k8s是如何运行的

K8s，即Kubernetes，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。在K8s中，核心组件包括API服务器、etcd、调度器、控制器管理器和kubelet。其中，API服务器是整个系统的前端，它处理所有的REST请求；etcd是一个分布式键值存储，用于保存集群的所有数据；调度器负责将Pod分配到合适的节点上；控制器管理器负责确保集群的状态与用户定义的状态保持一致；kubelet则是运行在每个节点上的代理，负责管理容器的生命周期。API服务器作为K8s的中枢，负责接收用户的请求，并将这些请求传递给相应的组件进行处理。

一、API服务器

API服务器是Kubernetes架构的核心组件，所有的操作请求都需要通过API服务器进行处理。它提供了一个RESTful接口，用户和其他组件都通过这个接口与Kubernetes集群进行交互。API服务器的主要任务包括认证、授权、请求处理和响应生成。例如，当用户提交一个创建Pod的请求时，API服务器首先进行用户身份验证和权限检查，然后将请求转发给控制器管理器。API服务器还负责将集群的状态信息存储到etcd中，以确保数据的一致性和可靠性。

API服务器还支持多种扩展机制，如自定义资源定义（CRD），允许用户定义和管理自己的资源类型。这使得Kubernetes可以被高度定制和扩展，以满足各种应用场景的需求。

二、etcd

etcd是一个分布式键值存储系统，用于保存整个Kubernetes集群的所有数据，包括节点信息、Pod信息、配置数据等。etcd保证了数据的一致性和高可用性，即使在集群发生故障的情况下，也能确保数据不会丢失。etcd使用Raft共识算法来实现分布式系统中的数据一致性，这使得它非常适合用于分布式系统的配置和服务发现。

为了确保数据的高可用性，etcd通常部署为一个集群，包含多个etcd实例。每个etcd实例都可以接受读请求，但只有主节点可以处理写请求。通过这种方式，etcd可以在节点故障时继续提供服务，并在节点恢复后自动同步数据。

三、调度器

调度器是Kubernetes中负责将Pod分配到合适节点上的组件。调度器的主要任务是根据资源需求、节点资源状况和调度策略，选择最合适的节点来运行Pod。调度器首先从API服务器获取待调度的Pod，然后通过一系列的过滤和打分机制，选择最适合的节点。

过滤机制用于剔除不符合条件的节点，例如节点资源不足或节点处于非运行状态。打分机制则用于对剩余的节点进行评分，根据节点的资源利用率、负载均衡情况等因素，选择得分最高的节点。调度器的策略可以通过配置文件进行调整，以满足不同应用场景的需求。

四、控制器管理器

控制器管理器是Kubernetes中负责维护集群状态的组件。控制器管理器包含多个控制器，每个控制器负责一种资源类型，例如Deployment控制器、StatefulSet控制器、DaemonSet控制器等。控制器的主要任务是监控资源的实际状态，并将其与用户定义的期望状态进行比较，如果发现不一致，则采取相应的操作进行修正。

例如，Deployment控制器负责确保指定数量的Pod副本在集群中运行。如果某个Pod副本由于某种原因被删除，Deployment控制器会自动创建一个新的Pod副本来替代它。通过这种方式，控制器管理器确保了集群的高可用性和自愈能力。

控制器管理器还支持自定义控制器，用户可以根据自己的需求编写和部署自己的控制器，以实现更复杂的业务逻辑。

五、kubelet

kubelet是运行在每个节点上的代理，负责管理容器的生命周期。kubelet的主要任务是接收API服务器的指令，创建、启动和停止容器，监控容器的运行状态，并定期向API服务器汇报节点的状态。kubelet通过读取PodSpec文件，了解需要运行的容器的详细信息，并与容器运行时（如Docker、containerd）进行交互，执行具体的操作。

kubelet还支持多种健康检查机制，包括Liveness Probe、Readiness Probe和Startup Probe，用于检测容器的健康状况。如果发现某个容器处于不健康状态，kubelet会根据配置的策略采取相应的措施，例如重启容器或通知API服务器。

为了提高可靠性和可维护性，kubelet还支持Pod的日志收集和监控，用户可以通过API服务器查询Pod的日志和监控数据，以便快速定位和解决问题。

六、网络组件

Kubernetes的网络组件负责为集群中的Pod和服务提供网络通信能力。网络组件的主要任务包括为每个Pod分配一个唯一的IP地址，建立Pod之间的网络连接，以及提供服务发现和负载均衡功能。Kubernetes采用了插件机制，支持多种网络实现，如Flannel、Calico、Weave等，用户可以根据需求选择合适的网络插件。

为了简化网络配置和管理，Kubernetes引入了Service和Ingress两种抽象。Service用于定义一组Pod的访问策略，并提供一个固定的IP地址和DNS名称。Ingress则用于管理集群外部的访问请求，通过规则定义如何将外部请求路由到内部服务。通过这种方式，Kubernetes实现了高效的服务发现和负载均衡，确保应用的高可用性和可扩展性。

七、存储组件

存储是Kubernetes中一个关键的组件，用于为容器化应用提供持久化存储。Kubernetes支持多种存储类型，包括本地存储、网络存储和云存储，用户可以根据应用需求选择合适的存储类型。Kubernetes通过PersistentVolume（PV）和PersistentVolumeClaim（PVC）两种资源对象来管理存储。

PV是集群管理员预先配置的存储资源，PVC是用户申请的存储请求。PVC与PV通过匹配策略进行绑定，用户只需关心PVC，Kubernetes会自动将其绑定到合适的PV上。通过这种方式，Kubernetes实现了存储资源的动态分配和管理，提高了存储的灵活性和可用性。

Kubernetes还支持存储卷的快照和备份，用户可以通过API创建和恢复快照，确保数据的安全和可靠。

八、安全机制

安全是Kubernetes设计中的一个重要方面，Kubernetes通过多种机制保障集群的安全性。主要的安全机制包括认证、授权、准入控制和网络安全。认证用于验证用户的身份，支持多种认证方式，如用户名密码、令牌、证书等。授权用于检查用户是否有权限执行某个操作，Kubernetes采用基于角色的访问控制（RBAC）来实现细粒度的权限管理。

准入控制用于在请求被处理前进行额外的检查和修改，例如Pod安全策略（PSP）用于限制Pod的运行环境，确保Pod运行在受控的环境中。网络安全则通过网络策略（NetworkPolicy）来实现，用户可以定义网络策略，限制Pod之间的网络通信，确保数据的安全。

Kubernetes还支持加密存储和传输数据，用户可以配置加密机制，确保数据在存储和传输过程中的安全。

九、日志和监控

日志和监控是Kubernetes运维中的重要组成部分，用于帮助用户了解集群的运行状况和诊断问题。Kubernetes通过多种机制实现日志和监控，包括容器日志、节点日志、集群事件和监控指标。容器日志记录了容器内应用的输出，用户可以通过kubectl命令查看和分析容器日志。节点日志记录了节点级别的事件和错误，有助于诊断节点故障。

集群事件记录了集群中发生的各种事件，如Pod的创建、删除、调度等，用户可以通过API查询和分析集群事件，了解集群的运行状况。监控指标则通过Prometheus等监控系统收集和存储，用户可以通过Grafana等可视化工具查看和分析监控数据，了解集群的资源利用情况和性能瓶颈。

Kubernetes还支持告警机制，用户可以配置告警规则，当监控指标超过阈值时，触发告警通知，帮助用户及时发现和解决问题。

十、自愈能力

自愈能力是Kubernetes的一大特点，Kubernetes通过多种机制实现集群的自愈。主要的自愈机制包括Pod重启、节点重调度和资源自动扩展。当Pod出现故障时，kubelet会根据配置的策略自动重启Pod，确保应用的高可用性。如果节点出现故障，调度器会将Pod重新调度到其他健康的节点上，确保应用的连续运行。

资源自动扩展则通过Horizontal Pod Autoscaler（HPA）和Vertical Pod Autoscaler（VPA）来实现。HPA根据监控指标自动调整Pod的副本数量，确保应用在负载变化时能够自动扩展和收缩。VPA则根据资源使用情况自动调整Pod的资源请求和限制，确保资源的高效利用。

通过这些自愈机制，Kubernetes能够自动检测和修复故障，提高集群的可靠性和稳定性。

十一、扩展性

扩展性是Kubernetes设计中的一个重要原则，Kubernetes通过多种机制实现了高度的扩展性。主要的扩展机制包括自定义资源、自定义控制器和插件机制。自定义资源（CRD）允许用户定义和管理自己的资源类型，扩展Kubernetes的功能。自定义控制器则允许用户编写和部署自己的控制器，实现更复杂的业务逻辑。

插件机制包括网络插件、存储插件和调度器插件，用户可以根据需求选择和配置合适的插件，实现网络、存储和调度的扩展。Kubernetes还支持Webhook机制，用户可以通过Webhook实现请求的动态处理和修改，提高了系统的灵活性和可定制性。

通过这些扩展机制，Kubernetes能够适应各种应用场景和需求，成为一个高度可扩展的容器编排平台。

十二、多租户支持

多租户支持是Kubernetes在大规模企业和多团队环境中应用的一个重要特性。Kubernetes通过命名空间、资源配额和网络策略等机制实现多租户支持。命名空间用于将集群资源划分为多个逻辑隔离的区域，每个命名空间可以独立管理自己的资源和权限。资源配额用于限制每个命名空间的资源使用，确保资源的公平分配。

网络策略用于限制命名空间之间的网络通信，确保数据的安全隔离。通过这些机制，Kubernetes能够在一个集群中支持多个租户的隔离和资源管理，提高了集群的安全性和可管理性。

Kubernetes还支持多集群管理，用户可以通过联邦集群（Federation）实现多个集群的统一管理和调度，提高了系统的可扩展性和可靠性。

十三、应用部署

应用部署是Kubernetes中的一个核心功能，Kubernetes通过多种机制实现应用的自动化部署和管理。主要的应用部署机制包括Deployment、StatefulSet、DaemonSet和Job。Deployment用于管理无状态应用，支持滚动更新、回滚和扩展。StatefulSet用于管理有状态应用，保证Pod的顺序启动和稳定标识。

DaemonSet用于确保每个节点上运行一个Pod，适用于集群级别的任务，如日志收集和监控。Job用于一次性任务，确保任务在完成前至少运行一次。通过这些部署机制，Kubernetes能够自动化管理应用的生命周期，提高了部署的效率和可靠性。

Kubernetes还支持Helm等包管理工具，用户可以通过Helm Chart定义和部署复杂的应用，简化了应用的管理和升级。

十四、CI/CD集成

持续集成和持续部署（CI/CD）是现代软件开发中的重要实践，Kubernetes通过多种机制实现与CI/CD系统的集成。主要的集成机制包括GitOps、Jenkins和Tekton。GitOps是一种基于Git的运维模式，通过将集群状态存储在Git仓库中，实现自动化部署和版本控制。Jenkins是一个流行的CI/CD工具，通过Jenkins插件，用户可以将Kubernetes集成到Jenkins流水线中，实现自动化的构建、测试和部署。

Tekton是一个开源的CI/CD框架，专为Kubernetes设计，支持声明式的流水线定义和执行。通过这些集成机制，Kubernetes能够与CI/CD系统无缝结合，提高了开发和运维的效率和质量。

Kubernetes还支持多种其他CI/CD工具的集成，如GitLab CI、CircleCI等，用户可以根据需求选择合适的工具，实现自动化的开发和运维流程。