如何部署和管理 Kubernetes 应用程序

简介

本教程将引导你了解领先的容器编排平台 Kubernetes 的基本概念。你将学习 Kubernetes 架构、如何部署 Kubernetes 集群以及如何管理 Kubernetes 应用程序。通过本教程的学习，你将对 Kubernetes 有扎实的理解，并能够利用其强大功能来处理你的容器化工作负载。

Skills Graph

理解 Kubernetes 架构

Kubernetes 是一个强大的开源容器编排系统，已成为大规模管理和部署容器化应用程序的事实上的标准。其核心是提供了一个强大的架构，能够高效管理容器化工作负载，确保高可用性、可扩展性和容错能力。

Kubernetes 组件

Kubernetes 架构由几个关键组件组成，它们协同工作以提供全面的容器管理解决方案。这些组件包括：

1. Kubernetes 主节点：Kubernetes 主节点负责管理集群的整体状态，包括调度和编排容器，并提供与集群交互的 API。

2. Kubernetes 节点：Kubernetes 节点是运行容器化应用程序的工作机器。每个节点运行一个 Kubelet 代理，它与 Kubernetes 主节点通信以管理节点上的容器。

3. Pod：Pod 是 Kubernetes 中最小的可部署单元，代表一个或多个共享资源和网络命名空间的容器。Pod 是部署和扩展应用程序的基本构建块。

4. 部署：部署是 Kubernetes 资源，用于管理无状态应用程序的生命周期，确保运行所需数量的副本，并自动处理更新和回滚。

5. 服务：服务为访问一组 Pod 提供稳定的网络端点，实现 Kubernetes 集群内的负载均衡和服务发现。

6. 卷：卷用于为 Pod 提供持久存储，允许容器之间共享数据，并在单个 Pod 的生命周期之外持久存在。

Kubernetes 架构图

Kubernetes 的实际应用

为了展示 Kubernetes 的强大功能，让我们考虑一个部署容器化 Web 应用程序的简单示例。假设我们有一个用于 Web 应用程序的 Docker 镜像，我们可以创建一个 Kubernetes 部署来管理应用程序的生命周期：

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: web-app
spec:
  replicas: 3
  selector:
    matchLabels:
      app: web-app
  template:
    metadata:
      labels:
        app: web-app
    spec:
      containers:
        - name: web-app
          image: username/web-app:v1
          ports:
            - containerPort: 80

此部署确保 Web 应用程序的三个副本始终运行，提供高可用性和可扩展性。Kubernetes 将自动处理应用程序的调度、扩展和自我修复，确保维持所需状态。

部署 Kubernetes 集群

可以通过多种方法来部署 Kubernetes 集群，每种方法都有其自身的优点和适用场景。在本节中，我们将探讨设置 Kubernetes 集群的不同方法，包括使用 kubeadm、托管 Kubernetes 服务以及流行的基于云的 Kubernetes 平台。

使用 kubeadm 进行部署

kubeadm 是 Kubernetes 社区提供的一个强大工具，它简化了设置 Kubernetes 集群的过程。它可用于在本地或云端创建高可用的 Kubernetes 控制平面和工作节点。

以下是在 Ubuntu 22.04 上使用 kubeadm 部署 Kubernetes 集群的示例：

## 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
echo "deb [signed-by=/usr/share/keyrings/kubernetes-archive-keyring.gpg]  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

## 初始化 Kubernetes 控制平面
sudo kubeadm init

## 配置 kubectl 以与集群进行交互
mkdir -p $HOME/.kube
sudo cp -i /etc/kubernetes/admin.conf $HOME/.kube/config
sudo chown $(id -u):$(id -g) $HOME/.kube/config

托管 Kubernetes 服务

云提供商提供托管 Kubernetes 服务，这些服务消除了设置和管理 Kubernetes 集群的复杂性。示例包括：

• Google Kubernetes Engine (GKE)
• Amazon Elastic Kubernetes Service (EKS)
• Microsoft Azure Kubernetes Service (AKS)

这些服务负责 Kubernetes 控制平面和工作节点的供应、扩展和维护，使你能够专注于部署和管理应用程序。

Kubernetes 集群生命周期管理

无论采用哪种部署方法，Kubernetes 都提供了用于管理集群生命周期的工具和 API，包括升级、扩展以及备份/恢复操作。这可确保你的 Kubernetes 基础设施始终保持最新状态，并能适应变化。

管理 Kubernetes 应用程序

Kubernetes 提供了一套全面的工具和功能来管理容器化应用程序的生命周期。在本节中，我们将探讨管理 Kubernetes 应用程序的各个方面，包括服务、卷、扩展、监控和故障排除。

Kubernetes 服务

Kubernetes 服务是用于公开和访问在 Pod 中运行的应用程序的关键组件。服务提供了一个稳定的网络端点，实现 Kubernetes 集群内的负载均衡和服务发现。以下是一个简单的 Kubernetes 服务示例：

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: web-app
spec:
  selector:
    app: web-app
  ports:
    - port: 80
      targetPort: 8080

此服务在端口 80 上公开 web - app 部署，将流量转发到在端口 8080 上运行的容器。

Kubernetes 卷

Kubernetes 卷为 Pod 提供持久存储，允许容器之间共享数据，并在单个 Pod 的生命周期之外持久存在。这对于需要持久存储的有状态应用程序至关重要。Kubernetes 支持各种卷类型，包括本地存储、网络附加存储和基于云的存储解决方案。

扩展 Kubernetes 应用程序

Kubernetes 提供了内置机制，可根据需求向上或向下扩展应用程序。这可以使用管理所需副本数的部署来实现，或者通过基于资源利用率自动扩展 Pod 的水平 Pod 自动缩放（HPA）来实现。

监控和故障排除

Kubernetes 提供了丰富的工具和 API 来监控应用程序的运行状况和性能。这包括内置指标、日志记录和事件监控，以及与外部监控解决方案的集成。排查 Kubernetes 应用程序故障需要了解各个组件及其交互，以及利用特定于 Kubernetes 的工具和命令。

Kubernetes 工作流程

Kubernetes 支持各种用于管理应用程序部署和生命周期的工作流程，如蓝绿部署、金丝雀发布和滚动更新。这些工作流程实现了无缝的应用程序更新和回滚，确保高可用性并最大限度地减少停机时间。

总结

Kubernetes 已成为大规模管理和部署容器化应用程序的事实上的标准。在本教程中，你已经了解了 Kubernetes 架构的关键组件，包括 Kubernetes 主节点、节点、Pod、部署、服务和卷。你还了解了如何部署 Kubernetes 集群以及管理 Kubernetes 应用程序，从而能够有效地编排和扩展你的容器化工作负载。