k8s教程3：Kubernetes應用的部署和管理

學習目標

理解Kubernetes中應用部署的基本概念和方法
掌握Deployment、ReplicaSet、StatefulSet、DaemonSet、Job與CronJob等控制器的使用
了解Helm作為Kubernetes的包管理工具的基本使用
通過實際示例學習應用的部署、更新與管理

Kubernetes提供了一套強大而靈活的機制，用于部署、管理和擴展容器化應用。通過不同類型的控制器（Controllers），Kubernetes能夠自動化處理應用的生命周期，確保應用的高可用性和可擴展性。本篇文章將深入探討Kubernetes中應用部署與管理的核心概念和實踐方法，包括各種控制器的使用、配置管理工具Helm的介紹，以及實際的部署示例，幫助讀者全面掌握Kubernetes應用管理的關鍵技能。

1. 應用部署概述

在Kubernetes中，**部署（Deployment）**是管理應用生命周期的核心資源對象。通過Deployment，用戶可以聲明應用的期望狀態，如Pod的數量、使用的鏡像版本等，Kubernetes會自動確保實際狀態與期望狀態一致。Deployment提供了滾動更新、回滾、擴展和暫停等功能，極大地簡化了應用的管理。

關鍵概念：

聲明式管理：用戶聲明期望狀態，Kubernetes負責實現和維護。
自動化控制：自動處理Pod的創建、更新和刪除，確保應用的高可用性。
版本管理：支持應用版本的快速切換和回滾。

2. Deployment

Deployment是用于管理無狀態應用的控制器，負責確保指定數量的Pod副本在任何時候都在運行。它支持滾動更新和回滾功能，使應用的版本管理更加便捷和安全。

主要功能：

滾動更新：逐步替換舊版本的Pod，確保服務不中斷。
回滾：在更新失敗時，快速恢復到之前的穩定版本。
擴展與縮減：根據需求動態調整Pod的副本數量。

示例：創建一個簡單的Deployment

創建deployment.yaml文件：

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:name: nginx-deploymentlabels:app: nginx
spec:replicas: 3selector:matchLabels:app: nginxtemplate:metadata:labels:app: nginxspec:containers:- name: nginximage: nginx:1.14.2ports:- containerPort: 80

應用配置：

kubectl apply -f deployment.yaml

3. ReplicaSet

ReplicaSet用于確保在任何時間點都有指定數量的Pod副本在運行。雖然Deployment實際上使用ReplicaSet來管理Pod副本，但理解ReplicaSet的工作原理對于深入掌握Kubernetes應用管理至關重要。

主要功能：

Pod副本管理：確保Pod的數量與ReplicaSet的副本數一致。
標簽選擇器：通過標簽匹配Pod，進行管理和調度。

示例：查看ReplicaSet

kubectl get replicasets

4. StatefulSet

StatefulSet用于管理有狀態應用，提供穩定的網絡標識符、持久化存儲和有序的部署與更新。適用于數據庫、分布式存儲系統等需要保持狀態的應用。

主要功能：

穩定的Pod名稱：每個Pod都有一個唯一且穩定的名稱。
有序部署與更新：按照順序創建、刪除或更新Pod。
持久化存儲：每個Pod可以綁定到特定的PersistentVolume，確保數據持久性。

示例：創建一個StatefulSet

創建statefulset.yaml文件：

apiVersion: apps/v1
kind: StatefulSet
metadata:name: mysql
spec:serviceName: "mysql"replicas: 3selector:matchLabels:app: mysqltemplate:metadata:labels:app: mysqlspec:containers:- name: mysqlimage: mysql:5.7ports:- containerPort: 3306env:- name: MYSQL_ROOT_PASSWORDvalue: "my-secret-pw"volumeMounts:- name: mysql-persistent-storagemountPath: /var/lib/mysqlvolumeClaimTemplates:- metadata:name: mysql-persistent-storagespec:accessModes: [ "ReadWriteOnce" ]resources:requests:storage: 1Gi

應用配置：

kubectl apply -f statefulset.yaml

5. DaemonSet

DaemonSet確保在集群中的每個節點上運行一個Pod實例，常用于運行集群級別的服務，如日志收集、監控代理等。

主要功能：

節點級服務部署：在每個節點上自動創建Pod。
自動擴展：新添加的節點會自動部署DaemonSet的Pod。

示例：創建一個DaemonSet

創建daemonset.yaml文件：

apiVersion: apps/v1
kind: DaemonSet
metadata:name: fluentdlabels:app: fluentd
spec:selector:matchLabels:app: fluentdtemplate:metadata:labels:app: fluentdspec:containers:- name: fluentdimage: fluent/fluentd:v1.11ports:- containerPort: 24224

應用配置：

kubectl apply -f daemonset.yaml

6. Job與CronJob

Job和CronJob用于管理批處理任務。Job負責一次性任務的執行，確保任務完成；CronJob則基于時間計劃定期執行任務。

主要功能：

Job：
- 一次性任務：執行特定的批處理任務，如數據庫遷移、數據備份等。
- 重試機制：在任務失敗時自動重試。
CronJob：
- 定時任務：按照預定的時間表定期執行任務。
- 靈活的時間表達式：支持類似Linux cron的時間調度格式。

示例：創建一個Job

創建job.yaml文件：

apiVersion: batch/v1
kind: Job
metadata:name: pi
spec:template:spec:containers:- name: piimage: perlcommand: ["perl", "-Mbignum=bpi", "-wle", "print bpi(2000)"]restartPolicy: NeverbackoffLimit: 4

應用配置：

kubectl apply -f job.yaml

示例：創建一個CronJob

創建cronjob.yaml文件：

apiVersion: batch/v1
kind: CronJob
metadata:name: hello
spec:schedule: "*/1 * * * *"jobTemplate:spec:template:spec:containers:- name: helloimage: busyboxargs:- /bin/sh- -c- echo Hello Kubernetes! && sleep 30restartPolicy: OnFailure

應用配置：

kubectl apply -f cronjob.yaml

7. Helm介紹與使用

Helm是Kubernetes的包管理工具，類似于Linux的apt或yum。通過Helm，用戶可以更輕松地打包、配置和部署Kubernetes應用。

主要功能：

Chart：Helm的包格式，包含應用的所有Kubernetes資源定義。
版本管理：支持應用的版本控制和回滾。
模板化配置：使用模板和變量，實現配置的靈活性和可重用性。

安裝Helm

下載Helm
- 訪問Helm官網下載適用于操作系統的Helm二進制文件。

安裝Helm

解壓下載的文件并將helm可執行文件移動到系統路徑中，例如：

tar -zxvf helm-v3.10.0-linux-amd64.tar.gz
sudo mv linux-amd64/helm /usr/local/bin/helm

驗證安裝
```
helm version
```

使用Helm部署應用

添加Helm倉庫

helm repo add stable https://charts.helm.sh/stable
helm repo update

安裝一個Chart

helm install my-nginx stable/nginx-ingress

查看已安裝的Chart
```
helm list
```

升級Chart

helm upgrade my-nginx stable/nginx-ingress --set controller.replicaCount=3

回滾Chart
```
helm rollback my-nginx 1
```
卸載Chart
```
helm uninstall my-nginx
```

8. 配置和管理應用

除了基本的部署，Kubernetes還提供了豐富的配置和管理工具，確保應用能夠靈活適應不同的環境和需求。

配置管理工具：

ConfigMap：用于存儲非敏感的配置信息，如配置文件和環境變量。
Secret：用于存儲敏感數據，如密碼、令牌和證書，支持加密存儲。

示例：使用ConfigMap

創建configmap.yaml文件：

apiVersion: v1
kind: ConfigMap
metadata:name: app-config
data:APP_ENV: productionLOG_LEVEL: info

應用配置：

kubectl apply -f configmap.yaml

在Pod中使用ConfigMap：

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:name: config-pod
spec:containers:- name: appimage: my-app-imageenvFrom:- configMapRef:name: app-config

示例：使用Secret

創建secret.yaml文件：

apiVersion: v1
kind: Secret
metadata:name: db-secret
type: Opaque
data:username: YWRtaW4=  # base64編碼后的"admin"password: MWYyZDFlMmU2N2Rm  # base64編碼后的"1f2d1e2e67df"

應用配置：

kubectl apply -f secret.yaml

在Pod中使用Secret作為環境變量：

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:name: secret-pod
spec:containers:- name: appimage: my-app-imageenv:- name: DB_USERNAMEvalueFrom:secretKeyRef:name: db-secretkey: username- name: DB_PASSWORDvalueFrom:secretKeyRef:name: db-secretkey: password

9. 實際示例與操作步驟

通過一個完整的示例，展示如何在Kubernetes中部署和管理一個實際應用，包括使用Deployment、Service、ConfigMap和Secret等資源。

示例背景

假設我們需要部署一個簡單的Web應用，該應用連接到一個MySQL數據庫。應用需要讀取配置信息，并通過環境變量傳遞數據庫憑證。我們將使用Deployment管理Web應用，StatefulSet管理MySQL數據庫，并使用Service進行網絡暴露。

步驟 1：部署MySQL數據庫

創建StorageClass（如果需要動態存儲）

創建storageclass.yaml：

apiVersion: storage.k8s.io/v1
kind: StorageClass
metadata:name: standard
provisioner: kubernetes.io/aws-ebs  # 根據實際環境選擇
parameters:type: gp2fsType: ext4
reclaimPolicy: Delete

應用配置：

kubectl apply -f storageclass.yaml

創建Secret用于數據庫憑證

創建mysql-secret.yaml：

apiVersion: v1
kind: Secret
metadata:name: mysql-secret
type: Opaque
data:username: YWRtaW4=  # base64編碼后的"admin"password: cGFzc3dvcmQ=  # base64編碼后的"password"

應用配置：

kubectl apply -f mysql-secret.yaml

創建StatefulSet部署MySQL

創建mysql-statefulset.yaml：

apiVersion: apps/v1
kind: StatefulSet
metadata:name: mysql
spec:serviceName: "mysql"replicas: 1selector:matchLabels:app: mysqltemplate:metadata:labels:app: mysqlspec:containers:- name: mysqlimage: mysql:5.7env:- name: MYSQL_ROOT_PASSWORDvalueFrom:secretKeyRef:name: mysql-secretkey: passwordports:- containerPort: 3306volumeMounts:- name: mysql-persistent-storagemountPath: /var/lib/mysqlvolumeClaimTemplates:- metadata:name: mysql-persistent-storagespec:accessModes: [ "ReadWriteOnce" ]resources:requests:storage: 1Gi

應用配置：

kubectl apply -f mysql-statefulset.yaml

創建Service暴露MySQL

創建mysql-service.yaml：

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:name: mysql
spec:ports:- port: 3306clusterIP: Noneselector:app: mysql

應用配置：

kubectl apply -f mysql-service.yaml

步驟 2：部署Web應用

創建ConfigMap用于應用配置

創建web-configmap.yaml：

apiVersion: v1
kind: ConfigMap
metadata:name: web-config
data:APP_ENV: productionLOG_LEVEL: info

應用配置：

kubectl apply -f web-configmap.yaml

創建Deployment部署Web應用

創建web-deployment.yaml：

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:name: web-app
spec:replicas: 2selector:matchLabels:app: webtemplate:metadata:labels:app: webspec:containers:- name: webimage: my-web-app-image:latest  # 替換為實際鏡像ports:- containerPort: 80envFrom:- configMapRef:name: web-configenv:- name: DB_USERNAMEvalueFrom:secretKeyRef:name: mysql-secretkey: username- name: DB_PASSWORDvalueFrom:secretKeyRef:name: mysql-secretkey: password

應用配置：

kubectl apply -f web-deployment.yaml

創建Service暴露Web應用

創建web-service.yaml：

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:name: web-service
spec:type: NodePortports:- port: 80targetPort: 80nodePort: 30080selector:app: web

應用配置：

kubectl apply -f web-service.yaml

訪問Web應用

在瀏覽器中輸入http://<Cluster_IP>:30080，即可訪問部署的Web應用。

步驟 3：更新應用

修改Deployment配置

更新web-deployment.yaml中的鏡像版本，例如將my-web-app-image:latest更新為my-web-app-image:v2.0。
應用更新配置
```
kubectl apply -f web-deployment.yaml
```

觀察滾動更新過程

kubectl rollout status deployment/web-app

驗證應用版本

訪問Web應用，確保應用已更新到新版本。

10. 高級配置與最佳實踐

為了確保Kubernetes應用的高效運行和管理，以下是一些高級配置和最佳實踐：

10.1 使用健康檢查

配置Readiness Probe和Liveness Probe，確保應用的健康狀態。

示例：配置Readiness和Liveness Probe

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:name: web-app
spec:replicas: 2selector:matchLabels:app: webtemplate:metadata:labels:app: webspec:containers:- name: webimage: my-web-app-image:latestports:- containerPort: 80readinessProbe:httpGet:path: /healthzport: 80initialDelaySeconds: 5periodSeconds: 10livenessProbe:httpGet:path: /healthzport: 80initialDelaySeconds: 15periodSeconds: 20

10.2 使用滾動更新策略

通過配置滾動更新策略，控制應用更新的方式和速度。

示例：配置滾動更新策略

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:name: web-app
spec:replicas: 3strategy:type: RollingUpdaterollingUpdate:maxUnavailable: 1maxSurge: 1selector:matchLabels:app: webtemplate:metadata:labels:app: webspec:containers:- name: webimage: my-web-app-image:latestports:- containerPort: 80

10.3 資源限制與配額

為容器配置資源限制，防止資源濫用。

示例：配置資源限制

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:name: web-app
spec:replicas: 2selector:matchLabels:app: webtemplate:metadata:labels:app: webspec:containers:- name: webimage: my-web-app-image:latestports:- containerPort: 80resources:requests:memory: "64Mi"cpu: "250m"limits:memory: "128Mi"cpu: "500m"

配置資源配額

創建resource-quota.yaml：

apiVersion: v1
kind: ResourceQuota
metadata:name: web-quota
spec:hard:pods: "10"requests.cpu: "2"requests.memory: "1Gi"limits.cpu: "4"limits.memory: "2Gi"

應用配置：

kubectl apply -f resource-quota.yaml

10.4 使用標簽和選擇器

通過合理使用標簽和選擇器，實現資源的高效管理和組織。

示例：使用標簽選擇器

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:name: web-applabels:tier: frontend
spec:replicas: 2selector:matchLabels:tier: frontendtemplate:metadata:labels:tier: frontendspec:containers:- name: webimage: my-web-app-image:latestports:- containerPort: 80

11. 故障排除與常見問題

在Kubernetes應用的部署和管理過程中，可能會遇到各種問題。以下是一些常見問題及其解決方法：

11.1 Pod無法啟動

原因：

鏡像拉取失敗
配置錯誤
資源不足

解決方法：

查看Pod狀態：
```
kubectl get pods
```
查看詳細信息：
```
kubectl describe pod <pod-name>
```
查看容器日志：
```
kubectl logs <pod-name>
```

11.2 Service無法訪問

原因：

Service配置錯誤
后端Pod未就緒
網絡策略限制

解決方法：

檢查Service配置：

kubectl get svc
kubectl describe svc <service-name>

檢查后端Pod狀態：
```
kubectl get pods -l app=<app-label>
```
檢查網絡策略：
```
kubectl get networkpolicy
```

11.3 應用更新失敗

原因：

新版本鏡像有問題
配置錯誤
資源限制

解決方法：

查看Deployment狀態：

kubectl rollout status deployment/<deployment-name>

回滾到之前的版本：

kubectl rollout undo deployment/<deployment-name>

檢查新版本Pod的詳細信息和日志。

12. 總結

Kubernetes提供了一套完善的機制，用于部署、管理和擴展容器化應用。通過掌握Deployment、ReplicaSet、StatefulSet、DaemonSet、Job與CronJob等控制器的使用，結合配置管理工具Helm，運維人員能夠高效地管理應用的生命周期，確保應用的高可用性和可擴展性。此外，理解和應用最佳實踐，如健康檢查、資源限制和標簽選擇器，有助于構建穩定和可靠的Kubernetes應用環境。

通過本篇文章的學習，你已經掌握了Kubernetes中應用部署與管理的核心概念和實際操作步驟。接下來，你可以繼續學習第四篇：Kubernetes服務發現與負載均衡，深入了解Kubernetes中的網絡管理和流量控制。如果你有任何問題或需要進一步的指導，請隨時與我聯系！

13. 資源鏈接

Kubernetes官方文檔 - Deployments
Kubernetes官方文檔 - ReplicaSets
Kubernetes官方文檔 - StatefulSets
Kubernetes官方文檔 - DaemonSets
Kubernetes官方文檔 - Jobs
Kubernetes官方文檔 - CronJobs
Helm官方文檔
Kubernetes官方文檔 - ConfigMaps
Kubernetes官方文檔 - Secrets
Kubernetes最佳實踐指南

通過本篇文章，你已經深入了解了Kubernetes中應用的部署和管理方法，掌握了各種控制器的使用技巧，學會了如何使用Helm進行應用的打包和部署，并通過實際示例加深了理解。應用這些知識，你可以更加高效地管理Kubernetes集群中的應用，確保其穩定運行和靈活擴展。接下來，你可以繼續學習第四篇：Kubernetes服務發現與負載均衡，進一步提升你的Kubernetes運維和管理技能。