2025年07月02日玄貓（BlackCat）

Kubernetes 叢集管理與自動化技術

本文探討 Kubernetes 叢集管理、自動化技術以及相關最佳實踐，涵蓋暫時容器故障排除、流量管理、多叢集策略、Knative 與 KubeVirt 整合、叢集 Day-2 操作以及未來發展趨勢。文章將詳細說明 Ingress、Ingress Controller、Knative Service、Etcd

容器技術雲端運算

Kubernetes 叢集管理自動化 Knative KubeVirt 流量管理

Kubernetes 已成為容器協調領域的事實標準，其強大的叢集管理和自動化能力是現代化應用程式佈署和管理的根本。本文從故障排除入手，介紹暫時容器的使用，並探討流量管理、多叢集策略等進階議題。同時，文章也涵蓋了 Knative、KubeVirt 等新興技術的整合應用，以及 Etcd 備份、叢集升級等 Day-2 操作實務。最後，展望 Kubernetes 的未來發展趨勢，提供讀者全面的 Kubernetes 叢集管理和自動化技術。

Kubernetes 高階應用：流量管理、多叢集策略等

暫時容器與故障排除

在 Kubernetes 中，暫時容器（Ephemeral Containers）提供了一種靈活的方式來調查正在執行的 Pod，而無需更改現有的設定或依賴基礎容器的限制。暫時容器可用於除錯和故障排除，使您能夠在不影回應用程式的情況下檢查 Pod 的狀態。

常見的 Kubernetes 故障排除任務

Kubernetes 的故障排除可能很複雜，並且高度依賴於您的叢集設定和操作。以下是一些常見的 Kubernetes 問題及其故障排除方法：

Pod 處於 Pending 狀態：Pending 錯誤訊息表示 Pod 正在等待被排程到節點上。這可能是由於資源不足或組態錯誤引起的。要進行故障排除，請使用 kubectl describe pod <pod_name> 檢查事件，以瞭解為什麼 Pod 處於 Pending 狀態。如果叢集沒有足夠的資源，Pod 將保持在 Pending 狀態。您可以調整資源請求或新增更多節點。

kubectl describe pod <pod_name>

內容解密：

此命令用於檢查 Pod 的詳細資訊，包括事件日誌，以幫助診斷 Pod 處於 Pending 狀態的原因。

CrashLoopBackOff 或容器錯誤：CrashLoopBackOff 錯誤發生在容器反覆無法啟動時，可能是由於組態錯誤、缺少檔案或應用程式錯誤。要進行故障排除，請使用 kubectl logs <pod_name> 或 kubectl describe pod <pod_name> 檢視日誌，以識別原因。

kubectl logs <pod_name>
kubectl describe pod <pod_name>

內容解密：

kubectl logs 用於檢視容器的日誌輸出，以幫助診斷容器當機的原因。kubectl describe pod 提供有關 Pod 的詳細資訊，包括事件日誌。

網路問題：網路錯誤表明網路策略正在阻止流量到達或來自 Pod。要進行故障排除，請使用 kubectl describe pod <pod_name> 檢查網路策略，並使用 kubectl get svc 驗證伺服器端點。

kubectl describe pod <pod_name>
kubectl get svc

內容解密：

kubectl describe pod 用於檢查 Pod 的網路策略，而 kubectl get svc 用於列出服務並驗證其端點。

Kubernetes 中的流量管理和多叢集策略

Kubernetes 提供了多種方式來管理流量和佈署多叢集策略。Ingress 物件和 Ingress 控制器是其中兩種重要的工具。

Ingress 物件和 Ingress 控制器

Ingress 物件定義瞭如何將外部流量路由到叢集內的服務。Ingress 控制器則負責實作 Ingress 物件中定義的路由規則。

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

內容解密：

此 Ingress 物件定義了一個規則，將來自 example.com 的流量路由到 example-service 服務的 80 埠。

Kubernetes 先進技術與實務應用

流量管理與多叢集策略的最佳實踐

在前面的章節中，我們探討了在雲環境中使用 Ingress 和 Ingress Controllers 的方法，特別是在具有原生 L7 負載平衡支援的環境中。我們以 Azure Kubernetes Service (AKS) 為例，展示瞭如何佈署 Application Gateway Ingress Controller (AGIC) 來處理 Ingress 物件。

雲原生 Ingress 管理的最佳實踐

apiVersion: networking.k8s.io/v1
kind: Ingress
metadata:
  name: example-ingress
  annotations:
    kubernetes.io/ingress.class: azure/application-gateway
spec:
  rules:
  - host: example.com
    http:
      paths:
      - path: /
        pathType: Prefix
        backend:
          service:
            name: example-service
            port:
              number: 80

內容解密：

Ingress 資源定義：使用 networking.k8s.io/v1 API 版本定義 Ingress 物件。
AGIC 設定：透過 kubernetes.io/ingress.class annotation 指定使用 Azure Application Gateway。
路由規則：設定特定的主機名稱 (example.com) 和路徑 (/) 對應到後端服務 (example-service) 的特定連線埠 (80)。

Knative 與 KubeVirt 的整合應用

Kubernetes 持續進化，整合了諸如 Knative 和 KubeVirt 等前沿技術，擴充套件了其在無伺服器運算、虛擬機器管理和機器學習等領域的能力。

Knative Serving 組態範例

apiVersion: serving.knative.dev/v1
kind: Service
metadata:
  name: helloworld-go
spec:
  template:
    spec:
      containers:
      - image: gcr.io/knative-samples/helloworld-go
        env:
        - name: TARGET
          value: "Knative"

內容解密：

Knative Service 定義：使用 serving.knative.dev/v1 API 版本定義無伺服器服務。
容器組態：指定使用特定的容器映像 (gcr.io/knative-samples/helloworld-go) 並設定環境變數 (TARGET)。
自動擴充套件：Knative 自動根據請求負載調整 Pod 數量。

Kubernetes 叢集的 Day-2 操作

在實際營運中，叢集管理員需要執行諸如備份、升級、安全加固和故障排除等日常任務。

Etcd 備份操作範例

ETCDCTL_API=3 etcdctl snapshot save snapshot.db \
  --endpoints=https://127.0.0.1:2379 \
  --cacert=/etc/kubernetes/pki/etcd/ca.crt \
  --cert=/etc/kubernetes/pki/etcd/server.crt \
  --key=/etc/kubernetes/pki/etcd/server.key

內容解密：

Etcd 備份命令：使用 etcdctl 工具備份 Etcd 資料函式庫。
連線設定：指定 Etcd 端點、CA 證書、伺服器證書和金鑰。
備份檔案：將備份資料儲存到 snapshot.db 檔案。

Kubernetes 未來發展趨勢

Kubernetes 生態系統持續擴充套件，各大雲端服務商提供託管的 Kubernetes 服務，並整合更多前沿技術，如服務網格 (Service Mesh)、無伺服器運算和機器學習等。

參考資源

探討 Kubernetes 叢集管理與自動化技術

前言

隨著雲端運算和容器技術的快速發展，Kubernetes 已成為現代應用程式佈署和管理的核心平台。本文將探討 Kubernetes 叢集管理、自動化技術以及相關的最佳實踐。

叢集自動擴充套件：Cluster Autoscaler 的應用

Cluster Autoscaler 簡介

Cluster Autoscaler 是 Kubernetes 的一個重要元件，用於根據工作負載的變化自動調整叢集中的節點數量。它的主要功能包括：

動態調整節點數量：根據 Pod 的需求變化，自動增加或減少節點。
支援多雲環境：可在 AWS、Azure、GCP 等多個雲平台上執行。
最佳化資源利用：確保資源的有效利用，避免不必要的浪費。

啟用 Cluster Autoscaler

在不同的雲端服務供應商中啟用 Cluster Autoscaler 的方法略有不同：

在 Amazon Elastic Kubernetes Service (EKS) 中啟用：
- 使用 AWS 管理控制檯或 CLI 組態 Auto Scaling 組。
- 佈署 Cluster Autoscaler。
在 Azure Kubernetes Service (AKS) 中啟用：
- 使用 Azure CLI 或門戶組態叢集自動擴充套件。
- 設定相關引數，如最小和最大節點數。
在 Google Kubernetes Engine (GKE) 中啟用：
- 使用 GKE 的自動修復和自動擴充套件功能。
- 組態叢集的自動擴充套件策略。

Cluster Autoscaler 的限制

依賴雲供應商的 API：需要與雲供應商的 API 進行互動。
組態複雜性：需要仔細組態以避免不必要的成本或資源浪費。

Kubernetes 中的網路與服務管理

網路模型

Kubernetes 的網路模型根據以下原則：

每個 Pod 都有唯一的 IP 地址。
Pod 之間可以直接通訊，無需 NAT。
使用 CNI（Container Network Interface）外掛實作網路功能。

服務型別

Kubernetes 提供多種服務型別，包括：

ClusterIP：預設型別，僅在叢集內可存取。
NodePort：透過節點的特定埠暴露服務。
LoadBalancer：使用雲供應商的負載平衡器暴露服務。
ExternalName：將服務對映到 DNS 名稱。

安全與存取控制

認證與授權

認證方法：包括靜態 Token、X.509 使用者端憑證、OpenID Connect Token 等。
授權模式：如 RBAC（Role-Based Access Control）、ABAC（Attribute-Based Access Control）等。

網路策略

使用網路策略（Network Policies）控制 Pod 之間的流量，增強叢集的安全性。

儲存管理

Persistent Volumes (PV) 與 StatefulSets

Persistent Volumes：提供持久化儲存資源，可與 StatefulSets 結合使用，確保有狀態應用的資料永續性。
StatefulSets：管理有狀態應用，確保 Pod 的身份和儲存資料的永續性。

監控與日誌管理

監控工具

Prometheus：用於監控叢集和應用的效能指標。
Grafana：提供視覺化的監控儀錶板。

日誌管理

Fluentd 或 Fluent Bit：收集和轉發日誌。
Elasticsearch、Loki：用於日誌儲存和查詢。

Kubernetes 技術深度解析與應用實踐

Kubernetes 叢集管理與組態

Kubernetes 作為現代化的容器協調平台，其叢集管理與組態是實作高效能應用佈署的關鍵。在管理 Kubernetes 叢集時，理解不同節點的角色與功能至關重要。計算節點（Compute Nodes）與控制平面節點（Control Plane Nodes）在功能上有明顯區別：計算節點主要負責執行應用程式的容器，而控制平面節點則負責管理叢集的狀態和排程決策。

計算節點元件

容器引擎（Container Engine）：負責執行容器，如 Docker 或 CRI-O。
Kubelet：與控制平面通訊，管理節點上的容器。
Kube-proxy：負責網路代理和負載平衡。

控制平面元件

etcd 資料儲存：儲存叢集的所有組態和狀態資訊。
kube-apiserver：提供 Kubernetes API，是控制平面的入口。
kube-controller-manager：執行各種控制器，確保叢集狀態符合預期。
kube-scheduler：負責排程 Pod 到合適的節點上。

組態管理：ConfigMaps 與 Secrets

在 Kubernetes 中，組態管理是透過 ConfigMaps 和 Secrets 實作的。ConfigMaps 用於儲存非機密的組態資料，而 Secrets 則用於儲存敏感資訊。

ConfigMaps 的使用

建立 ConfigMaps：可以透過檔案、目錄或直接指定鍵值對來建立。
使用 ConfigMaps：可以將 ConfigMaps 的內容作為環境變數或卷掛載到 Pod 中。

apiVersion: v1
kind: ConfigMap
metadata:
  name: example-config
data:
  DATABASE_URL: "postgres://user:password@host:port/dbname"
  LOG_LEVEL: "DEBUG"

Secrets 的使用

建立 Secrets：可以透過命令列或 YAML 檔案建立。
使用 Secrets：可以將 Secrets 的內容作為環境變數或卷掛載到 Pod 中。

apiVersion: v1
kind: Secret
metadata:
  name: example-secret
type: Opaque
data:
  DATABASE_PASSWORD: <base64 encoded password>

應用佈署與擴充套件

Kubernetes 提供了多種資源物件來管理和擴充套件應用，包括 Deployment、StatefulSet 和 DaemonSet。

Deployment

Deployment 用於管理無狀態應用，支援滾動更新和回復。

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: example-app
spec:
  replicas: 3
  selector:
    matchLabels:
      app: example-app
  template:
    metadata:
      labels:
        app: example-app
    spec:
      containers:
      - name: example-app
        image: example-app:latest

StatefulSet

StatefulSet 用於管理有狀態應用，保證 Pod 的身份和順序。

apiVersion: apps/v1
kind: StatefulSet
metadata:
  name: example-statefulset
spec:
  serviceName: "example-service"
  replicas: 3
  selector:
    matchLabels:
      app: example-statefulset
  template:
    metadata:
      labels:
        app: example-statefulset
    spec:
      containers:
      - name: example-statefulset
        image: example-statefulset:latest

自動擴充套件與資源管理

Kubernetes 提供了 HorizontalPodAutoscaler（HPA）和 VerticalPodAutoscaler（VPA）來實作應用的自動擴充套件。

HorizontalPodAutoscaler (HPA)

HPA 根據 CPU 使用率或其他自定義指標自動調整 Pod 的數量。

apiVersion: autoscaling/v2beta2
kind: HorizontalPodAutoscaler
metadata:
  name: example-hpa
spec:
  selector:
    matchLabels:
      app: example-app
  minReplicas: 1
  maxReplicas: 10
  metrics:
  - type: Resource
    resource:
      name: cpu
      target:
        type: Utilization
        averageUtilization: 50

結語

Kubernetes 提供了一套強大的工具和機制來管理和擴充套件現代化應用。透過合理利用其資源物件和組態管理功能，可以實作高效、可靠的應用佈署和維運。未來，隨著 Kubernetes 生態系統的不斷發展，我們可以預期會有更多創新性的解決方案出現，以滿足日益複雜的應用需求。