Kubernetes 的架构
本文全面介绍 Kubernetes 的核心架构、对象模型、命名空间、对象管理与扩展机制等基础内容。若需深入了解存储、网络或工作负载管理等专题，请参考相关专章。
Kubernetes 的前身 Borg
要谈到 Kubernetes 就要不得从 Borg 系统开始谈起。Borg 是 Google 内部运行超过 15 年的大规模集群管理系统，管理着数十万个应用跨越数千个集群。它为 Kubernetes 的设计提供了宝贵的实践经验和理论基础。
Borg 核心组件
- BorgMaster：集群大脑，负责状态管理和决策制定，使用 Paxos 协议保证一致性
- Scheduler：智能调度器，基于资源需求和约束条件进行任务分配
- Borglet：节点代理，管理容器生命周期和资源监控
- borgcfg：声明式配置工具，定义应用的期望状态
Kubernetes 架构总览
Kubernetes 采用分布式架构，控制面与工作节点分离，实现了决策集中与任务分布的高可用设计。
控制面组件
控制面负责全局决策与事件响应，核心组件如下：
| 组件 | 描述 | 主要职责 |
|---|---|---|
| kube-apiserver | 控制面的前端入口 | 提供 API，处理所有请求 |
| etcd | 一致性高可用键值存储 | 存储集群所有数据 |
| kube-scheduler | 监听新建 Pod | 根据资源调度 Pod 到节点 |
| kube-controller-manager | 运行控制器进程 | 通过控制循环维护集群状态 |
节点组件
每个节点运行以下组件，负责 Pod 的实际运行与网络管理。
| 组件 | 描述 | 主要职责 |
|---|---|---|
| kubelet | 节点代理 | 保证 Pod 中容器运行 |
| kube-proxy | 网络代理 | 维护节点网络规则 |
| 容器运行时 | 容器执行环境 | 运行容器（如 Docker、containerd、CRI-O） |
Kubernetes API 与对象模型
Kubernetes API 定义了一组资源类型（对象），所有操作均通过 API Server 完成，负责对象的校验与配置。
API 概念
Kubernetes API 遵循 RESTful 设计：
- 资源通过 HTTP 动词（
GET、POST、PUT、DELETE、PATCH）访问 - 资源按 API 组组织（如
apps、batch、networking.k8s.io） - 对象包含
metadata、spec、status等字段
对象的声明式管理
Kubernetes 对象是集群状态的持久实体，描述：
- 运行的容器化应用
- 可用资源
- 行为策略
每个对象有两个关键字段：
spec：用户声明的期望状态status：Kubernetes 实际观测到的状态
对象命名与标识
每个对象通过以下标识唯一确定：
| 标识 | 描述 | 示例 |
|---|---|---|
| Name | 用户自定义名称 | nginx-deployment |
| UID | 系统生成唯一标识 | a8f3d1c8-0aeb-11e9-a4c2-000c29ed5138 |
| Namespace | 命名空间范围 | default、kube-system |
命名空间内资源名称唯一，集群级资源全局唯一。
标签与选择器
标签（Label）是附加在对象上的键值对，用于组织和筛选对象。
标签常用于：
- 服务选择 Pod
- 对象分组与组织
- 批量操作对象
字段选择器
字段选择器（Field Selector）可根据对象字段筛选资源，例如：
kubectl get pods --field-selector status.phase=Running
| 资源类型 | 支持字段 |
|---|---|
| Pod | status.phase, spec.nodeName, spec.serviceAccountName |
| Node | spec.unschedulable |
| Event | involvedObject.kind, reason, type |
命名空间与资源隔离
命名空间用于在单集群内隔离资源，适合多租户场景。
Kubernetes 默认包含四个命名空间：
default：默认命名空间kube-system：系统组件kube-public：所有用户可读，公开资源kube-node-lease：节点心跳对象
对象所有权与垃圾回收
Kubernetes 通过 ownerReference 管理对象生命周期，实现级联删除。
删除对象时可选择：
- 前台删除：先删除依赖对象，再删除所有者
- 后台删除：立即删除所有者，依赖对象后台清理
- 孤立删除：仅删除所有者，保留依赖对象
API Server 工作机制
API Server 是控制面的核心，负责所有组件间通信与 API 暴露。
API Server 请求处理流程
处理流程：
- 认证：校验客户端身份
- 鉴权：检查权限
- 准入控制：执行策略或修改对象
- 校验：结构合法性检查
- 存储：持久化到 etcd
Server-Side Apply
Server-Side Apply 支持多客户端协作管理资源字段，自动冲突检测与合并。
主要特性：
- 跟踪字段归属
- 冲突自动检测与提示
- 支持控制器与人工协作
Kubernetes 扩展机制
Kubernetes 支持多种扩展方式，无需修改核心代码即可适配不同场景。
| 扩展类型 | 作用 | 示例 |
|---|---|---|
| 自定义资源 | 扩展 API 对象类型 | CRD、API 聚合 |
| 准入 Webhook | 拦截 API 请求校验/变更 | ValidatingWebhook、MutatingWebhook |
| 调度扩展 | 自定义 Pod 调度逻辑 | 调度插件、多调度器 |
| 认证模块 | 新增认证方式 | OIDC、Webhook Token Auth |
| 网络插件 | 实现 Pod 网络 | Calico、Cilium、Flannel |
| 存储插件 | 支持多种存储系统 | CSI 插件 |
日志与监控
Kubernetes 提供多种日志与监控能力，便于集群与应用的运维。
系统组件日志
各组件日志路径如下：
| 组件 | Linux 路径 | Windows 路径 |
|---|---|---|
| kube-apiserver | /var/log/kube-apiserver.log | C:\var\logs\kube-apiserver.log |
| kube-scheduler | /var/log/kube-scheduler.log | C:\var\logs\kube-scheduler.log |
| kube-controller-manager | /var/log/kube-controller-manager.log | C:\var\logs\kube-controller-manager.log |
| kubelet | /var/log/kubelet.log | C:\var\logs\kubelet.log |
| containers | /var/log/pods/<namespace>_<pod-name>_<uid>/<container-name>/ | C:\var\log\pods\<namespace>_<pod-name>_<uid>\<container-name>\ |
指标采集
Kubernetes 组件通过 /metrics 端点暴露 Prometheus 格式指标。
这些指标有助于集群健康与性能监控。
分布式追踪
Kubernetes 支持分布式追踪，便于跨组件操作的监控与故障排查。
系统组件通过 OpenTelemetry 协议记录操作延迟与依赖关系。
总结
本文系统梳理了 Kubernetes 的核心架构、对象模型、命名空间、对象管理与扩展机制等基础内容。掌握这些核心概念，是高效使用和运维 Kubernetes 集群的前提。更多专题内容请参阅相关章节。
参考资料
- Borg, Omega, and Kubernetes - ACM Queue
- Large-scale cluster management at Google with Borg
- Kubernetes 官方文档 - kubernetes.io
- Kubernetes API 参考 - kubernetes.io
- Kubernetes 扩展机制 - kubernetes.io