第十章：Docker 与 Kubernetes

Kubernetes（简称 K8s）是一个开源的容器编排平台，用于自动化部署、扩展和管理容器化应用。Kubernetes 最初由 Google 开发，现在由云原生计算基金会（CNCF）维护。Kubernetes 提供了一种将多个容器应用以集群方式管理的方式，使得应用的高可用性、扩展性和可维护性得到了极大的提升。

在深入了解 Kubernetes 之前，首先需要掌握一些基本概念：

集群（Cluster）: 由一组节点（Node）组成，用于运行容器化应用。
节点（Node）: 集群中的单个机器，可以是物理机或虚拟机。每个节点运行容器，并由主节点（Master Node）管理。
Pod: Kubernetes 中最小的部署单元，一个 Pod 可以包含一个或多个容器，通常共享存储、网络和命名空间。
服务（Service）: 定义了一组 Pod 的访问策略，通常用于负载均衡和服务发现。
部署（Deployment）: 定义了应用的期望状态，Kubernetes 会确保集群中的应用实例符合该状态。

要使用 Kubernetes，首先需要安装和配置 Kubernetes 环境。以下是常见的安装方式：

Minikube 是一个本地的 Kubernetes 集群，适合用于开发和测试。以下是在本地机器上安装 Minikube 的步骤：

安装 Minikube:

# macOS
brew install minikube

# Windows
choco install minikube

# Linux
curl -LO https://storage.googleapis.com/minikube/releases/latest/minikube-linux-amd64 \
&& sudo install minikube-linux-amd64 /usr/local/bin/minikube

启动 Minikube:

minikube start

验证安装:

kubectl cluster-info

1. 使用 Kubernetes 管理容器

1.1 创建与管理 Pod

Pod 是 Kubernetes 中最小的部署单元。以下是创建和管理 Pod 的基本步骤：

创建 Pod

使用 YAML 文件定义 Pod，并通过 kubectl 命令创建 Pod。示例 YAML 文件（pod.yaml）：

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: my-pod
spec:
  containers:
    - name: my-container
      image: nginx

创建 Pod:

kubectl apply -f pod.yaml

查看 Pod 状态

kubectl get pods
kubectl describe pod my-pod

1.2 使用 Deployment 部署应用

Deployment 提供了声明式更新应用的能力，可以方便地管理应用的扩展和滚动更新。

创建 Deployment

示例 YAML 文件（deployment.yaml）：

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: my-deployment
spec:
  replicas: 3
  selector:
    matchLabels:
      app: my-app
  template:
    metadata:
      labels:
        app: my-app
    spec:
      containers:
        - name: my-container
          image: nginx

创建 Deployment:

kubectl apply -f deployment.yaml

查看 Deployment 状态

kubectl get deployments
kubectl describe deployment my-deployment

1.3 配置服务与负载均衡

服务（Service）为一组 Pod 提供稳定的网络端点，通常用于负载均衡和服务发现。

创建服务

示例 YAML 文件（service.yaml）：

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: my-service
spec:
  selector:
    app: my-app
  ports:
    - protocol: TCP
      port: 80
      targetPort: 80
  type: LoadBalancer

创建服务:

kubectl apply -f service.yaml

查看服务状态

kubectl get services
kubectl describe service my-service

2. Docker 与 Kubernetes 的结合

2.1 将 Docker 应用迁移到 Kubernetes

将现有的 Docker 应用迁移到 Kubernetes 涉及以下步骤：

编写 Kubernetes 配置文件: 将 Docker Compose 文件转换为 Kubernetes 的 Deployment 和 Service YAML 文件。
部署应用: 使用 kubectl apply 命令将配置文件部署到 Kubernetes 集群。

2.2 使用 Helm 管理 Kubernetes 应用

Helm 是 Kubernetes 的包管理工具，可以方便地管理应用的安装、升级和配置。

安装 Helm

# macOS
brew install helm

# Windows
choco install kubernetes-helm

# Linux
curl https://raw.githubusercontent.com/helm/helm/main/scripts/get-helm-3 | bash

使用 Helm 部署应用

# 添加 Helm 仓库
helm repo add stable https://charts.helm.sh/stable

# 搜索应用
helm search repo stable

# 部署应用
helm install my-release stable/nginx

2.3 Kubernetes 的高级配置与优化

为了确保 Kubernetes 集群的高效运行，可以进行以下优化：

资源限制与配额: 为 Pod 设置 CPU 和内存限制，防止资源争用。
节点自动伸缩: 使用 Cluster Autoscaler 自动调整节点数量，以应对负载变化。
监控与日志: 配置 Prometheus 和 Grafana 进行监控，使用 ELK 堆栈进行日志管理。