Kubernetes 容器編排平台基礎概念

前言

隨著微服務架構的普及，容器化技術已成為現代軟體開發的標準配備。而 Kubernetes（簡稱 K8s）作為目前最主流的容器編排平台，能夠幫助我們自動化部署、擴展和管理容器化應用程式。本文將介紹 Kubernetes 的基礎概念，幫助你快速入門這個強大的平台。

Kubernetes 簡介

Kubernetes 最初由 Google 開發，於 2014 年開源，目前由 Cloud Native Computing Foundation（CNCF）維護。K8s 這個縮寫來自於 Kubernetes 這個單字中間有 8 個字母（ubernete）。

為什麼需要 Kubernetes？

在沒有容器編排平台之前，我們面臨以下挑戰：

手動部署容器：需要人工在每台主機上啟動和停止容器
缺乏自動擴展：無法根據負載自動增減容器數量
服務發現困難：容器 IP 動態變化，難以追蹤服務位置
故障恢復緩慢：容器故障時需要人工介入處理

Kubernetes 解決了這些問題，提供：

自動化容器部署與管理
服務發現與負載平衡
自動擴展與自我修復
滾動更新與回滾機制

核心元件

Kubernetes 叢集由 Control Plane（控制平面）和 Worker Node（工作節點）組成。以下介紹幾個關鍵元件：

API Server

API Server 是 Kubernetes 控制平面的前端，負責處理所有 REST API 請求。它是叢集中唯一直接與 etcd 溝通的元件。

主要功能：

提供 RESTful API 介面
驗證和授權請求
處理叢集狀態的讀寫操作

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# 透過 API Server 取得叢集資訊
kubectl cluster-info

etcd

etcd 是一個分散式鍵值儲存系統，用於儲存 Kubernetes 叢集的所有配置資料和狀態資訊。

特點：

高可用性：支援多節點叢集部署
一致性：使用 Raft 協定確保資料一致性
安全性：支援 TLS 加密傳輸

etcd 儲存的資料包括：

節點資訊
Pod 配置
密鑰和配置映射
服務帳號資訊

Scheduler

Scheduler 負責監控新建立且尚未分配節點的 Pod，並為其選擇最適合的節點運行。

排程考量因素：

資源需求（CPU、記憶體）
硬體/軟體/策略限制
親和性與反親和性規則
資料本地性

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# 可透過 nodeSelector 指定節點
spec:
  nodeSelector:
    disktype: ssd

基本物件

Pod

Pod 是 Kubernetes 中最小的部署單位，代表叢集中運行的一個或多個容器的組合。

特點：

同一 Pod 內的容器共享網路和儲存空間
Pod 內的容器可透過 localhost 互相通訊
Pod 是短暫的，可能隨時被終止和重新建立

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# 基本 Pod 定義範例
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: nginx-pod
  labels:
    app: nginx
spec:
  containers:
  - name: nginx
    image: nginx:1.24
    ports:
    - containerPort: 80

Node

Node 是 Kubernetes 叢集中的工作機器，可以是實體機或虛擬機。每個 Node 都包含運行 Pod 所需的服務。

Node 上運行的元件：

kubelet：負責管理 Pod 和容器的生命週期
kube-proxy：維護網路規則，實現服務的網路代理
Container Runtime：負責運行容器（如 containerd、CRI-O）

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# 查看叢集節點
kubectl get nodes

# 查看節點詳細資訊
kubectl describe node <node-name>

Namespace

Namespace 提供了一種在叢集內隔離資源群組的機制，適合用於多團隊或多專案的環境。

預設的 Namespace：

default：沒有指定 Namespace 時的預設空間
kube-system：Kubernetes 系統元件使用的空間
kube-public：公開資源使用的空間
kube-node-lease：節點心跳資訊使用的空間

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# 列出所有 Namespace
kubectl get namespaces

# 建立新的 Namespace
kubectl create namespace development

# 在特定 Namespace 中操作
kubectl get pods -n kube-system

kubectl 基本指令

kubectl 是 Kubernetes 的命令列工具，用於與叢集互動。以下是一些常用指令：

資源查詢

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# 取得所有 Pod
kubectl get pods

# 取得所有資源（Pod、Service、Deployment 等）
kubectl get all

# 以 YAML 格式輸出 Pod 資訊
kubectl get pod <pod-name> -o yaml

# 監控 Pod 狀態變化
kubectl get pods -w

資源建立與刪除

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# 使用 YAML 檔案建立資源
kubectl apply -f deployment.yaml

# 建立資源（不可重複執行）
kubectl create -f pod.yaml

# 刪除資源
kubectl delete pod <pod-name>
kubectl delete -f deployment.yaml

除錯與診斷

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# 查看 Pod 詳細資訊
kubectl describe pod <pod-name>

# 查看 Pod 日誌
kubectl logs <pod-name>

# 即時追蹤日誌
kubectl logs -f <pod-name>

# 進入 Pod 容器執行指令
kubectl exec -it <pod-name> -- /bin/bash

資源編輯與擴展

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# 直接編輯資源配置
kubectl edit deployment <deployment-name>

# 擴展 Deployment 副本數
kubectl scale deployment <deployment-name> --replicas=3

# 查看部署狀態
kubectl rollout status deployment <deployment-name>

總結

本文介紹了 Kubernetes 的基礎概念，包括：

Kubernetes 簡介：了解為什麼需要容器編排平台
核心元件：API Server、etcd、Scheduler 的角色與功能
基本物件：Pod、Node、Namespace 的概念與使用
kubectl 指令：常用的命令列操作

這些只是 Kubernetes 的入門知識，實際上 K8s 還有許多進階功能，如 Deployment、Service、Ingress、ConfigMap、Secret 等，都值得深入學習。建議可以透過官方文件和實際操作來加深理解。

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