【K8S】Kubernetes 基本架構、節點類型及運行流程詳解（附架構圖及流程圖）

Kubernetes 架構

k8s 集群 = 多個 master node + 多個 work node
Master 節點（主節點）：負責集群的管理任務，包括調度容器、維護集群狀態、監控集群、管理服務發現等。
Worker 節點（工作節點）：實際運行應用程序的容器。每個工作節點上都運行著容器運行時（如?containerd），并接受來自主節點的調度指令。

節點：（Node）通常指一個物理服務器或虛擬機，承載運行容器的實際工作負載，節點可以看作是 Kubernetes 集群中的計算單元

組成結構

節點（Node）

定義：運行容器的物理服務器或虛擬機（在云環境中，節點通常是虛擬機；在本地環境或裸機環境中，節點可以是物理服務器）
節點的類型
1. 主節點（Master Node 或 Control Plane）
2. 工作節點（Worker Node）

主節點（Master Node）

定義：調度和管理整個集群的狀態的地方
功能：負責管理整個 Kubernetes 集群的控制平面，處理集群的調度、API 調用、集群狀態維護等任務。主節點通常不運行應用工作負載

組成

組件	功能描述
`Kube API Server`	集群的前端（類似集群的網關），負責接收和處理所有API請求，提供認證授權和訪問控制功能
`Scheduler`	監控集群節點資源使用情況，根據調度策略將 Pod 分配到合適的工作節點
`Controller Manager`	管理集群中各種資源對象(如 Node、Pod、Service) 的狀態，確保實際狀態與期望狀態一致
`etcd`	高可用鍵值存儲系統，保存集群的配置信息和元數據
`Cloud Controller Manager`	云平臺控制器，負責與云平臺的API交互

工作節點（Worker Node）

定義：真正運行應用負載的地方，提供實際的計算資源和服務，所有應用服務都以 Pod 的形式運行在工作節點上，每個工作節點運行多個 Pod
功能：實際運行應用容器的節點。所有的應用 Pod 都部署在這些工作節點上

組成

組件名稱	功能描述
kubelet	負責管理和維護 Pod 對象，保證 Pod 按預期運行，并定期與 Kubernetes API Server 進行通信獲取新的 pod 規范，匯報 pod 的運行情況
kube-proxy	負責為 pod 對象提供網絡代理和負載均衡，確保網絡流量正確轉發到相應的 Pod
container runtime	負責拉取容器鏡像、創建容器、啟動或者停止容器等等（如 Docker-Engine 或 containerd）

架構圖

+---------------------------------------+
|               kubectl                 |  
|  (用戶接口：CLI工具，與API Server交互)  |
+---------------------------------------+|
+---------------------------------------+
|           API Server (控制平面)        |
|     (接收和處理請求，管理集群狀態)       |
+---------------------------------------+|        |            |              |
+--------+  +--------+  +----------+   +---------------------+
| etcd   |  |Scheduler| |Controller|   | Kubelet (每個節點)  |
| (存儲) |  | (調度器) | | Manager  |   | (工作節點上運行Pod)   |
+--------+  +--------+  +----------+   +----------------0----+|+----------------------------+|       Pod (容器)           || (運行在工作節點上，提供服務)   |+----------------------------+

工作流程

端口類型

外部訪問的端口 (nodePort)
- 定義：一個開放在每個?節點（Node）上的固定端口，是為每個?Service?分配的固定端口，一個向外暴露的 Service 對應一個 nodePort（端口范圍通常在 30000-32767）
- 功能：NodePort?類型的 Service 暴露一個端口給外部用戶，使得外部請求可以通過固定的端口訪問集群中的應用（接收到的外部請求會轉發到 Service 暴露的端口（如 80））
服務暴露的端口 (port)
- 定義：Kubernetes 使用?Service?來暴露和管理 Pod 的訪問，port 端口是集群內的其他服務或容器通過該?Service?訪問 Pod 的端口
- 功能：Service?暴露多個端口（例如 80 端口），并將流量轉發到端口對應的 Pods 中
服務設置的端口（targetPort）
1. 定義：targetPort?定義了 Service 轉發到容器內部的具體端口（通常為?containerPort）
2. 功能：Service 通過 targetPort 決定如何調用 Pod，通常不需要手動設置
容器內部的端口 (containerPort)
1. 定義：Pod 內的 Container 向外暴露的端口，通過 containerPort 可以找到 port 中的一個容器
- 功能：container 監聽 containerPort 并處理請求，Service 會將請求從自己的端口轉發到對應的 Pod 的?ContainerPort?上

工作流程

發起請求：客戶端請求（外部請求）通過?NodeIP:NodePort?向 k8s 發起請求（NodeIP 決定請求的 Node，NodePort 決定請求的 Service）
監聽與轉發：每個 Node 上的 kube-proxy 監聽多個到達?NodePort?端口的請求，并由 kube-proxy?將請求轉發到 NodePort 對應的 Service
監聽與轉發：每個 Service 監聽一個到達 NodePort 端口的請求，接收到請求后通過 selector 找到符合條件的?Pod，并通過負載均衡策略選擇一個 pod 并將請求發送給這個 pod 對應的 targetPort 端口
監聽請求：每個 pod 監聽一個 targetPort 端口發來的請求，由 pod 中的主容器監聽 containerPort（containerPort 和 targetPort 通常相同）
處理請求：主容器監聽一個 ContainerPort 端口發來的請求，主容器接收請求并處理請求（或轉發給其他容器處理請求）
處理請求：主容器接收并最終處理請求，處理過程中可能會通過 containerPort 調用其他容器的功能

服務分類

ClusterIP?服務

定義：僅在 Kubernetes 集群內部可訪問，服務的 IP 地址只在集群內部網絡中有效，無法從集群外部通過?ClusterIP?直接訪問服務
適用場景：內部服務之間的通信，如微服務架構中服務間的 RPC 調用

NodePort 服務

定義：Node 中的 Service 的端口號，集群通過 NodeIP:NodePort 將服務暴露給外部用戶
功能：用于將服務暴露在每個?Node（包括 Worker 和 Master）上的特定端口
缺點：多個服務有多個 IP，用戶訪問哪個 IP 就會訪問對應的 Node，沒有統一的負載均衡策略
工作流程
- 創建服務：用戶創建一個 NodePort 類型的服務
- 分配端口號：Kubernetes 會在集群中所有節點（包括 Worker Node 和 Master Node）上分配一個特定的端口（通常在 30000-32767 之間）
- 訪問服務：外部請求可以通過?任何節點（Master 或 Worker）的IP地址 + NodePort?來訪問服務（不僅限于 Master Node）
示例

如果在集群中定義了一個 NodePort 服務，分配了端口號 30001，并且集群有三個節點：
- Master Node IP:?192.168.1.10
- Worker Node 1 IP:?192.168.1.20
- Worker Node 2 IP:?192.168.1.30
那么可以從集群外通過以下任意地址訪問該服務：
- http://192.168.1.10:30001?（Master Node）
- http://192.168.1.20:30001?（Worker Node 1）
- http://192.168.1.30:30001?（Worker Node 2）

LoadBalancer 服務

定義：服務商提供的外部 IP，讓用戶通過統一的 IP 地址（External IP）訪問服務
- **ExternalIP：**使外部訪問可以通過集群節點的 IP 地址訪問指定服務（很少用，更常見的是通過 NodePort 或 Ingress 暴露服務）
功能
- 自動創建一個外部負載均衡器，并將流量路由到 Kubernetes 集群中的服務
- 提供了更簡便的方式訪問服務（通過一個外部 IP），通常用于云環境（如 AWS、GCP、Azure）
缺點：用戶需要知道具體的 IP 地址，可讀性不好，不便于用戶記憶
工作流程
- 創建服務：用戶創建一個?LoadBalancer?類型的服務
- 分配 IP：服務商分配一個外部 IP 地址給這個服務
- 訪問服務：用戶可以通過這個外部 IP 地址直接訪問該服務，而不需要知道任何節點的 IP

??Ingress 服務

定義：Kubernetes 用于 HTTP/HTTPS 路由的組件，通常配合 Ingress Controller（如 Nginx Ingress Controller）來工作
功能：將外部流量轉發到內部服務，使外部訪問可以通過配置域名、路徑等規則訪問服務，而不需要知道具體的 IP
工作流程
- 1. 接收請求：Ingress 接收來自外部的 HTTP/HTTPS 請求
- 1. 路由匹配：Ingress Controller 根據配置的路由規則（域名、路徑等）匹配請求
- 1. 轉發請求：將請求轉發到對應的后端服務（Service）
  - 支持基于路徑的轉發（如 /api -> api-service）
  - 支持基于域名的轉發（如 api.example.com -> api-service）
- 1. 負載均衡：Ingress Controller 可以實現請求的負載均衡
- 1. SSL/TLS 終止：處理 HTTPS 請求的 SSL/TLS 終止（如果配置了證書）

組成部分

組件	功能
Ingress 資源	定義路由規則，指定如何將外部請求轉發到內部服務
Ingress Controller	實現 Ingress 資源定義的規則，通常使用 Nginx、Traefik 等
后端服務	處理實際請求的 Kubernetes Service，可以是 ClusterIP、NodePort 等類型

總結

ClusterIP 類型的服務?：內部訪問使用的 IP，無法從集群外部訪問
?NodePort?類型的服務：外部可以訪問的服務，使用?”任意節點(Master 或 Worker)的 IP 地址” + “NodePort”?進行訪問
LoadBalancer 類型的服務：在云環境中，可以使用?LoadBalancer 類型的服務來獲得一個外部 IP 地址，直接從外部訪問
?Ingress?類型的服務：提供了一種更加靈活的 HTTP/HTTPS 訪問方式，適合基于域名或路徑規則管理外部流量

示例

目標：通過 NodePort 服務將一個應用程序（MyApp）暴露給外部訪問，使外部用戶可以通過節點的 IP 地址和端口號（30080）訪問該應用
工作流程
1. 將 myApp-service 服務通過 30080 端口暴露給外部，供外部訪問
2. Kube Proxy 監聽 30080 端口請求，并將請求轉發到 myApp-service 對應的端口 80
3. Service 根據 selector 選擇 app=MyApp 的 Pod ，并通過負載均衡策略選擇一個 Pod 處理請求
4. Service 將請求轉發到后端 Pod 的端口（targetPort: 8080）
5. Pod 處理請求并返回響應給 Service
6. Service 將響應返回給 Kube Proxy
7. Kube Proxy 將響應返回給用戶

代碼實現

apiVersion: v1               # 聲明 API 版本（如何同 API Server 進行交互），v1 最常用
kind: Service                # 聲明資源類型為 Service
metadata:                    # 聲明服務的元數據name: myApp-service        # 聲明服務的名字，Kubernetes 內部和外部引用該服務時將使用這個名字
spec:                        # specification: 聲明資源對象的配置信息type: NodePort             # 聲明該服務為節點端口類型的 (向外暴露的服務)selector:                  # 選擇器，用來選擇對應的 Pod，服務會將流量轉發到符合條件的 Podapp: MyApp               # 選擇 pod 的 Label 中 app=nginx 的資源ports:- protocol: TCP          # 指定服務使用的協議是 TCPport: 80               # 服務對集群內部公開的端口targetPort: 8080       # 服務后方 pod 的端口nodePort: 30080        # 聲明向外提供服務的端口號, 必須在30000~32767之間