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<title>03 宏观认识：整体架构.md.html</title>
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<span>技术文章摘抄</span>
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<li><a href="/" class="current-tab">首页</a></li>
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<li><a href="../">上一级</a></li>
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</ul>
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<li>
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<a href="/专栏/Kubernetes 从上手到实践/01 开篇： Kubernetes 是什么以及为什么需要它.md.html">01 开篇： Kubernetes 是什么以及为什么需要它.md.html</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/Kubernetes 从上手到实践/02 初步认识：Kubernetes 基础概念.md.html">02 初步认识：Kubernetes 基础概念.md.html</a>
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</li>
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<li>
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<a class="current-tab" href="/专栏/Kubernetes 从上手到实践/03 宏观认识：整体架构.md.html">03 宏观认识：整体架构.md.html</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/Kubernetes 从上手到实践/04 搭建 Kubernetes 集群 - 本地快速搭建.md.html">04 搭建 Kubernetes 集群 - 本地快速搭建.md.html</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/Kubernetes 从上手到实践/05 动手实践：搭建一个 Kubernetes 集群 - 生产可用.md.html">05 动手实践：搭建一个 Kubernetes 集群 - 生产可用.md.html</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/Kubernetes 从上手到实践/06 集群管理：初识 kubectl.md.html">06 集群管理：初识 kubectl.md.html</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/Kubernetes 从上手到实践/07 集群管理：以 Redis 为例-部署及访问.md.html">07 集群管理：以 Redis 为例-部署及访问.md.html</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/Kubernetes 从上手到实践/08 安全重点 认证和授权.md.html">08 安全重点 认证和授权.md.html</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/Kubernetes 从上手到实践/09 应用发布：部署实际项目.md.html">09 应用发布：部署实际项目.md.html</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/Kubernetes 从上手到实践/10 应用管理：初识 Helm.md.html">10 应用管理：初识 Helm.md.html</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/Kubernetes 从上手到实践/11 部署实践：以 Helm 部署项目.md.html">11 部署实践：以 Helm 部署项目.md.html</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/Kubernetes 从上手到实践/12 庖丁解牛：kube-apiserver.md.html">12 庖丁解牛：kube-apiserver.md.html</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/Kubernetes 从上手到实践/13 庖丁解牛：etcd.md.html">13 庖丁解牛：etcd.md.html</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/Kubernetes 从上手到实践/14 庖丁解牛：controller-manager.md.html">14 庖丁解牛：controller-manager.md.html</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/Kubernetes 从上手到实践/15 庖丁解牛：kube-scheduler.md.html">15 庖丁解牛：kube-scheduler.md.html</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/Kubernetes 从上手到实践/16 庖丁解牛：kubelet.md.html">16 庖丁解牛：kubelet.md.html</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/Kubernetes 从上手到实践/17 庖丁解牛：kube-proxy.md.html">17 庖丁解牛：kube-proxy.md.html</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/Kubernetes 从上手到实践/18 庖丁解牛：Container Runtime （Docker）.md.html">18 庖丁解牛：Container Runtime （Docker）.md.html</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/Kubernetes 从上手到实践/19 Troubleshoot.md.html">19 Troubleshoot.md.html</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/Kubernetes 从上手到实践/20 扩展增强：Dashboard.md.html">20 扩展增强：Dashboard.md.html</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/Kubernetes 从上手到实践/21 扩展增强：CoreDNS.md.html">21 扩展增强：CoreDNS.md.html</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/Kubernetes 从上手到实践/22 服务增强：Ingress.md.html">22 服务增强：Ingress.md.html</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/Kubernetes 从上手到实践/23 监控实践：对 K8S 集群进行监控.md.html">23 监控实践：对 K8S 集群进行监控.md.html</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/Kubernetes 从上手到实践/24 总结.md.html">24 总结.md.html</a>
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</li>
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</ul>
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</div>
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</div>
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<div class="sidebar-toggle" onclick="sidebar_toggle()" onmouseover="add_inner()" onmouseleave="remove_inner()">
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<div class="sidebar-toggle-inner"></div>
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</div>
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<script>
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function add_inner() {
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let inner = document.querySelector('.sidebar-toggle-inner')
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inner.classList.add('show')
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}
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function remove_inner() {
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let inner = document.querySelector('.sidebar-toggle-inner')
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inner.classList.remove('show')
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}
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function sidebar_toggle() {
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let sidebar_toggle = document.querySelector('.sidebar-toggle')
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let sidebar = document.querySelector('.book-sidebar')
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let content = document.querySelector('.off-canvas-content')
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if (sidebar_toggle.classList.contains('extend')) { // show
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sidebar_toggle.classList.remove('extend')
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sidebar.classList.remove('hide')
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content.classList.remove('extend')
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} else { // hide
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sidebar_toggle.classList.add('extend')
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sidebar.classList.add('hide')
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content.classList.add('extend')
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}
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}
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function open_sidebar() {
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let sidebar = document.querySelector('.book-sidebar')
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let overlay = document.querySelector('.off-canvas-overlay')
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sidebar.classList.add('show')
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overlay.classList.add('show')
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}
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function hide_canvas() {
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let sidebar = document.querySelector('.book-sidebar')
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let overlay = document.querySelector('.off-canvas-overlay')
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||
sidebar.classList.remove('show')
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overlay.classList.remove('show')
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}
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</script>
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<div class="off-canvas-content">
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<div class="columns">
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<div class="column col-12 col-lg-12">
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<div class="book-navbar">
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<i class="icon icon-menu"></i>
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</a>
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<div class="book-post">
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<p id="tip" align="center"></p>
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<div><h1>03 宏观认识：整体架构</h1>
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<p>工欲善其事，必先利其器。本节我们来从宏观上认识下 K8S 的整体架构，以便于后续在此基础上进行探索和实践。</p>
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<h2>C/S 架构</h2>
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<p>从更高层来看，K8S 整体上遵循 C/S 架构，从这个角度来看，可用下面的图来表示其结构：</p>
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<pre><code> +-------------+
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| | +---------------+
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| | +-----> | Node 1 |
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| Kubernetes | | +---------------+
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+-----------------+ | Server | |
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| CLI | | | | +---------------+
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| (Kubectl) |----------->| ( Master ) |<------+-----> | Node 2 |
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| | | | | +---------------+
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+-----------------+ | | |
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| | | +---------------+
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| | +-----> | Node 3 |
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| | +---------------+
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+-------------+
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</code></pre>
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<p>左侧是一个官方提供的名为 <code>kubectl</code> 的 CLI （Command Line Interface）工具，用于使用 K8S 开放的 API 来管理集群和操作对象等。</p>
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<p>右侧则是 K8S 集群的后端服务及开放出的 API 等。根据上一节的内容，我们知道 Node 是用于工作的机器，而 Master 是一种角色（Role），表示在这个 Node 上包含着管理集群的一些必要组件。具体组件的详细介绍参考第 11 小节对各组件的详细剖析。</p>
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<p>当然在这里，只画出了一个 Master，在生产环境中，为了保障集群的高可用，我们通常会部署多个 Master 。</p>
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<h2>Master</h2>
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<p>下面我们来逐层分解， 首先是 Master ，这里我们只介绍其管理集群的相关组件。Master 是整个 K8S 集群的“大脑”，与大脑类似，它有几个重要的功能：</p>
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<ul>
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<li>接收：外部的请求和集群内部的通知反馈</li>
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<li>发布：对集群整体的调度和管理</li>
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<li>存储：存储</li>
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</ul>
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<p>这些功能，也通过一些组件来共同完成，通常情况下，我们将其称为 control plane 。如下图所示：</p>
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<pre><code>+----------------------------------------------------------+
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| Master |
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| +-------------------------+ |
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| +------->| API Server |<--------+ |
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| v +-------------------------+ v |
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| +----------------+ ^ +--------------------+ |
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| | Scheduler | | | Controller Manager | |
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| +----------------+ v +--------------------+ |
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| +------------------------------------------------------+ |
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| | Cluster state store | |
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| | | |
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| +------------------------------------------------------+ |
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+----------------------------------------------------------+
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</code></pre>
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<p>它主要包含以下几个重要的组成部分。</p>
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<h3>Cluster state store</h3>
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<p>存储集群所有需持久化的状态，并且提供 watch 的功能支持，可以快速的通知各组件的变更等操作。</p>
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<p>因为目前 Kubernetes 的存储层选择是 etcd ，所以一般情况下，大家都直接以 etcd 来代表集群状态存储服务。即：将所有状态存储到 etcd 实例中。</p>
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<p>刚才我们说 Master 相当于是 K8S 集群的大脑，更细化来看，etcd 则是大脑中的核心，为什么这么说？可以参考后面详细剖析的章节，本章我们先从更高的层次来看集群的整体架构。</p>
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<p>你可能会问， etcd 是必须的吗？就目前而言，etcd 是必须的，这主要是 Kubernetes 的内部实现。</p>
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<p>而早在 2014 年左右，社区就一直在提议将存储层抽象出来，后端的实际存储作为一种插件化的存在。<a href="https://github.com/kubernetes/kubernetes/issues/1957">呼声</a>比较大的是另一种提供 k/v 存储功能的 <a href="https://www.consul.io/">Consul</a> 。</p>
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<p>不过得益于 etcd 的开发团队较为活跃，而且根据 K8S 社区的反馈做了相当大的改进，并且当时 K8S 团队主要的关注点也不在此，所以直到现在 etcd 仍不是一个可选项。</p>
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<p>如果现在去看下 Kubernetes 的源代码，你会发现存储层的代码还比较简洁清晰，后续如果有精力也许将此处插件化也不是不可能。</p>
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<h3>API Server</h3>
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<p>这是整个集群的入口，类似于人体的感官，接收外部的信号和请求，并将一些信息写入到 etcd 中。</p>
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<p>实际处理逻辑比三次握手简单的多：</p>
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<ul>
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<li>请求 API Server ：“嗨，我有些东西要放到 etcd 里面”</li>
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<li>API Server 收到请求：“你是谁？我为啥要听你的”</li>
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<li>从请求中，拿出自己的身份凭证（一般是证书）：“是我啊，你的master，给我把这些东西放进去”</li>
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<li>这时候就要看是些什么内容了，如果这些内容 API Server 能理解，那就放入 etcd 中 “好的 master 我放进去了”；如果不能理解，“抱歉 master 我理解不了”</li>
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</ul>
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<p>可以看到，它提供了认证相关的功能，用于判断是否有权限进行操作。当然 API Server 支持多种认证方法，不过一般情况下，我们都使用 x509 证书进行认证。</p>
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<p>API Server 的目标是成为一个极简的 server，只提供 REST 操作，更新 etcd ，并充当着集群的网关。至于其他的业务逻辑之类的，通过插件或者在其他组件中完成。关于这部分的详细实现，可以参考后面的 API Server 剖析相关章节。</p>
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<h3>Controller Manager</h3>
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<p>Controller Manager 大概是 K8S 集群中最繁忙的部分，它在后台运行着许多不同的控制器进程，用来调节集群的状态。</p>
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<p>当集群的配置发生变更，控制器就会朝着预期的状态开始工作。</p>
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<h3>Scheduler</h3>
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<p>顾名思义，Scheduler 是集群的调度器，它会持续的关注集群中未被调度的 Pod ，并根据各种条件，比如资源的可用性，节点的亲和性或者其他的一些限制条件，通过绑定的 API 将 Pod 调度/绑定到 Node 上。</p>
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<p>在这个过程中，调度程序一般只考虑调度开始时， Node 的状态，而不考虑在调度过程中 Node 的状态变化 (比如节点亲和性等，截至到目前 v1.11.2 也暂未加入相关功能的稳定特性)</p>
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<h2>Node</h2>
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<p>Node 的概念我们在上节已经提过了，这里不再过多赘述，简单点理解为加入集群中的机器即可。</p>
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<p>那 Node 是如何加入集群接受调度，并运行服务的呢？这都要归功于运行在 Node 上的几个核心组件。我们先来看下整体结构：</p>
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<pre><code>+--------------------------------------------------------+
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| +---------------------+ +---------------------+ |
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| | kubelet | | kube-proxy | |
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| | | | | |
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| +---------------------+ +---------------------+ |
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||
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| +----------------------------------------------------+ |
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| | Container Runtime (Docker) | |
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| | +---------------------+ +---------------------+ | |
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| | |Pod | |Pod | | |
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| | | +-----+ +-----+ | |+-----++-----++-----+| | |
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| | | |C1 | |C2 | | ||C1 ||C2 ||C3 || | |
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| | | | | | | | || || || || | |
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| | | +-----+ +-----+ | |+-----++-----++-----+| | |
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| | +---------------------+ +---------------------+ | |
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| +----------------------------------------------------+ |
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||
+--------------------------------------------------------+
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</code></pre>
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<h3>Kubelet</h3>
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<p>Kubelet 实现了集群中最重要的关于 Node 和 Pod 的控制功能，如果没有 Kubelet 的存在，那 Kubernetes 很可能就只是一个纯粹的通过 API Server CRUD 的应用程序。</p>
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<p>K8S 原生的执行模式是操作应用程序的容器，而不像传统模式那样，直接操作某个包或者是操作某个进程。基于这种模式，可以让应用程序之间相互隔离，互不影响。此外，由于是操作容器，所以应用程序可以说和主机也是相互隔离的，毕竟它不依赖于主机，在任何的容器运行时（比如 Docker）上都可以部署和运行。</p>
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<p>我们在上节介绍过 Pod，Pod 可以是一组容器（也可以包含存储卷），K8S 将 Pod 作为可调度的基本单位， 分离开了构建时和部署时的关注点：</p>
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<ul>
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<li>构建时，重点关注某个容器是否能正确构建，如何快速构建</li>
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<li>部署时，关心某个应用程序的服务是否可用，是否符合预期，依赖的相关资源是否都能访问到</li>
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</ul>
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<p>这种隔离的模式，可以很方便的将应用程序与底层的基础设施解耦，极大的提高集群扩/缩容，迁移的灵活性。</p>
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<p>在前面，我们提到了 Master 节点的 <code>Scheduler</code> 组件，它会调度未绑定的 Pod 到符合条件的 Node 上，而至于最终该 Pod 是否能运行于 Node 上，则是由 <code>Kubelet</code> 来裁定的。关于 Kubelet 的具体原理，后面有详细剖析的章节。</p>
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<h3>Container runtime</h3>
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<p>容器运行时最主要的功能是下载镜像和运行容器，我们最常见的实现可能是 <a href="https://www.docker.com/">Docker</a> , 目前还有其他的一些实现，比如 <a href="https://github.com/rkt/rkt">rkt</a>, <a href="https://github.com/kubernetes-sigs/cri-o">cri-o</a>。</p>
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<p>K8S 提供了一套通用的容器运行时接口 CRI (Container Runtime Interface), 凡是符合这套标准的容器运行时实现，均可在 K8S 上使用。</p>
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<h3>Kube Proxy</h3>
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||
<p>我们都知道，想要访问某个服务，那要么通过域名，要么通过 IP。而每个 Pod 在创建后都会有一个虚拟 IP，K8S 中有一个抽象的概念，叫做 <code>Service</code> ，<code>kube-proxy</code> 便是提供一种代理的服务，让你可以通过 <code>Service</code> 访问到 Pod。</p>
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<p>实际的工作原理是在每个 Node 上启动一个 <code>kube-proxy</code> 的进程，通过编排 <code>iptables</code> 规则来达到此效果。深入的解析，在后面有对应的章节。</p>
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<h2>总结</h2>
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<p>本节中，我们了解到了 K8S 的整体遵循 C/S 架构，集群的 Master 包含着几个重要的组成部分，比如 <code>API Server</code>, <code>Controller Manager</code> 等。</p>
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<p>而 Node 上，则运行着三个必要的组件 <code>kubelet</code>, <code>container runtime</code> (一般是 Docker), <code>kube-proxy</code> 。</p>
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<p>通过所有组件的分工协作，最终实现了 K8S 对容器的编排和调度。</p>
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<p>完成了这节的学习，那我们就开始着手搭建一个属于我们自己的集群吧。</p>
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<a href="/专栏/Kubernetes 从上手到实践/02 初步认识：Kubernetes 基础概念.md.html">上一页</a>
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<a href="/专栏/Kubernetes 从上手到实践/04 搭建 Kubernetes 集群 - 本地快速搭建.md.html">下一页</a>
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<a class="off-canvas-overlay" onclick="hide_canvas()"></a>
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<script defer src="https://static.cloudflareinsights.com/beacon.min.js/v652eace1692a40cfa3763df669d7439c1639079717194" integrity="sha512-Gi7xpJR8tSkrpF7aordPZQlW2DLtzUlZcumS8dMQjwDHEnw9I7ZLyiOj/6tZStRBGtGgN6ceN6cMH8z7etPGlw==" data-cf-beacon='{"rayId":"70997230b8393d60","version":"2021.12.0","r":1,"token":"1f5d475227ce4f0089a7cff1ab17c0f5","si":100}' crossorigin="anonymous"></script>
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</body>
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<!-- Global site tag (gtag.js) - Google Analytics -->
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<script async src="https://www.googletagmanager.com/gtag/js?id=G-NPSEEVD756"></script>
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<script>
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window.dataLayer = window.dataLayer || [];
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function gtag() {
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dataLayer.push(arguments);
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}
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gtag('js', new Date());
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gtag('config', 'G-NPSEEVD756');
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var path = window.location.pathname
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var cookie = getCookie("lastPath");
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console.log(path)
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if (path.replace("/", "") === "") {
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if (cookie.replace("/", "") !== "") {
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console.log(cookie)
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document.getElementById("tip").innerHTML = "<a href='" + cookie + "'>跳转到上次进度</a>"
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}
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} else {
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setCookie("lastPath", path)
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}
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function setCookie(cname, cvalue) {
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var d = new Date();
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d.setTime(d.getTime() + (180 * 24 * 60 * 60 * 1000));
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var expires = "expires=" + d.toGMTString();
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document.cookie = cname + "=" + cvalue + "; " + expires + ";path = /";
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}
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function getCookie(cname) {
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var name = cname + "=";
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var ca = document.cookie.split(';');
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for (var i = 0; i < ca.length; i++) {
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var c = ca[i].trim();
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if (c.indexOf(name) === 0) return c.substring(name.length, c.length);
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}
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return "";
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}
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</script>
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</html>
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