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玄貓（BlackCat）

Kubernetes叢集佈署

本提供多種 Kubernetes 叢集佈署方法，涵蓋 kubectl、k3s、KinD 和 kOps 等工具，從入門到進階，滿足不同環境和技術需求。文章包含詳細步驟、程式碼範例、圖表說明和相關資源，適合開發者、DevOps 工程師和技術經理參考。

容器技術 雲原生
Kubernetes 叢集佈署 Kubeadm kOps KinD k3s

Kubernetes 叢集佈署是現代化應用程式管理的根本。本文探討多種佈署方式，從使用 kubectl 工具的基礎安裝，到利用 k3s、KinD 和 kOps 等工具構建輕量級或生產級叢集，涵蓋不同應用場景和技術層級。透過逐步說明、程式碼範例和圖表解析，讀者可以快速掌握 Kubernetes 叢集的建立、組態和管理，並根據自身需求選擇最合適的佈署策略。無論是資源有限的開發環境，還是需要高度可擴充套件性和自動化的生產環境，本文都提供了實用的解決方案和最佳實務參考。

Kubernetes 技術：從入門到實戰

Kubernetes 是一個開放原始碼的容器協調平台，能夠自動化佈署、擴充套件和管理容器化應用程式。它為跨主機叢集的應用程式容器佈署、擴充套件和維運提供了平台支援。藉助 Kubernetes，您可以輕鬆佈署、擴充套件和管理容器化應用程式，確保它們高效、可靠地執行。

本文結構與目標讀者

本文以「配方」形式組織，讀者可以快速找到特定問題的解決方案。從基礎知識開始，逐步探討 Kubernetes 的進階主題，使其成為在職故障排除和結構化學習的絕佳參考資料。

本文適合以下讀者：

  • 需要有效管理容器化應用的開發人員和 DevOps 工程師
  • 監督 Kubernetes 實施的技術經理
  • 探索雲原生技術的學生和研究人員
  • 渴望獲得 Kubernetes 實務經驗的技術愛好者

章節總覽

  1. 入門：Kubernetes 簡介、安裝方法和核心概念
  2. 組態無狀態應用程式：佈署輕量級應用程式和高效管理資源
  3. 組態有狀態應用程式：在 Kubernetes 中管理資料函式庫和永續性工作負載
  4. 雲端供應商上的 Kubernetes：在 Amazon Web Services、Azure、Google Cloud 等平台上執行 Kubernetes 叢集
  5. Kubernetes 中的開發者體驗：使用 Kubernetes 的開發工具和最佳實踐
  6. 擴充套件性和彈性：自動擴充套件、負載平衡和高用性（HA）策略
  7. Kubernetes 中的儲存：管理儲存選項、持久性儲存區（PV）和動態組態
  8. Kubernetes 中的網路：負載平衡、服務發現、網路策略和進階網路概念
  9. Kubernetes 中的效能可觀測性：有效監控、記錄和跟蹤應用程式
  10. 控制平面管理和套件管理：管理 Kubernetes 基礎設施和使用 Helm
  11. Kubernetes 中的安全性：保護工作負載、根據角色的存取控制（RBAC）、網路策略和最佳實踐
  12. 新興和進階 Kubernetes 概念：探索服務網格、AI/ML 工作負載和 Kubernetes 擴充套件
  13. Kubernetes 最佳實踐：佈署、擴充套件和安全性的行業最佳實踐
  14. 其他 Kubernetes 資源：社群參與、CNCF 生態系統和其他學習資源

為何選擇本文？

與理論性不同，本文根據經驗豐富的 Kubernetes 專業人士的實際知識，提供快速參考和常見挑戰的逐步解決方案。每個配方都包含清晰的說明、範例命令、YAML 組態和故障排除提示，幫助讀者立即在 Kubernetes 環境中應用解決方案。

第一章：入門

1.1 安裝 kubectl 工具

問題

我們準備進入 Kubernetes 的世界，有效管理容器化應用程式，但首先需要安裝 kubectl 工具。

解決方案

  1. 檢查是否已安裝 kubectl

    kubectl version --client

    如果已安裝，將顯示版本資訊。

  2. 選擇安裝方法

    • MacOS（使用 Homebrew）
      brew install kubectl
    • Windows（使用 Chocolatey）
      choco install kubernetes-cli
    • Linux（使用套件管理器）
      • Debian/Ubuntu：
        sudo apt-get update && sudo apt-get install -y kubectl
      • Red Hat–based 系統：
        sudo yum install -y kubectl

  3. 驗證安裝

    kubectl version

  4. 組態 kubectl

    • 設定預設上下文（例如 Minikube）：
      kubectl config use-context minikube
    • 連線到遠端叢集需要 kubeconfig 檔案。

程式碼範例與說明

以下是一個簡單的 YAML 組態檔案範例，用於佈署一個 Nginx 服務：

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

#### 內容解密：

此 YAML 檔案定義了一個名為 nginx-deployment 的 Deployment 物件。它指定了：

  • replicas: 3 表示佈署 3 個副本。
  • selector.matchLabels 和 template.metadata.labels 確保 Deployment 能夠正確管理具有 app: nginx 標籤的 Pod。
  • containers 部分定義了一個名為 nginx 的容器，使用 nginx:latest 映象，並暴露容器內的 80 連線埠。

圖表說明

圖表翻譯：

此圖示展示了 Kubernetes 叢集的基本架構：

  • Kubernetes Cluster（叢集）包含多個 Nodes（節點）。
  • 每個 Node 可以執行多個 Pods。
  • Pods 中包含一個或多個 Containers（容器）。
  • Containers 中執行著實際的 Applications（應用程式）。

在資源有限的環境中建立輕量級的 Kubernetes 叢集

在開發和生產環境中，我們經常需要在資源有限的環境中佈署 Kubernetes 叢集。如何在資源有限的環境中快速建立一個精簡的 Kubernetes 叢集？

解決方案：使用 k3s 建立輕量級 Kubernetes 叢集

k3s 是一個專為資源有限的環境設計的輕量級 Kubernetes 發行版。它非常適合用於物聯網裝置、邊緣運算或需要簡單易用的 Kubernetes 叢集的場景。以下是使用 k3s 建立輕量級 Kubernetes 叢集的步驟：

步驟 1：安裝 k3s

首先，透過 SSH 連線到目標機器，然後執行以下命令下載並安裝 k3s：

curl -sfL https://get.k3s.io | sh -

這個命令會在目標機器上安裝 k3s 伺服器和 k3s 代理，建立一個單節點的 Kubernetes 叢集。

步驟 2：驗證 k3s 叢集

執行以下命令驗證 k3s 叢集是否正常運作：

k3s kubectl get nodes

這個命令會顯示 k3s 安裝所在的節點，表示我們的叢集已經活躍。

步驟 3：與 k3s 互動

現在我們的輕量級 Kubernetes 叢集已經運作，我們可以使用 kubectl 與它互動，就像與其他 Kubernetes 叢集一樣。例如，我們可以佈署應用程式、建立 Pod 和 Service，並管理叢集資源。

#### 程式碼範例與解析

以下是一個簡單的 YAML 組態檔案，用於佈署一個 Nginx 應用程式：

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

內容解密：

  1. apiVersion 和 kind 定義了 Kubernetes 資源的型別和版本。
  2. metadata 部分定義了 Deployment 的名稱。
  3. spec 部分定義了 Deployment 的規格，包括副本數量、選擇器和範本。
  4. template 部分定義了 Pod 的範本，包括標籤和容器規格。
  5. containers 部分定義了容器名稱、映像檔和連線埠。

圖表說明：Kubernetes 叢集架構圖

圖表翻譯： 此圖示展示了 Kubernetes 的基本架構，包括客戶端、API 伺服器、控制器管理器、排程器、Kubelet 和 Pod。客戶端透過 kubectl 與 API 伺服器互動，API 伺服器負責管理叢集狀態。控制器管理器和排程器負責維護叢集狀態和排程 Pod。Kubelet 負責管理節點上的 Pod，而 Pod 中執行著容器。

在 Docker 容器中執行本地 Kubernetes 叢集

在開發或測試環境中，我們需要建立一個本地的 Kubernetes 叢集，並且希望使用 Docker 容器來實作輕量級和隔離的環境。

解決方案

使用 Docker 容器執行本地 Kubernetes 叢集是開發人員的流行選擇，因為它提供了一個快速且隔離的 Kubernetes 環境。以下是建立 Kubernetes 叢集的步驟：

步驟 1：安裝 Docker

確保我們的機器上已安裝 Docker。可以從官方網站下載 Docker：Docker 下載。

步驟 2：下載 Kubernetes in Docker（KinD）

KinD 是一個使用 Docker 容器「節點」執行本地 Kubernetes 叢集的工具。可以使用套件管理器或從官方發布頁面下載二進位制檔案來安裝 KinD：KinD 發布。

  • 2.1 使用 Homebrew（MacOS）

brew install kind

*   **2.2 使用 Chocolatey（Windows）**
    ```choco
choco install kind
  • 2.3 手動安裝（Linux/MacOS/Windows） 下載 KinD 二進位制檔案並按照我們的作業系統的安裝說明進行操作。

步驟 3：建立 Kubernetes 叢集

執行以下命令以使用 KinD 建立本地 Kubernetes 叢集：

kind create cluster

此命令會建立一個具有預設名稱（kind）的叢集，我們可以直接使用。

步驟 4：設定 kubectl

如果 kubectl 不在我們的 PATH 中，可以建立一個符號連結。開啟終端並執行以下命令：

sudo ln -s $(which kubectl) /usr/local/bin/kubectl

步驟 5：驗證叢集

檢查叢集是否正在執行：

kubectl cluster-info

此命令應顯示有關 Kubernetes 叢集的資訊。

步驟 6：與叢集互動

現在我們的 Kubernetes 叢集已經啟動並執行，可以使用 kubectl 與其互動。例如，佈署一個範例應用程式：

kubectl create deployment hello-kind --image=k8s.gcr.io/echoserver:1.4

詳細討論

使用 KinD 在 Docker 容器中執行本地 Kubernetes 叢集為開發和測試提供了一個隔離的環境。它使我們能夠在不需要專用叢集的情況下嘗試 Kubernetes 功能。請記住，此設定適合本地開發和學習目的。

相關資源

使用 Kubeadm 建立叢集

手動建立 Kubernetes 叢集可能是一項艱巨的任務，通常容易出現錯誤和不一致性。如果沒有可靠且簡化的流程，初學者可能會發現很難啟動叢集並執行應用程式。

解決方案

  1. 安裝 Docker：確保所有機器上都安裝了 Docker。使用我們的套件管理器來安裝 Docker。

apt-get update apt-get install docker.io

2.  **停用 Swap**：停用 swap 以滿足 Kubernetes 的要求。
    ```bash
swapoff -a
  1. 安裝 Kubeadm、Kubelet 和 Kubectl：

apt-get update && sudo apt-get install -y kubelet kubeadm kubectl

4.  **初始化主節點**：在指定的主節點上，使用 Kubeadm 初始化叢集。
    ```bash
kubeadm init
  1. 設定 Kubeconfig：將 kubeconfig 檔案複製到使用者的主目錄。

mkdir -p $HOME/.kube cp -i /etc/kubernetes/admin.conf $HOME/.kube/config chown $(id -u):$(id -g) $HOME/.kube/config

6.  **加入工作節點**：在每個工作節點上，執行由 kubeadm 命令提供的加入選項。
    ```bash
kubeadm join <MASTER_IP>:<MASTER_PORT> --token <TOKEN> --discovery-token-ca-cert-hash <HASH>
  1. 驗證叢集狀態：檢查狀態以確保叢集已啟動並執行。

kubectl get nodes


### 詳細討論
使用 Kubeadm 建立 Kubernetes 叢集提供了一個直接且標準化的方法。它自動化了許多複雜的任務，讓使用者能夠專注於佈署和管理應用程式，而不是處理叢集初始化的複雜性。此配方是我們 Kubernetes 之旅中的基本步驟，使我們能夠為可擴充套件和彈性的容器化應用程式建立堅實的基礎。

### 相關資源
*   [Kubeadm 官方檔案](https://kubernetes.io/docs/setup/production-environment/tools/kubeadm)

## 使用 Kubernetes Operations（kOps）建立叢集
手動建立 Kubernetes 叢集可能是一個耗時且容易出錯的過程。隨著組織採用 Kubernetes 進行容器協調，對簡化、自動化的解決方案的需求變得明顯。

### 解決方案
1.  **安裝 kOps**：在我們的本地機器上安裝 kOps。例如，在 Linux 上：
    ```bash
wget https://github.com/kubernetes/kops/releases/download/$(curl -s https://api.github.com/repos/kubernetes/kops/releases/latest | grep tag_name | cut -d '"' -f 4)/kops-linux-amd64 -O /usr/local/bin/kops
chmod +x /usr/local/bin/kops
  1. 建立叢集組態：使用 kOps 生成叢集組態。這包括指定叢集名稱、區域和其他必要的引數。

詳細討論

使用 kOps 建立 Kubernetes 叢集簡化了多節點叢集的管理，並提供了彈性與自動化功能，能夠滿足生產環境的需求。對於需要高度可擴充套件性和管理的企業來說，kOps 提供了一個強大的工具來簡化叢集佈署與維護。未來，隨著 Kubernetes 生態系統的不斷演進，kOps 將持續發揮其在自動化管理與高效維運方面的優勢，幫助企業更靈活地應對日益複雜的雲原生需求。

圖表說明：Kubernetes叢集架構圖

@startuml
skinparam backgroundColor #FEFEFE
skinparam componentStyle rectangle

title Kubernetes叢集佈署

package "Kubernetes Cluster" {
    package "Control Plane" {
        component [API Server] as api
        component [Controller Manager] as cm
        component [Scheduler] as sched
        database [etcd] as etcd
    }

    package "Worker Nodes" {
        component [Kubelet] as kubelet
        component [Kube-proxy] as proxy
        package "Pods" {
            component [Container 1] as c1
            component [Container 2] as c2
        }
    }
}

api --> etcd : 儲存狀態
api --> cm : 控制迴圈
api --> sched : 調度決策
api --> kubelet : 指令下達
kubelet --> c1
kubelet --> c2
proxy --> c1 : 網路代理
proxy --> c2

note right of api
  核心 API 入口
  所有操作經由此處
end note

@enduml

圖表翻譯： 此圖顯示了Kubernetes的主要元件及其相互關係。客戶端透過kubectl與API伺服器互動，後者負責排程、管理控制器及工作節點，最終執行Pod中的容器，實作應用佈署與管理。透過此架構圖，我們可以清楚瞭解Kubernetes如何協調各個元件以高效執行容器化應用。

相關資源

  • 更多關於kOps的使用方法，請參閱官方檔案與Kubernetes相關檔案。