今天要分享的是我先前整理的 Kubernetes (K8s) 入門筆記，希望能幫助大家快速上手這個強大的容器編排工具。

K8s 核心元件

• Node: 一個 Node 就是一台實體伺服器或虛擬機，是 K8s 工作負載的運行基礎，可運行一個或多個 Pod。

• Pod: K8s 中最小的調度和部署單位。它為一個或多個容器提供了一個共享的運行環境，包含共享的儲存（Volumes）和網路資源。雖然一個 Pod 可以包含多個容器，但通常情況下一個 Pod 只運行一個主容器。

• Sidecar: 這是一種將主容器和輔助容器放在同一個 Pod 中的模式。Sidecar 容器用來擴展或增強主容器的功能，例如日誌收集、監控、配置管理等，而不需要修改主應用程式的程式碼。

• Service (svc): 將一組 Pod 封裝成一個單一且穩定的服務端點。Service 提供了一個統一的入口來訪問這組 Pod，並具備負載平衡的功能。它可以分為對內的 ClusterIP 服務和對外的 NodePort、LoadBalancer 服務。

• Ingress: 作為叢集內服務的對外入口，負責管理從外部訪問叢集內部服務的規則。透過 Ingress，您可以配置不同的 HTTP/HTTPS 路由規則，將外部請求根據域名或路徑轉發到叢集內不同的 Service 上。

• ConfigMap 和 Secret: 用於將配置資訊和敏感資料（如密碼、API 金鑰）與應用程式映像檔解耦。這使得配置的修改不需要重新編譯和部署應用程式，提高了靈活性和安全性。

• Volume: 解決了容器內數據持久化的問題。它可以將數據掛載到本地磁碟或遠端儲存空間（如 NFS、Ceph 或雲端儲存），確保即使 Pod 重啟或被刪除，數據依然存在。

• Deployment 和 StatefulSet:

  • Deployment: 用於部署和管理「無狀態」應用程式。它能管理 Pod 和 ReplicaSet，並提供副本控制、滾動更新（rolling update）和回滾（rollback）等功能，以實現高可用性。
  • StatefulSet: 用於部署和管理「有狀態」應用程式（如資料庫）。它能確保 Pod 擁有穩定且唯一的網路標識符和持久化儲存，並保證部署和擴展的順序性。

K8s 架構：Master-Worker

K8s 採用 Master-Worker (或稱 Control Plane-Node) 的架構。

Worker Node (工作節點) 架構

每個 Worker Node 都包含三個核心組件：

• Container Runtime: 運行容器的基礎軟體，負責拉取容器映像檔、創建、啟動和停止容器。常見的 Runtime 有 Docker、containerd 和 CRI-O。
• Kubelet: 每個節點上的代理程式，負責管理該節點上的 Pod，確保容器按照 Pod 的規格（PodSpec）運行。它會定期與 API Server 通信，接收指令並回報節點狀態。
• Kube-proxy: 負責為 Service 提供網路代理和負載平衡。它會在每個節點上維護網路規則，將發往 Service 的流量高效地路由到後端正確的 Pod 中。

Master Node (控制平面) 架構

Master Node 是 K8s 叢集的大腦，負責管理和決策，主要由以下四個元件組成：

• kube-apiserver: K8s 的 API 伺服器，是整個叢集的統一入口。所有元件之間的通信都通過 API Server 進行。它負責處理 REST 請求、驗證和處理數據，並將結果存儲到 etcd 中。同時，它也負責認證、授權和訪問控制。

• etcd: 一個高可用的鍵值（Key-Value）儲存系統，用於保存整個叢集的所有狀態數據，例如 Pod、Service、Node 的配置和狀態資訊。etcd 是叢集的單一事實來源（single source of truth），是整個系統的數據儲存中心。

• Scheduler (調度器): 負責監控新創建的 Pod，並根據資源需求、策略和限制，將它們分配到最合適的 Worker Node 上運行。

• Controller Manager (控制器管理器): 運行多個控制器進程，這些控制器負責監控叢集狀態，並努力將當前狀態驅動到期望狀態。例如，當一個 Node 故障時，Node Controller 會及時發現並處理；當 Deployment 的副本數不足時，Replication Controller 會啟動新的 Pod。

• Cloud Controller Manager (雲端控制器管理器): (可選) 如果您在雲端供應商（如 GCP, AWS, Azure）上運行 K8s，這個組件會負責與雲端平台的 API 進行交互，管理雲端特有的資源，如負載平衡器、儲存卷等。

Deployment 與 ReplicaSet 的關係

在 K8s 中，我們通常不直接操作 Pod 或 ReplicaSet，而是通過更高層級的 Deployment 來管理。

Deployment –(管理)–> ReplicaSet –(管理)–> Pod

• ReplicaSet: 確保在任何時候都有指定數量的 Pod 副本在運行。
• Deployment: 管理 ReplicaSet 的版本和更新。當您更新 Deployment 的配置時（例如，更新容器映像檔），它會創建一個新的 ReplicaSet，並以滾動更新的方式逐步將 Pod 從舊版本遷移到新版本，實現平滑升級。

我們只需要定義期望的狀態（例如，“我需要這個應用程式的3個副本運行最新版本”），K8s 就會自動完成所有底層的創建、更新和管理工作。

Service 的其他類型

除了常見的 NodePort，Service 還有其他類型：

• LoadBalancer: 將服務暴露到外部的雲端負載平衡器上，通常在雲端環境中使用。
• ExternalName: 將服務通過 CNAME 記錄映射到一個外部域名，用於在叢集內部訪問外部服務。
• Headless: 不會分配 ClusterIP，主要用於服務發現，允許您直接解析到後端所有 Pod 的 IP 地址。

K3s & Minikube

• K3s: 一個輕量級、經過 CNCF 認證的 Kubernetes 發行版，適用於邊緣計算、物聯網和資源受限的環境。
• Minikube: 一個可以在本地輕鬆運行單節點 Kubernetes 叢集的工具，非常適合學習和開發測試。

學習資源

1. 30 分鐘 Docker 入門

   • 這部影片介紹了 Docker 的核心概念，包括它與傳統虛擬機的區別，以及鏡像（Image）、容器（Container）和倉庫（Repository）等關鍵元素。影片還通過一個 Node.js 應用程式實例，演示了如何編寫 Dockerfile、構建鏡像和運行容器，並介紹了 Docker Compose 在多容器應用管理中的應用。

2. Kubernetes 一小時輕鬆入門

   • 這部影片旨在幫助初學者快速掌握 K8s 的核心概念和架構，包括 Node、Pod、Service 等。影片詳細介紹了 Master-Worker 架構中各組件的功能，並指導如何使用 Minikube 或 K3s 在本地搭建環境，以及 kubectl 的基本操作。

3. Ithome 鐵人賽好文：入門 Kubernetes 到考取 CKA 證照

   • 這是一系列非常詳盡的部落格文章，從基礎概念到實戰操作，內容涵蓋廣泛，是深入學習 K8s 並準備 CKA 認證的絕佳資源。

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