Kubernetes 整体架构

概述#

Kubernetes 是一个分布式容器编排系统，采用主从架构设计，由控制平面 (Control Plane) 和数据平面 (Data Plane) 组成。本文深入分析 K8s 的架构设计理念和各组件的职责。

1. 设计哲学#

1.1 声明式 API#

Kubernetes 采用声明式 API 设计，用户描述期望的最终状态，系统自动执行必要的操作达到该状态：

# 用户声明期望状态
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: nginx
spec:
  replicas: 3  # 期望 3 个副本
  selector:
    matchLabels:
      app: nginx
  template:
    metadata:
      labels:
        app: nginx
    spec:
      containers:
      - name: nginx
        image: nginx:1.21

声明式的优势：

• 幂等性: 多次应用相同配置结果一致
• 自愈能力: 系统持续向期望状态收敛
• 可审计: 配置即文档，易于版本控制

1.2 控制循环模式#

控制循环 (Control Loop) 是 K8s 的核心设计模式，每个控制器持续执行：

观察 (Observe) -> 对比 (Diff) -> 行动 (Act)

1.3 松耦合组件架构#

各组件通过 API Server 进行通信，彼此解耦：

• 组件可独立升级和扩展
• 故障隔离，单组件故障不影响其他组件
• 支持插件化扩展

2. 控制平面组件#

控制平面负责集群的全局决策和状态管理。

2.1 API Server#

职责: 集群的统一入口，所有组件通过它进行通信。

核心功能:

• RESTful API 服务
• 认证 (Authentication)
• 授权 (Authorization)
• 准入控制 (Admission Control)
• 资源验证与持久化
• Watch 机制 - 事件通知

代码入口: cmd/kube-apiserver/apiserver.go

// cmd/kube-apiserver/apiserver.go
func main() {
    command := app.NewAPIServerCommand()
    code := cli.Run(command)
    os.Exit(code)
}

关键数据流:

2.2 etcd#

职责: 分布式键值存储，保存集群所有状态数据。

核心特性:

• 基于 Raft 协议的强一致性
• MVCC (多版本并发控制)
• Watch 机制支持
• 事务操作

K8s 存储的数据:

• 所有 API 资源对象 (Pod, Service, Deployment 等)
• 集群配置信息
• Secrets 和 ConfigMaps

数据路径格式:

/registry/{resource-type}/{namespace}/{name}
/registry/pods/default/nginx-xxx
/registry/deployments/kube-system/coredns

2.3 Controller Manager#

职责: 运行各种控制器，确保集群状态符合期望。

内置控制器 (35+):

代码结构: pkg/controller/

pkg/controller/
├── deployment/           # Deployment 控制器
├── replicaset/           # ReplicaSet 控制器
├── statefulset/          # StatefulSet 控制器
├── daemon/               # DaemonSet 控制器
├── job/                  # Job 控制器
├── cronjob/              # CronJob 控制器
├── endpoint/             # Endpoint 控制器
├── endpointslice/        # EndpointSlice 控制器
├── namespace/            # Namespace 控制器
├── garbagecollector/     # 垃圾回收控制器
└── ...

2.4 Scheduler#

职责: 为新创建的 Pod 选择合适的 Node 运行。

调度流程:

1. 过滤 (Filter): 排除不满足条件的节点
2. 评分 (Score): 对剩余节点打分排序
3. 绑定 (Bind): 将 Pod 绑定到最优节点

调度框架扩展点:

代码入口: pkg/scheduler/scheduler.go

3. 数据平面组件#

数据平面运行在每个 Worker 节点上，负责实际的容器运行和网络管理。

3.1 Kubelet#

职责: 节点代理，管理 Pod 生命周期。

核心功能:

• Pod 生命周期管理
• 容器运行时交互 (CRI)
• 卷挂载管理
• 健康检查 (探针)
• 节点状态上报
• 资源监控

架构图:

代码入口: cmd/kubelet/kubelet.go

3.2 kube-proxy#

职责: 实现 Service 的网络代理和负载均衡。

代理模式:

工作原理 (iptables 模式):

代码入口: cmd/kube-proxy/proxy.go

3.3 Container Runtime#

职责: 实际运行容器的软件。

K8s 通过 CRI (Container Runtime Interface) 与容器运行时交互：

CRI 接口定义: staging/src/k8s.io/cri-api/

4. 组件通信机制#

4.1 API Server 中心化通信#

所有组件通过 API Server 通信，不直接相互调用：

4.2 Watch 机制#

组件使用 Watch 机制监听资源变化：

4.3 组件间依赖关系#

5. 代码结构概览#

5.1 主要目录#

kubernetes/
├── cmd/                        # 各组件入口
│   ├── kube-apiserver/         # API Server
│   ├── kube-controller-manager/# Controller Manager
│   ├── kube-scheduler/         # Scheduler
│   ├── kubelet/                # Kubelet
│   └── kube-proxy/             # kube-proxy
│
├── pkg/                        # 核心实现
│   ├── api/                    # API 定义
│   ├── apis/                   # API 组定义
│   ├── controller/             # 控制器实现
│   ├── scheduler/              # 调度器实现
│   ├── kubelet/                # Kubelet 实现
│   ├── proxy/                  # kube-proxy 实现
│   ├── volume/                 # 存储卷实现
│   └── registry/               # API 资源注册表
│
├── staging/src/k8s.io/         # 独立发布的库
│   ├── api/                    # API 类型定义
│   ├── apimachinery/           # API 机制
│   ├── apiserver/              # API Server 框架
│   ├── client-go/              # Go 客户端
│   ├── controller-manager/     # 控制器管理器框架
│   └── ...
│
├── vendor/                     # 依赖
├── hack/                       # 构建脚本
└── test/                       # 测试

5.2 关键代码路径#

6. 总结#

Kubernetes 的架构设计体现了以下核心理念：

1. 声明式: 用户描述期望状态，系统自动收敛
2. 控制循环: 持续观察-对比-行动，保证最终一致性
3. 松耦合: 组件通过 API Server 通信，独立演进
4. 可扩展: 插件化设计，支持多种扩展机制
5. 高可用: 控制平面可多副本部署，etcd 支持集群模式

理解这些设计理念是深入学习 Kubernetes 各组件实现的基础。

参考#

• Kubernetes 官方文档 - 架构
• Kubernetes 设计提案
• 源码: cmd/, pkg/, staging/src/k8s.io/