深入淺出 Kubernetes:一個月從零到集群部署管理專家

Kubernetes（K8s）是當今最受歡迎的容器編排平台之一，其讓開發者和運維工程師能夠輕鬆管理、擴展和自動化容器化應用程序的部署。這篇文章將引導讀者從零開始，深入了解 Kubernetes 的基礎知識、環境搭建、應用管理、監控、進階特性以及資源支持，幫助你在一個月內成為 Kubernetes 部署管理的專家。

1. Kubernetes 基礎概念

Kubernetes 的歷史與背景

Kubernetes 於 2014 年由 Google 開源，基於其多年來在 Google 內部的容器編排經驗。Kubernetes 的名字源於希臘語，意為「舵手」，象徵著管理和引導。隨著微服務架構的興起，Kubernetes 迅速獲得廣泛的社區支持，並成為容器編排的事實標準。

主要貢獻者包括 Google、Red Hat、IBM 和許多其他公司，Kubernetes 現在擁有一個活躍的開源社區，定期更新和擴展其功能。

Kubernetes 的核心組件

Kubernetes 的核心組件可以分為控制平面和工作負載兩個主要部分：

控制平面
- API Server：Kubernetes 的中心，用於所有操作的入口。
- 控制器管理器：負責維護集群的狀態，確保實際狀態與期望狀態一致。
- 調度器：決定 Pod 應該在哪個節點上運行。
工作負載
- Pod：Kubernetes 中的最小部署單位，可以包含一個或多個容器。
- ReplicaSet：保證指定數量的 Pod 副本在運行。
- Deployment：管理 Pod 的部署與版本控制。

Kubernetes 的架構

Kubernetes 的架構分為 Master 節點和 Worker 節點：

Master 節點：負責管理集群的全局狀態，運行 API Server、控制器管理器和調度器。
Worker 節點：運行實際的應用程序容器，並透過 Kubelet 與 Master 節點進行通信。

網絡與儲存解決方案的基本概念

Kubernetes 支持多種網絡插件和存儲解決方案，確保容器之間的通信和數據持久性。常見的網絡方案包括 Calico、Flannel 和 Weave，而儲存方案則包括 NFS、Ceph 和 AWS EBS。

2. Kubernetes 環境搭建

本地開發環境

要在本地搭建 Kubernetes 環境，可以選擇 Minikube 或 Kind。這裡以 Minikube 為例：

安裝 Minikube
- 下載並安裝 Minikube，然後執行以下命令啟動：
```
minikube start
```

安裝 kubectl 工具

kubectl 是 Kubernetes 的命令行工具，用於與 Kubernetes API 進行交互。安裝 kubectl：

curl -LO "https://storage.googleapis.com/kubernetes-release/release/$(curl -s https://storage.googleapis.com/kubernetes-release/release/stable.txt)/bin/linux/amd64/kubectl"
chmod +x ./kubectl
sudo mv ./kubectl /usr/local/bin/kubectl

雲端集群部署

在雲端部署 Kubernetes 集群可以利用各大雲服務提供商的 Kubernetes 服務，如 AWS EKS、GCP GKE 和 Azure AKS。以下是 AWS EKS 的簡單部署步驟：

在 AWS 控制台創建 EKS 集群
- 登錄 AWS 控制台，選擇 EKS，然後創建一個新的集群。
使用 Helm 部署應用程序
- Helm 是 Kubernetes 的包管理工具，可簡單部署和管理應用程序。安裝 Helm 並添加官方倉庫：
```
curl https://raw.githubusercontent.com/helm/helm/master/scripts/get-helm-3 | bash
helm repo add stable https://charts.helm.sh/stable
```

集群配置與管理

了解 kubeconfig 文件
- kubeconfig 文件用於配置 kubectl 工具以訪問 Kubernetes 集群，通常位於 ~/.kube/config。
設定與管理命名空間
- Kubernetes 使用命名空間將資源分隔開來，使用以下命令創建新的命名空間：
```
kubectl create namespace my-namespace
```

3. Kubernetes 應用與服務管理

容器化應用程序的部署

在 Kubernetes 中，應用程序通常以容器的形式部署。首先需要了解 Docker 的基本概念，然後創建一個 Deployment 來管理應用程序的部署。

Docker 與容器基本知識
- Docker 是一個開源的容器平台，能夠將應用程序及其依賴項封裝在一個便攜的容器中。

如何創建與管理 Deployment

使用以下 YAML 文件定義一個簡單的 Deployment，然後使用 kubectl 部署：

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
 name: my-app
spec:
 replicas: 3
 selector:
   matchLabels:
     app: my-app
 template:
   metadata:
     labels:
       app: my-app
   spec:
     containers:
     - name: my-container
       image: my-image:latest
       ports:
       - containerPort: 80

部署命令：

kubectl apply -f deployment.yaml

服務暴露與網絡策略

Kubernetes 提供多種方式來暴露服務：

ClusterIP：默認服務類型，僅在集群內部可訪問。
NodePort：在每個 Node 上開放一個端口，通過 Node 的 IP 地址訪問服務。
LoadBalancer：使用雲服務提供商的負載均衡器，將流量路由到服務。

設定 Ingress 控制器

Ingress 控制器允許外部 HTTP/S 流量路由到內部服務。以下是一個簡單的 Ingress 配置示例：

apiVersion: networking.k8s.io/v1
kind: Ingress
metadata:
  name: my-app-ingress
spec:
  rules:
  - host: my-app.example.com
    http:
      paths:
      - path: /
        pathType: Prefix
        backend:
          service:
            name: my-service
            port:
              number: 80

持續集成與持續部署（CI/CD）

CI/CD 是 DevOps 實踐的核心，允許開發者自動化應用程序的構建、測試和部署。在 Kubernetes 環境中，可以使用 Jenkins 或 GitLab CI 進行集成：

使用 Jenkins 與 Kubernetes 整合
- 安裝 Jenkins Kubernetes 插件，配置 Jenkins 的 Kubernetes 插件以使用 Kubernetes 作為構建環境。
自動化部署流程的基本步驟
- 定義 Jenkins Pipeline，將代碼推送至 Git 時，自動構建 Docker 映像並部署到 Kubernetes 集群。

4. Kubernetes 的監控與故障排除

監控工具與最佳實踐

監控是保持集群健康的重要部分，Prometheus 和 Grafana 是常用的監控工具組合。

Prometheus 與 Grafana 的基本配置
- 使用 Helm 安裝 Prometheus：
```
helm install prometheus stable/prometheus
```
- 安裝 Grafana：
```
helm install grafana stable/grafana
```
監控 Pod 和 Node 的性能指標
- 通過 Grafana 的儀表板可視化 Pod 和 Node 的 CPU、內存使用情況。

日誌管理與分析

日誌是故障排除的重要資源，ELK 堆疊（Elasticsearch、Logstash、Kibana）和 Fluentd 是流行的解決方案。

使用 ELK 堆疊
- 使用 Logstash 收集日誌，將其發送到 Elasticsearch，然後使用 Kibana 進行可視化分析。
了解 Fluentd 的功能
- Fluentd 是一個開源的數據收集器，能夠收集和轉發日誌到多種後端，如 Elasticsearch。

故障排除技巧

故障排除是日常運維的重要技能，以下是一些常見錯誤及其解決方案：

Pod 未能啟動
- 使用命令檢查 Pod 狀態：
```
kubectl get pods
```
- 查看 Pod 日誌：
```
kubectl logs <pod-name>
```
使用 kubectl 命令進行故障排除
- 檢查集群狀態：
```
kubectl get nodes
```
- 描述資源以獲取詳細信息：
```
kubectl describe pod <pod-name>
```

5. 進階 Kubernetes 特性

自動擴展與負載均衡

Kubernetes 提供了多種自動擴展和負載均衡的機制。

Horizontal Pod Autoscaler 的設定
- Horizontal Pod Autoscaler (HPA) 允許自動根據 CPU 使用率調整 Pod 副本數量：
```
kubectl autoscale deployment my-app --cpu-percent=50 --min=1 --max=10
```
Cluster Autoscaler 與負載均衡器的使用
- Cluster Autoscaler 會根據負載自動調整集群的 Node 數量，確保資源的有效使用。

持久化存儲與資料管理

Kubernetes 提供了持久化存儲的功能，確保容器的數據在重啟後仍然存在。

Persistent Volume 與 Persistent Volume Claim 的概念
- Persistent Volume (PV) 是集群中的一片存儲資源，而 Persistent Volume Claim (PVC) 是對 PV 的請求。
整合外部儲存解決方案
- Kubernetes 支持多種外部儲存解決方案，如 NFS 和 Ceph，能夠擴展存儲的靈活性。

安全性管理

Kubernetes 具有多種安全性管理機制。

RBAC（基於角色的存取控制）與 Network Policies
- RBAC 用於控制用戶和應用的訪問權限，而 Network Policies 則控制 Pod 之間的網絡流量。
使用 Secrets 和 ConfigMaps 管理機密資訊
- Secrets 用於存放敏感信息，如密碼，ConfigMaps 用於存放配置數據。

6. 社區與資源

Kubernetes 官方文件與學習資源

Kubernetes 的官方文檔是學習的最佳起點，提供了詳細的 API 文檔和使用指南。

官方文檔的導航與使用技巧
- 利用搜索功能快速找到所需的信息，並參考示例和最佳實踐。
在線課程與認證考試（如 CKA、CKAD）
- 報名參加官方認證課程，提升自己的 Kubernetes 技能。

社區支持與交流

Kubernetes 擁有一個活躍的社區，可以通過參加論壇和社交媒體獲得支持。

加入 Kubernetes 社區與論壇
- 加入 Kubernetes Slack 群組或 Stack Overflow，尋求幫助或分享經驗。
參加 Meetups 與技術會議
- 參加本地 Meetups 和全球技術會議，與其他 Kubernetes 使用者交流。

持續學習與實踐

學習 Kubernetes 最好的方法是實踐。

建立個人專案以鞏固學習成果
- 嘗試構建自己的應用程序並在 Kubernetes 上部署，增強實踐經驗。
定期關注 Kubernetes 的更新與新特性
- 持續關注 Kubernetes 的新版本，了解新功能和改進，保持技術的領先性。

這篇文章從基礎概念到進階特性，為讀者提供了全面的 Kubernetes 知識，幫助新手在一個月內掌握集群部署與管理的技能。希望這能夠成為你學習 Kubernetes 的良好起點！

關於作者

Carger

我是Oscar (卡哥)，前Yahoo Lead Engineer、高智商同好組織Mensa會員，超過十年的工作經驗，服務過Yahoo關鍵字廣告業務部門、電子商務及搜尋部門，喜歡彈吉他玩音樂，也喜歡投資美股、虛擬貨幣，樂於與人分享交流！

從零開始學習 Kubernetes 一個月成為集群管理專家