原生的服务器less平台，用于构建、部署和管理无服务器应用程序，适用于需要自动扩展和弹性计算的场景。
Kubeflow： Kubeflow是一个用于机器学习工作负载的K8s原生平台，提供了训练、部署、调优和监控机器学习模型的工具和组件。
Argo： Argo是一个开源的持续交付工具，基于K8s提供了工作流引擎和CI/CD功能，适用于自动化部署和流水线的场景。
Fluentd： Fluentd是一个开源的日志收集和处理工具，可以与K8s集成，用于收集、过滤和传输应用程序和系统日志。
Jaeger： Jaeger是一个开源的分布式追踪系统，可以与K8s集成，用于跟踪和分析应用程序的请求链路和性能指标。

这些生态产品可以满足不同场景下的需求，包括微服务架构、监控和警报、持续交付、服务器less计算、机器学习等方面，为用户提供了丰富的选择和灵活的解决方案。

11.大型企业公司应用

大型科技企业和通信运营商在Kubernetes应用方面的概述：

华为（Huawei）：
- 华为在其云服务平台和云原生解决方案中广泛使用Kubernetes，为客户提供容器服务、微服务架构支持等。
- 华为云通过自主研发的Stack等产品，提供了一套完整的Kubernetes解决方案，帮助企业实现容器化应用的快速部署和管理。
阿里巴巴（Alibaba）：
- 阿里巴巴在其公有云平台阿里云中大规模使用Kubernetes，为用户提供弹性计算、容器服务等。
- 阿里巴巴还推出了自己的容器编排平台PouchContainer，与Kubernetes相辅相成，为用户提供更加灵活的容器化解决方案。
腾讯（Tencent）：
- 腾讯云在其容器服务中广泛应用Kubernetes，为用户提供高可用性、弹性扩展和灵活部署的容器化平台。
- 腾讯还积极参与Kubernetes社区，贡献代码和技术，推动Kubernetes在中国的发展和普及。
百度（Baidu）：
- 百度在其私有云和公有云平台中使用Kubernetes，支持大规模的容器化应用部署和管理。
- 百度还在Kubernetes社区中积极参与，推动Kubernetes生态在中国的发展和壮大。
三大运营商（电信、移动、联通）：
- 中国三大通信运营商在其云服务平台中也采用Kubernetes作为容器编排平台的核心技术，为企业用户提供云计算服务。

这些企业在Kubernetes的应用状况主要体现在其云服务平台和云原生解决方案中，通过Kubernetes实现了容器化应用的快速部署、弹性扩展和灵活管理，为用户提供了更加稳定和可靠的云计算服务。同时，它们也在积极推动Kubernetes生态在中国的发展和普及，促进了整个行业的技术进步和创新。