Kubernetes 系列（一）：入門篇 - 認識 K8s 與核心架構

前言

如果你已經熟悉 Docker，能夠將應用程式打包成容器並順利運行，那麼恭喜你已經跨出了容器化的第一步！但當你的應用從單一容器發展到數十甚至數百個容器時，新的挑戰隨之而來：如何確保容器崩潰後自動重啟？如何在多台機器之間分配容器？如何實現服務的滾動更新而不影響使用者？這時候，你就需要 Kubernetes（簡稱 K8s） 這個目前最主流的容器編排工具。

如何確保容器崩潰後自動重啟？
如何在多台機器之間分配容器？
如何實現服務的滾動更新而不影響使用者？
如何讓容器之間互相通訊？

這時候，你就需要一個容器編排工具，而 Kubernetes（簡稱 K8s） 正是目前最主流的解決方案。

本篇文章將帶你從零開始認識 Kubernetes，理解它的核心架構與設計理念，為後續的深入學習打下堅實基礎。

什麼是 Kubernetes？

命名由來

Kubernetes 源自希臘語「κυβερνήτης」，意為「舵手」或「領航員」。這個名字暗示了它的核心功能：掌舵你的容器艦隊。

為什麼叫 K8s？因為「Kubernetes」中間有 8 個字母（ubernete），所以簡稱 K8s。

一句話定義

Kubernetes 是一個用於自動部署、擴展和管理容器化應用程式的開源平台。

K8s 能做什麼？

功能	說明
自動部署	宣告式配置，描述期望狀態，K8s 自動達成
自動擴展	根據 CPU、記憶體或自定義指標自動增減容器數量
自我修復	容器崩潰自動重啟，節點故障自動遷移
服務發現	內建 DNS，容器透過服務名稱互相通訊
負載均衡	自動將流量分配到多個容器
滾動更新	無停機時間更新應用，支援版本回滾
密鑰管理	安全管理敏感資訊，無需硬編碼

Docker vs Kubernetes：釐清關係

很多初學者會問：「我已經有 Docker 了，為什麼還需要 Kubernetes？」

它們的關係

graph TD
    subgraph "開發環境"
        A[Docker] --> B[建立容器映像檔]
        B --> C[單機運行容器]
    end

    subgraph "生產環境"
        D[Kubernetes] --> E[編排多個容器]
        E --> F[跨多台機器部署]
        F --> G[自動化維運]
    end

    C -.->|規模變大| D

簡單比喻

角色	Docker	Kubernetes
比喻	貨櫃（Container）	港口管理系統
功能	打包和運行單一容器	管理成千上萬個容器
層級	容器運行時（Container Runtime）	容器編排（Container Orchestration）

Docker 負責「造船」，Kubernetes 負責「管理船隊」。

K8s 不一定需要 Docker

從 Kubernetes 1.24 版開始，K8s 不再直接支援 Docker 作為容器運行時，而是使用 containerd 或 CRI-O。但這不影響你使用 Docker 建立映像檔——Docker 建立的映像檔完全符合 OCI 標準，可以在任何容器運行時執行。

Kubernetes 核心架構

K8s 集群由兩種類型的節點組成：Control Plane（控制平面） 和 Worker Node（工作節點）。

graph TB
    subgraph "Control Plane 控制平面"
        API[API Server<br/>叢集入口]
        ETCD[etcd<br/>分散式儲存]
        SCHED[Scheduler<br/>調度器]
        CM[Controller Manager<br/>控制器管理]
    end

    subgraph "Worker Node 1"
        K1[Kubelet]
        KP1[Kube-Proxy]
        CR1[Container Runtime]
        P1[Pod A]
        P2[Pod B]
    end

    subgraph "Worker Node 2"
        K2[Kubelet]
        KP2[Kube-Proxy]
        CR2[Container Runtime]
        P3[Pod C]
        P4[Pod D]
    end

    API --> ETCD
    API --> SCHED
    API --> CM

    API <--> K1
    API <--> K2

    K1 --> CR1
    K2 --> CR2

    CR1 --> P1
    CR1 --> P2
    CR2 --> P3
    CR2 --> P4

Control Plane 元件

Control Plane 是叢集的「大腦」，負責全局決策和狀態管理。

1. API Server（kube-apiserver）

角色：K8s 叢集的唯一入口
功能：接收所有 REST 請求，驗證並處理
特點：所有元件都只和 API Server 通訊

1
2
3

# 所有 kubectl 指令都是在和 API Server 溝通
kubectl get pods
kubectl apply -f deployment.yaml

2. etcd

角色：分散式鍵值儲存資料庫
功能：儲存叢集的所有狀態資料
特點：高可用、強一致性
重要性：etcd 掛掉 = 整個叢集癱瘓

生產環境建議：etcd 應部署為奇數個節點（3 或 5 個）以確保高可用。

3. Scheduler（kube-scheduler）

角色：Pod 的「調度員」
功能：決定 Pod 要運行在哪個 Node 上
考量因素：
- 資源需求（CPU、記憶體）
- 節點負載
- 親和性/反親和性規則
- 污點與容忍度

4. Controller Manager（kube-controller-manager）

角色：控制器的「管理員」
功能：運行各種控制器，確保叢集狀態符合期望

控制器	職責
Deployment Controller	管理 Deployment 和 ReplicaSet
ReplicaSet Controller	確保 Pod 副本數量正確
Node Controller	監控節點狀態
Service Account Controller	管理服務帳號

Worker Node 元件

Worker Node 是實際運行應用程式的節點。

1. Kubelet

角色：節點的「代理人」
功能：
- 從 API Server 接收 Pod 規格
- 確保容器按規格運行
- 回報節點和 Pod 狀態

2. Kube-Proxy

角色：網路代理
功能：
- 維護節點上的網路規則
- 實現 Service 的負載均衡

3. Container Runtime

角色：容器運行時
常見選擇：containerd、CRI-O
功能：實際運行容器

核心概念速覽

在深入學習之前，先認識幾個最重要的概念：

graph LR
    subgraph "Workloads 工作負載"
        POD[Pod<br/>最小單位]
        RS[ReplicaSet<br/>副本控制]
        DEP[Deployment<br/>部署管理]
    end

    subgraph "Service & Networking"
        SVC[Service<br/>服務暴露]
        ING[Ingress<br/>外部入口]
    end

    subgraph "Config & Storage"
        CM[ConfigMap<br/>配置管理]
        SEC[Secret<br/>密鑰管理]
        PV[PersistentVolume<br/>持久儲存]
    end

    DEP --> RS --> POD
    SVC --> POD
    ING --> SVC

Pod

K8s 中最小的部署單位
一個 Pod 可包含一或多個容器
同一 Pod 內的容器共享網路和儲存

Deployment

管理 Pod 的部署和更新
支援滾動更新和回滾
聲明式配置：描述期望狀態

Service

為一組 Pod 提供穩定的存取端點
實現服務發現和負載均衡
解決 Pod IP 動態變化的問題

本地開發環境搭建

想要動手實踐，首先需要一個 K8s 環境。以下是幾種常見選擇：

方案比較

工具	適用場景	優點	缺點
Docker Desktop	macOS/Windows	最簡單，一鍵啟用	資源佔用較高
Minikube	所有平台	功能完整，插件豐富	需要額外安裝
Kind	CI/CD 環境	輕量、快速	功能較少
k3d	本地開發	極輕量	社群較小

Docker Desktop（推薦新手）

如果你已經安裝了 Docker Desktop，啟用 Kubernetes 只需幾步：

開啟 Docker Desktop
進入 Settings → Kubernetes
勾選「Enable Kubernetes」
點擊「Apply & Restart」

等待幾分鐘，K8s 圖示變綠即表示成功。

Minikube 安裝

# macOS
brew install minikube

# 啟動叢集
minikube start

# 確認狀態
minikube status

驗證安裝

無論使用哪種方式，都可以用以下指令驗證：

# 查看叢集資訊
kubectl cluster-info

# 查看節點狀態
kubectl get nodes

# 預期輸出
# NAME             STATUS   ROLES           AGE   VERSION
# docker-desktop   Ready    control-plane   1d    v1.28.2

kubectl 基礎指令

kubectl 是與 K8s 互動的命令列工具，掌握它是使用 K8s 的第一步。

指令結構

1	kubectl [動作] [資源類型] [資源名稱] [選項]

常用指令速查

# 查看資源
kubectl get pods                  # 列出所有 Pod
kubectl get pods -o wide          # 顯示更多資訊
kubectl get all                   # 列出所有資源類型

# 詳細資訊
kubectl describe pod <pod-name>   # 查看 Pod 詳情
kubectl logs <pod-name>           # 查看 Pod 日誌
kubectl logs -f <pod-name>        # 即時追蹤日誌

# 進入容器
kubectl exec -it <pod-name> -- /bin/sh

# 應用配置
kubectl apply -f deployment.yaml  # 套用配置檔
kubectl delete -f deployment.yaml # 刪除配置

# 偵錯
kubectl get events               # 查看叢集事件
kubectl top pods                 # 查看資源使用量

實用技巧

# 設定別名（加入 ~/.zshrc 或 ~/.bashrc）
alias k='kubectl'
alias kgp='kubectl get pods'
alias kgs='kubectl get svc'

# 自動補全
source <(kubectl completion zsh)  # Zsh
source <(kubectl completion bash) # Bash

第一個 K8s 應用

讓我們部署一個簡單的 Nginx 來驗證環境：

快速部署

# 建立 Deployment
kubectl create deployment nginx --image=nginx:alpine

# 暴露服務
kubectl expose deployment nginx --port=80 --type=NodePort

# 查看服務
kubectl get svc nginx

使用 YAML 配置（推薦）

建立 nginx-demo.yaml：

# Deployment：管理 Pod 的部署
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: nginx-demo
  labels:
    app: nginx-demo
spec:
  replicas: 3 # 運行 3 個副本
  selector:
    matchLabels:
      app: nginx-demo
  template:
    metadata:
      labels:
        app: nginx-demo
    spec:
      containers:
        - name: nginx
          image: nginx:alpine
          ports:
            - containerPort: 80
          resources:
            requests: # 最小資源需求
              cpu: "100m"
              memory: "64Mi"
            limits: # 最大資源限制
              cpu: "200m"
              memory: "128Mi"
---
# Service：暴露 Pod 的存取端點
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: nginx-demo-service
spec:
  selector:
    app: nginx-demo
  ports:
    - port: 80
      targetPort: 80
  type: NodePort

# 套用配置
kubectl apply -f nginx-demo.yaml

# 查看 Pod 狀態
kubectl get pods -l app=nginx-demo

# 查看 Service
kubectl get svc nginx-demo-service

# 存取服務（Minikube）
minikube service nginx-demo-service

# 或使用 port-forward
kubectl port-forward svc/nginx-demo-service 8080:80
# 然後開啟瀏覽器訪問 http://localhost:8080

清理資源

kubectl delete -f nginx-demo.yaml
# 或
kubectl delete deployment nginx-demo
kubectl delete svc nginx-demo-service

本章重點回顧

核心要點

Kubernetes 定位
- 容器編排平台，不是取代 Docker
- 解決大規模容器管理的問題
架構組成
- Control Plane：API Server、etcd、Scheduler、Controller Manager
- Worker Node：Kubelet、Kube-Proxy、Container Runtime
核心概念
- Pod：最小部署單位
- Deployment：管理 Pod 部署
- Service：提供穩定存取端點
開發環境
- Docker Desktop 最簡單
- kubectl 是主要操作工具

K8s 學習路線圖

graph LR
    A[入門概念] --> B[Pod/Deployment/Service]
    B --> C[網路與 Ingress]
    C --> D[ConfigMap/Secret/Volume]
    D --> E[資源管理與擴展]
    E --> F[生產環境部署]

    style A fill:#4ecdc4
    style B fill:#95e1d3
    style C fill:#f38181
    style D fill:#fce38a
    style E fill:#eaffd0
    style F fill:#aa96da

下一篇預告

在下一篇文章中，我們將深入探討 Pod、Deployment 與 Service 這三個最核心的資源類型：

Pod 的生命週期與設計原則
Deployment 的更新策略與回滾機制
Service 的四種類型與使用場景
Label 與 Selector 的運作原理

系列文章導覽

Part 1：入門篇 - 認識 K8s 與核心架構（本篇）
Part 2：基礎篇 - Pod、Deployment 與 Service
Part 3：網路篇 - 服務發現與流量管理
Part 4：配置與存儲篇 - ConfigMap、Secret 與 Volume
Part 5：進階篇 - 資源管理與自動擴展
Part 6：實戰篇 - 部署完整微服務應用