深入理解Kubernetes核心组件

前言

笔者由于工作变动去做了云安全，第一次真正的使用上k8s作为部署和安全场景，记录一下k8s学习的过程，本篇是k8s核心组件的学习。

一、Kubernetes架构全景

graph TD
    A[Control Plane] --> B[API Server]
    A --> C[etcd]
    A --> D[Scheduler]
    A --> E[Controller Manager]
    F[Node] --> G[kubelet]
    F --> H[kube-proxy]
    F --> I[Container Runtime]
    B --> G
    B --> H

二、控制平面组件详解

2.1 API Server

• 作用：集群的"前门"，处理所有REST操作
• 核心功能：
  • 认证/授权（与RBAC集成）
  • 校验资源定义（通过Admission Controllers）
  • 提供Watch机制实现实时状态同步

2.2 etcd

• 角色：分布式键值存储数据库

• 关键数据：

  /registry/pods       # 所有Pod信息
  /registry/services   # Service定义
  /registry/nodes      # 节点注册信息

• 操作示例：

  etcdctl get / --prefix --keys-only | grep pods

2.3 Scheduler

• 工作流程：
  1. 监听未调度Pod（spec.nodeName为空）
  2. 过滤不满足条件的节点
  3. 打分选择最优节点
  4. 绑定Pod到目标节点

2.4 Controller Manager

• 核心控制器：
  • Deployment Controller
  • ReplicaSet Controller
  • Node Controller
  • Service Controller
  • Endpoints Controller
  • Namespace Controller

三、工作节点组件剖析

3.1 kubelet

• 主要职责：

  • 管理Pod生命周期
  • 上报节点状态
  • 执行存活/就绪探针

• 关键目录：

  /var/lib/kubelet/pods   # Pod数据目录
    /etc/kubernetes/manifests # 静态Pod配置

3.2 kube-proxy

• 网络代理模式：

  • userspace（已淘汰）
  • iptables（默认）
  • IPVS（推荐生产使用）

• 核心功能：

  # 查看Service iptables规则
    iptables -t nat -L KUBE-SERVICES

3.3 Container Runtime

• 常见选择：

  • containerd（推荐）
  • CRI-O
  • Docker（已弃用）

• 操作接口：

  ctr -n k8s.io containers ls  # 查看容器

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四、关键附加组件

4.1 CNI插件

• 常用方案：
  • Calico（BGP路由）
  • Flannel（VXLAN）
  • Cilium（eBPF增强）

4.2 Ingress Controller

• 实现方案：
  • Nginx Ingress
  • Traefik
  • HAProxy

4.3 CSI驱动

• 存储对接：
  • AWS EBS
  • Ceph RBD
  • NFS

五、组件交互实战解析

5.1 Pod创建流程

sequenceDiagram
    User->>API Server: kubectl create -f pod.yaml
    API Server->>etcd: 存储Pod定义
    Scheduler->>API Server: Watch未调度Pod
    Scheduler->>API Server: 绑定节点
    kubelet->>API Server: Watch本节点Pod
    kubelet->>Container Runtime: 创建容器
    kubelet->>API Server: 更新Pod状态

5.2 Service流量转发

# 创建NodePort Service
kubectl expose deploy nginx --port=80 --type=NodePort

# 查看生成的iptables规则
iptables -t nat -L KUBE-SVC-XXX

六、学习资源推荐

6.1 官方文档

• Kubernetes Components
• kubelet参数详解

6.2 实验环境

• minikube：本地单节点集群
• kind：基于Docker的多节点集群

6.3 调试工具

kubectl get --raw /metrics           # 查看组件指标
kubectl describe pod <pod-name>      # 查看调度事件
journalctl -u kubelet -f             # 查看kubelet日志

结语

理解Kubernetes组件需要：

1. 掌握各组件职责边界
2. 熟悉组件间通信机制
3. 通过实际运维加深理解
4. 关注组件版本更新变化

建议通过以下步骤渐进学习：

1. 使用minikube部署实验环境
2. 手动停止组件观察集群行为
3. 跟踪API Server的请求日志
4. 分析etcd存储的数据结构

真正的精通来自于对底层原理的深刻理解！