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Kubernetes（k8s）简介

1. 产生背景

随着云计算和微服务架构的兴起，传统的单体应用逐渐被拆分为多个小型、松耦合的服务（微服务）。这种架构虽然提升了开发灵活性和可维护性，但也带来了新的挑战：
• 部署复杂性：成百上千的微服务需要独立部署、扩展和监控。
• 资源管理：如何高效利用服务器资源，避免资源浪费？
• 高可用性：如何确保服务在故障时自动恢复？
• 跨环境一致性：开发、测试、生产环境如何保持一致？

Google 的实践经验：
Google 内部早在 2000 年代初期就面临大规模服务管理的难题，并开发了名为 Borg 的集群管理系统（用于管理数十亿容器的运行）。2014 年，Google 将 Borg 的核心思想开源，推出了 Kubernetes（意为“舵手”或“飞行员”），并将其捐赠给 CNCF（云原生计算基金会）。

Kubernetes 的目标是提供一套标准化的容器编排方案，解决分布式系统的运维痛点。

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2. Kubernetes 与 Docker 的关系

(1) Docker 的定位

Docker 是容器化技术的代表，解决了应用打包和环境一致性问题：
• 容器化：将应用及其依赖（如库、配置文件）打包成轻量级、可移植的容器镜像。
• 环境一致性：开发者的本地环境与生产环境完全一致，避免“在我机器上能跑”的问题。

(2) Kubernetes 的定位

Docker 解决了单个容器的运行问题，但在大规模场景中仍需解决：
• 容器调度：成百上千的容器如何分配到服务器？
• 服务发现：容器动态扩缩容时，如何自动更新网络配置？
• 故障自愈：容器崩溃后如何自动重启？
• 滚动更新：如何实现零停机更新？

Kubernetes 的作用：
Kubernetes 是容器编排平台，负责管理 Docker 容器的 生命周期，包括部署、扩缩容、网络、存储等。
• 关系比喻：
• Docker 是“集装箱”，负责封装货物（应用）。
• Kubernetes 是“港口调度系统”，负责决定集装箱放在哪艘船（服务器）、如何运输（网络）、何时补充货物（扩缩容）。

(3) 技术栈的演进

• Docker 单机模式：手动启动容器，适合简单场景。
• Docker Compose：单机多容器编排，适合本地开发。
• Kubernetes：跨节点、跨集群的容器编排，适合生产环境。

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3. Kubernetes 的核心功能

1. 自动化部署与扩缩容
   • 根据 CPU/内存使用率或自定义指标自动调整副本数量（HPA）。
   • 示例：电商大促时自动扩容后端服务以应对流量高峰。

2. 服务发现与负载均衡
   • 通过 Service 和 Ingress 暴露服务，自动分配 IP 和 DNS 名称。
   • 示例：前端应用通过服务名 user-service 访问后端，无需关心具体 IP。

3. 存储编排
   • 支持动态挂载云存储（如 AWS EBS、NFS），解决容器数据持久化问题。
   • 示例：数据库容器的数据卷在 Pod 重启后仍保留。

4. 自我修复
   • 自动重启崩溃的容器、替换故障节点、重新调度 Pod。
   • 示例：某节点宕机后，其上的 Pod 会被迁移到健康节点。

5. 密钥与配置管理
   • 通过 ConfigMap 和 Secret 集中管理配置和敏感信息。
   • 示例：数据库密码通过 Secret 注入，而非硬编码在代码中。

6. 批处理任务
   • 支持一次性任务（Job）和定时任务（CronJob）。
   • 示例：每天凌晨执行数据备份任务。

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4. 主要应用场景

(1) 微服务架构

• 场景特点：大量小型服务独立部署、通信复杂。
• K8s 优势：
• 服务间通过 Service 通信，自动负载均衡。
• 每个服务可独立扩缩容，提升资源利用率。

(2) 持续交付与 DevOps

• 场景特点：频繁发布新版本，需快速迭代且不影响用户体验。
• K8s 优势：
• 滚动更新（Rolling Update）实现零停机部署。
• 与 CI/CD 工具（如 Jenkins、GitLab CI）无缝集成。

(3) 混合云与多云部署

• 场景特点：业务需跨公有云（AWS、Azure）和私有云运行。
• K8s 优势：
• 提供一致的部署和管理接口，避免云厂商锁定。
• 示例：在 AWS 和本地数据中心同时运行服务。

(4) 大规模应用管理

• 场景特点：成千上万的容器需要高效调度。
• K8s 优势：
• 优化资源分配，提高服务器利用率。
• 自动处理节点故障，保障业务连续性。

(5) 高可用与灾备

• 场景特点：关键业务需 24/7 稳定运行。
• K8s 优势：
• 跨可用区（AZ）部署 Pod，避免单点故障。
• 自动检测并替换不健康的实例。

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5. 实际案例

1. Spotify
   • 音乐流媒体平台，使用 Kubernetes 管理 1000+ 微服务，实现快速迭代和全球部署。
2. Airbnb
   • 从单体架构迁移到微服务，依赖 Kubernetes 处理每日数亿次请求。
3. Adidas
   • 通过 Kubernetes 在混合云环境中运行电商平台，支撑“黑五”大促流量。

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6. 总结

• Kubernetes 的定位：容器编排的事实标准，解决分布式系统复杂性的核心工具。
• 与 Docker 的关系：互补而非替代，Docker 负责“容器化”，Kubernetes 负责“规模化”。
• 适用场景：微服务、CI/CD、混合云、大规模应用、高可用系统等。

通过 Kubernetes，企业可以专注于业务逻辑，而非底层基础设施的运维细节，真正实现“云原生”。