☸️ K8s 组件详解

关于本文档

Kubernetes 集群由控制平面（Control Plane） 和工作节点（Worker Node） 两大部分组成。本文档深度解析每个组件的职责、工作原理及面试考点。

本文档是 K8s 核心概念 的组件深化篇。

#k8s #kubernetes #architecture #components #reference

📋 组件全景图

flowchart TB
    subgraph CP["☸️ 控制平面（Control Plane）"]
        AP["kube-apiserver<br/>📡 API 入口"]
        ET["etcd<br/>💾 键值存储"]
        SC["kube-scheduler<br/>🎯 Pod 调度器"]
        CM["kube-controller-manager<br/>🔄 控制器管理器"]
        CCM["cloud-controller-manager<br/>☁️ 云控制器（可选）"]
    end

    subgraph WN["🖥️ 工作节点（Worker Node）"]
        KL["kubelet<br/>👷 节点代理"]
        KP["kube-proxy<br/>🌐 网络代理"]
        CR["容器运行时<br/>🐳 containerd / CRI-O"]
    end

    subgraph AD["🔌 插件（Addons）"]
        DNS["CoreDNS<br/>📖 集群 DNS"]
        DASH["Dashboard<br/>🖥️ Web 界面"]
        MON["监控<br/>📊 资源监控"]
        LOG["日志<br/>📝 集群日志"]
    end

    CP --> WN
    WN --> AD

    style CP fill:#E3F2FD,color:#000
    style WN fill:#FFF3E0,color:#000
    style AD fill:#E8F5E9,color:#000

📖 ：控制平面组件 🧠

控制平面是集群的”大脑”，管理集群的全局状态和运行逻辑。

控制平面的核心职责

• 提供 API 接口（kube-apiserver）
• 存储集群状态（etcd）
• 调度工作负载（kube-scheduler）
• 运行控制器逻辑（kube-controller-manager）

1.1 kube-apiserver — 集群的”大门”

角色：Kubernetes HTTP API 的核心实现组件，所有组件通信的唯一入口。

flowchart LR
    subgraph "kube-apiserver 通信模式"
        A[kubectl] --> API
        B[Pod] --> API
        C[其他组件] --> API
        API --> ETCD[etcd]
    end

    style API fill:#1976D2,color:#fff
    style ETCD fill:#F57C00,color:#fff

面试高频题

Q: API Server 是无状态还是有状态的？

A: 无状态（Stateless）。API Server 自身不持久化数据，所有数据存储在 etcd 中。这意味着 API Server 可以水平扩展。

Q: API Server 的处理流程是怎样的？

A: 认证 → 授权 → 准入控制（Mutating → Validating）→ 存储到 etcd → 返回响应

1.2 etcd — 集群的”数据库”

角色：具备一致性和高可用性的分布式键值存储，存储所有集群数据。

生产环境注意事项

• 奇数节点（3/5/7）保证 Raft 多数派
• 定期备份 etcd 快照
• 分离部署：生产环境建议 etcd 与 API Server 分离部署
• 性能：etcd 对磁盘 IO 敏感，推荐 SSD

1.3 kube-scheduler — 集群的”调度官”

角色：监听未绑定节点的 Pod，将其分配到最合适的节点。

flowchart LR
    A[待调度 Pod] --> B[Predicates<br/>预选：筛选满足条件的节点]
    B --> C[Priorities<br/>优选：对节点打分排序]
    C --> D[Binding<br/>绑定：将 Pod 绑定到最优节点]

面试题：调度器如何保证公平性？ 通过调度队列（Scheduling Queue）管理待调度 Pod，支持优先级抢占（Priority & Preemption）。

1.4 kube-controller-manager — 集群的”监管者”

角色：运行控制器进程，确保集群的当前状态不断趋近于期望状态。

控制器的核心逻辑 控制器通过 API Server 监控集群的公共状态，并致力于将当前状态转变为期望的状态。

核心控制器列表：

1.5 cloud-controller-manager — 云驱动集成（可选）

角色：与底层云平台（AWS、GCP、Azure 等）集成，管理云资源。

自建机房或裸金属部署通常不需要 cloud-controller-manager。

⚡ ：工作节点组件 🖥️

2.1 kubelet — 节点的”守护者”

角色：每个节点上运行的主要代理进程，确保 Pod 中的容器正常运行。

flowchart TD
    A[API Server] -->|监控 Pod 变更| B(kubelet)
    B -->|创建/删除| C[容器运行时]
    C --> D[容器]
    B -->|上报状态| A
    B -->|健康检查| E[Readiness<br/>Liveness<br/>Startup]

2.2 kube-proxy — 网络的”交通警”（可选）

角色：维护节点上的网络规则，实现 Service 的网络代理和负载均衡。

推荐 生产环境推荐 IPVS 模式，性能优于 iptables，支持更丰富的负载均衡算法。

2.3 容器运行时 — 容器的”发动机”

角色：负责运行容器的软件。Kubernetes 通过 CRI（Container Runtime Interface） 与容器运行时交互。

flowchart LR
    A[kubelet] -->|CRI 接口| B{"容器运行时"}
    B --> C[containerd<br/>⭐ 推荐]
    B --> D[CRI-O]
    B --> E[Docker + cri-dockerd]

面试题：K8s 1.24 之后为什么移除了 dockershim？ Dockershim 是 kubelet 中用于支持 Docker 的适配层。移除后，Docker 不再作为 K8s 的内置容器引擎。这是推动社区向 CRI 标准靠拢、减轻维护负担的举措。用户可通过安装 cri-dockerd 适配器继续使用 Docker。

🔧 ：插件（Addons）🔌

插件扩展 Kubernetes 集群的功能。大多数插件是集群范围内的资源。

3.1 DNS（CoreDNS）

角色：集群范围内的 DNS 解析服务，为 Service 和 Pod 提供域名解析。

每个 Service 自动获得一个 DNS 记录：<service>.<namespace>.svc.cluster.local

3.2 Dashboard

角色：基于 Web 的 Kubernetes 集群管理界面。

3.3 容器资源监控

角色：在集群范围内收集和存储容器指标。

3.4 集群层面日志

角色：将容器日志收集到中央存储，支持检索和告警。

⚙️ ：架构灵活性 🧩

Kubernetes 允许灵活地部署和管理组件，适应从小型开发环境到大规模生产部署的各种需求。

4.1 组件部署模式

4.2 etcd 部署架构

生产建议 对于生产环境 HA 集群，推荐使用 External etcd 或奇数节点（3/5/7）的 Stacked 模式。

4.3 组件通信流程

sequenceDiagram
    participant U as kubectl/用户
    participant AP as kube-apiserver
    participant ET as etcd
    participant SC as kube-scheduler
    participant CM as controller-manager
    participant KL as kubelet

    U->>AP: kubectl apply -f deployment.yaml
    AP->>ET: 存储资源声明
    AP-->>CM: 控制器检测到变更
    CM->>AP: 创建 Pod 对象
    AP->>ET: 存储 Pod 状态
    AP-->>SC: 调度器检测到未调度的 Pod
    SC->>AP: 绑定 Pod 到节点
    AP->>ET: 存储绑定结果
    AP-->>KL: kubelet 监听到新 Pod
    KL->>CR: 调用容器运行时创建容器
    KL->>AP: 上报 Pod 运行状态

📊 面试速记

核心要点

面试脑图

mindmap
  root((K8s 组件))
    控制平面
      API Server
        认证/授权
        准入控制
        水平扩展
      etcd
        Raft 协议
        快照备份
        奇数节点
      Scheduler
        预选 Predicates
        优选 Priorities
        亲和性调度
      Controller
        Deployment
        StatefulSet
        DaemonSet
        Job/CronJob
    工作节点
      kubelet
        Pod 管理
        健康检查
        资源上报
      kube-proxy
        iptables
        IPVS
      Container Runtime
        containerd
        CRI-O
    插件
      CoreDNS
      Dashboard
      Metrics Server
      Prometheus/Grafana

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