Kubernetes 学习教程

核心概念

Pod

Kubernetes 最小的部署单元，包含一个或多个容器

Deployment

管理 Pod 的副本数量和更新策略

Service

为 Pod 提供稳定的网络访问入口

Node

运行容器的物理或虚拟机器

ConfigMap

存储配置数据，实现配置与代码分离

Secret

安全地存储敏感信息如密码和密钥

安装指南

使用 Homebrew 安装

# 安装 Homebrew（如果尚未安装）
/bin/bash -c "$(curl -fsSL https://raw.githubusercontent.com/Homebrew/install/HEAD/install.sh)"

# 安装 Minikube
brew install minikube

# 安装 kubectl
brew install kubectl

# 启动 Minikube
minikube start

# 验证安装
kubectl cluster-info

可选：使用 Docker 驱动

# 使用 Docker 驱动启动
minikube start --driver=docker

# 查看驱动
minikube config view

下载并安装 Minikube

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

# 安装 kubectl
curl -LO "https://dl.k8s.io/release/$(curl -L -s https://dl.k8s.io/release/stable.txt)/bin/linux/amd64/kubectl"
sudo install -o root -g root -m 0755 kubectl /usr/local/bin/kubectl

# 启动 Minikube
minikube start

# 验证安装
kubectl cluster-info

Ubuntu/Debian 系统

# 更新包列表
sudo apt-get update

# 安装依赖
sudo apt-get install -y conntrack

# 启动 Minikube
minikube start

使用 Chocolatey 安装

# 安装 Chocolatey（如果尚未安装）
Set-ExecutionPolicy Bypass -Scope Process -Force; [System.Net.ServicePointManager]::SecurityProtocol = [System.Net.ServicePointManager]::SecurityProtocol -bor 3072; iex ((New-Object System.Net.WebClient).DownloadString('https://community.chocolatey.org/install.ps1'))

# 安装 Minikube
choco install minikube

# 安装 kubectl
choco install kubernetes-cli

# 启动 Minikube
minikube start

# 验证安装
kubectl cluster-info

手动安装

# 下载 Minikube
# 访问 https://minikube.sigs.k8s.io/docs/start/ 下载 Windows 安装包

# 下载 kubectl
curl -LO "https://dl.k8s.io/release/stable.txt" -o kubectl_version.txt
curl -LO "https://dl.k8s.io/release/$(cat kubectl_version.txt)/bin/windows/amd64/kubectl.exe"

# 将 kubectl.exe 添加到 PATH 环境变量

Google Kubernetes Engine (GKE)

# 安装 gcloud CLI
curl https://sdk.cloud.google.com | bash

# 初始化 gcloud
gcloud init

# 创建 GKE 集群
gcloud container clusters create my-cluster \
  --num-nodes=3 \
  --zone=us-central1-a

# 配置 kubectl
gcloud container clusters get-credentials my-cluster \
  --zone=us-central1-a

# 验证连接
kubectl get nodes

Amazon Elastic Kubernetes Service (EKS)

# 安装 AWS CLI
curl "https://awscli.amazonaws.com/awscli-exe-linux-x86_64.zip" -o "awscliv2.zip"
unzip awscliv2.zip
sudo ./aws/install

# 安装 eksctl
curl --location "https://github.com/weaveworks/eksctl/releases/latest/download/eksctl_$(uname -s)_amd64.tar.gz" | tar xz -C /tmp
sudo mv /tmp/eksctl /usr/local/bin

# 创建 EKS 集群
eksctl create cluster --name my-cluster --region us-west-2

Azure Kubernetes Service (AKS)

# 安装 Azure CLI
curl -sL https://aka.ms/InstallAzureCLIDeb | sudo bash

# 登录 Azure
az login

# 创建 AKS 集群
az aks create --resource-group myResourceGroup \
  --name myAKSCluster \
  --node-count 3 \
  --generate-ssh-keys

# 配置 kubectl
az aks get-credentials --resource-group myResourceGroup \
  --name myAKSCluster

配置自动补全

# Bash
echo 'source <(kubectl completion bash)' >> ~/.bashrc
source ~/.bashrc

# Zsh
echo 'source <(kubectl completion zsh)' >> ~/.zshrc
source ~/.zshrc

配置别名

# 添加常用别名到 ~/.bashrc 或 ~/.zshrc
alias k='kubectl'
alias kgp='kubectl get pods'
alias kgd='kubectl get deployments'
alias kgs='kubectl get services'
alias k logs='kubectl logs'
alias k exec='kubectl exec -it'

配置多个集群

# 查看当前上下文
kubectl config current-context

# 查看所有上下文
kubectl config get-contexts

# 切换上下文
kubectl config use-context minikube

# 设置默认命名空间
kubectl config set-context --current --namespace=default

实践指南

Minikube 快速安装

# macOS
brew install minikube

# Linux
curl -Lo minikube https://storage.googleapis.com/minikube/releases/latest/minikube-linux-amd64
chmod +x minikube
sudo mv minikube /usr/local/bin/

# 启动集群
minikube start

使用 kubectl 创建 Pod

# 创建简单的 Nginx Pod
kubectl run nginx --image=nginx

# 查看 Pod 状态
kubectl get pods

# 查看详细信息
kubectl describe pod nginx

创建 Deployment

# 创建部署
kubectl create deployment myapp --image=nginx

# 扩展副本数
kubectl scale deployment myapp --replicas=3

# 查看部署状态
kubectl get deployments

创建 Service

# 创建 NodePort 服务
kubectl expose deployment myapp --port=80 --type=NodePort

# 获取服务地址
minikube service myapp

# 查看服务详情
kubectl get services

常见问题

可能原因和解决方案

资源不足：检查节点 CPU、内存是否足够
调度失败：查看 Pod 事件，使用 kubectl describe pod <pod-name>
镜像拉取失败：检查镜像名称、tag 和仓库访问权限
污点（Taints）：检查节点是否有污点阻止调度

# 查看详细信息
kubectl describe pod <pod-name>

# 查看事件
kubectl get events --sort-by=.metadata.creationTimestamp

# 检查节点资源
kubectl describe nodes

# 检查节点污点
kubectl get nodes -o custom-columns=NAME:.metadata.name,TAINTS:.spec.taints

可能原因和解决方案

应用错误：查看应用日志，修复代码问题
配置错误：检查环境变量、ConfigMap、Secret
资源限制：检查内存或 CPU 限制是否过小
健康检查失败：检查 liveness 和 readiness 探针配置

# 查看日志
kubectl logs <pod-name>

# 查看之前的容器日志
kubectl logs <pod-name> --previous

# 查看详细信息
kubectl describe pod <pod-name>

# 进入容器调试
kubectl exec -it <pod-name> -- /bin/bash

可能原因和解决方案

选择器错误：检查 Service 的选择器是否匹配 Pod 的标签
端口配置错误：检查 targetPort 是否与 Pod 暴露的端口一致
Pod 未就绪：检查 Pod 的 readiness 探针是否通过
网络策略：检查是否有网络策略阻止访问

# 查看 Service 详情
kubectl describe service <service-name>

# 查看 Endpoints
kubectl get endpoints <service-name>

# 查看 Pod 标签
kubectl get pods --show-labels

# 测试 Service 连接
kubectl run -it --rm debug --image=busybox --restart=Never -- wget -O- <service-name>

可能原因和解决方案

镜像不存在：检查镜像名称和 tag 是否正确
权限问题：配置 imagePullSecrets，确保有拉取权限
网络问题：检查集群是否能访问镜像仓库
私有仓库：创建 Docker registry Secret 并配置到 Pod

# 查看详细信息
kubectl describe pod <pod-name>

# 创建 Docker registry Secret
kubectl create secret docker-registry regcred \
  --docker-server=<registry> \
  --docker-username=<username> \
  --docker-password=<password>

# 在 Pod 中使用
spec:
  imagePullSecrets:
  - name: regcred

可能原因和解决方案

kubelet 未运行：检查 kubelet 服务状态
资源压力：检查 CPU、内存、磁盘是否充足
网络问题：检查网络连接和 DNS
容器运行时问题：检查 Docker/containerd 状态

# 查看节点详情
kubectl describe node <node-name>

# 检查节点条件
kubectl get nodes -o wide

# 在节点上检查 kubelet
sudo systemctl status kubelet

# 查看节点日志
sudo journalctl -u kubelet -f

可能原因和解决方案

CoreDNS Pod 问题：检查 CoreDNS Pod 是否正常运行
DNS 配置错误：检查 /etc/resolv.conf 配置
网络策略：检查是否阻止了 DNS 流量
Service 名称错误：确认 Service 名称和命名空间

# 检查 CoreDNS Pod
kubectl get pods -n kube-system -l k8s-app=kube-dns

# 查看 CoreDNS 日志
kubectl logs -n kube-system -l k8s-app=kube-dns

# 测试 DNS 解析
kubectl run -it --rm debug --image=busybox --restart=Never -- nslookup kubernetes.default

# 查看 DNS 配置
kubectl get configmap coredns -n kube-system -o yaml

最佳实践

1. 使用命名空间隔离

# 创建专用命名空间
kubectl create namespace production
kubectl create namespace development

# 设置默认命名空间
kubectl config set-context --current --namespace=production

2. 最小权限原则（RBAC）

# 创建 ServiceAccount
kubectl create serviceaccount myapp-sa

# 创建 Role
apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1
kind: Role
metadata:
  namespace: default
  name: pod-reader
rules:
- apiGroups: [""]
  resources: ["pods"]
  verbs: ["get", "watch", "list"]

# 绑定 Role
apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1
kind: RoleBinding
metadata:
  name: read-pods
  namespace: default
subjects:
- kind: ServiceAccount
  name: myapp-sa
  namespace: default
roleRef:
  kind: Role
  name: pod-reader
  apiGroup: rbac.authorization.k8s.io

3. 使用 Secret 存储敏感信息

# 避免在环境变量中直接传递密码
# 使用 Secret 或外部密钥管理系统（如 Vault）

4. 网络策略

# 限制 Pod 间通信
apiVersion: networking.k8s.io/v1
kind: NetworkPolicy
metadata:
  name: deny-all
spec:
  podSelector: {}
  policyTypes:
  - Ingress
  - Egress

5. 镜像安全

使用官方或可信的镜像
定期扫描镜像漏洞
使用最小化基础镜像（如 alpine）
避免使用 root 用户运行容器

1. 始终设置资源请求和限制

resources:
  requests:
    memory: "256Mi"
    cpu: "500m"
  limits:
    memory: "512Mi"
    cpu: "1000m"

2. 使用 Horizontal Pod Autoscaler（HPA）

# 创建 HPA
kubectl autoscale deployment myapp \
  --cpu-percent=50 \
  --min=2 \
  --max=10

# YAML 定义
apiVersion: autoscaling/v2
kind: HorizontalPodAutoscaler
metadata:
  name: myapp-hpa
spec:
  scaleTargetRef:
    apiVersion: apps/v1
    kind: Deployment
    name: myapp
  minReplicas: 2
  maxReplicas: 10
  metrics:
  - type: Resource
    resource:
      name: cpu
      target:
        type: Utilization
        averageUtilization: 50

3. 使用资源配额（Resource Quotas）

apiVersion: v1
kind: ResourceQuota
metadata:
  name: compute-resources
  namespace: development
spec:
  hard:
    requests.cpu: "4"
    requests.memory: 8Gi
    limits.cpu: "8"
    limits.memory: 16Gi

4. 使用 LimitRange

apiVersion: v1
kind: LimitRange
metadata:
  name: default-limits
  namespace: default
spec:
  limits:
  - default:
      memory: 512Mi
      cpu: "1"
    defaultRequest:
      memory: 256Mi
      cpu: "500m"
    type: Container

1. 配置 Liveness Probe

livenessProbe:
  httpGet:
    path: /health
    port: 8080
  initialDelaySeconds: 30
  periodSeconds: 10
  timeoutSeconds: 5
  failureThreshold: 3

2. 配置 Readiness Probe

readinessProbe:
  httpGet:
    path: /ready
    port: 8080
  initialDelaySeconds: 10
  periodSeconds: 5
  timeoutSeconds: 3
  failureThreshold: 3

3. 使用 Startup Probe（慢启动应用）

startupProbe:
  httpGet:
    path: /startup
    port: 8080
  initialDelaySeconds: 0
  periodSeconds: 5
  timeoutSeconds: 3
  failureThreshold: 30  # 最多等待 150 秒

4. 探针配置建议

initialDelaySeconds：给应用足够的启动时间
periodSeconds：不要过于频繁，避免浪费资源
timeoutSeconds：根据应用响应时间设置
failureThreshold：避免因暂时性问题导致频繁重启
使用 TCP、HTTP、EXEC 三种探针类型

1. 使用声明式配置

# 使用 YAML 文件管理部署
kubectl apply -f deployment.yaml

# 使用 git 管理 YAML 文件
git add deployment.yaml
git commit -m "Update deployment"
git push

2. 配置滚动更新

strategy:
  type: RollingUpdate
  rollingUpdate:
    maxSurge: 25%
    maxUnavailable: 25%

3. 使用多个副本

# 生产环境至少 2-3 个副本
replicas: 3

4. 使用标签组织资源

metadata:
  labels:
    app: myapp
    version: v1.0.0
    environment: production
    team: backend

5. 配置反亲和性

affinity:
  podAntiAffinity:
    preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
    - weight: 100
      podAffinityTerm:
        labelSelector:
          matchExpressions:
          - key: app
            operator: In
            values:
            - myapp
        topologyKey: kubernetes.io/hostname

1. 集中式日志收集

使用 ELK Stack（Elasticsearch、Logstash、Kibana）
使用 EFK Stack（Elasticsearch、Fluentd、Kibana）
使用 Loki + Grafana

2. 监控指标

使用 Prometheus + Grafana
监控 Pod、Node、Cluster 指标
设置告警规则

3. 使用标签和注释

metadata:
  labels:
    app: myapp
    version: v1.0.0
  annotations:
    description: "My application"
    owner: "team@example.com"

4. 日志规范

使用结构化日志（JSON 格式）
包含时间戳、日志级别、请求 ID
避免记录敏感信息

1. 配置与代码分离

使用 ConfigMap 存储非敏感配置
使用 Secret 存储敏感信息
考虑使用外部配置中心（如 Consul）

2. 使用不可变 ConfigMap

apiVersion: v1
kind: ConfigMap
metadata:
  name: immutable-config
immutable: true

3. 配置版本管理

使用 git 管理 YAML 配置文件
使用标签区分不同环境配置
使用 ConfigMap 版本控制

4. 使用 Helm 管理复杂应用

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

# 使用 Helm 部署应用
helm install myapp ./myapp-chart

# 升级应用
helm upgrade myapp ./myapp-chart

# 回滚应用
helm rollback myapp

核心概念

Pod

Deployment

Service

Node

ConfigMap

Secret

安装指南

apple macOS 安装 Minikube

使用 Homebrew 安装

可选：使用 Docker 驱动

computer Linux 安装 Minikube

下载并安装 Minikube

Ubuntu/Debian 系统

windows Windows 安装 Minikube

使用 Chocolatey 安装

手动安装

cloud 云服务商安装（GKE、EKS、AKS）

Google Kubernetes Engine (GKE)

Amazon Elastic Kubernetes Service (EKS)

Azure Kubernetes Service (AKS)

settings 配置 kubectl

配置自动补全

配置别名

配置多个集群

实践指南

play_arrow 第一步：安装 Kubernetes

Minikube 快速安装

play_arrow 第二步：创建第一个 Pod

使用 kubectl 创建 Pod

play_arrow 第三步：部署应用程序

创建 Deployment

play_arrow 第四步：暴露服务

创建 Service

常见问题

error_outline Pod 一直处于 Pending 状态

可能原因和解决方案

refresh Pod 不断重启（CrashLoopBackOff）

可能原因和解决方案

cloud_off Service 无法访问

可能原因和解决方案

storage 镜像拉取失败（ImagePullBackOff）

可能原因和解决方案

warning 节点处于 NotReady 状态

可能原因和解决方案

network_check DNS 解析问题

可能原因和解决方案

最佳实践

security 安全最佳实践

1. 使用命名空间隔离

2. 最小权限原则（RBAC）

3. 使用 Secret 存储敏感信息

4. 网络策略

5. 镜像安全

speed 资源管理最佳实践

1. 始终设置资源请求和限制

2. 使用 Horizontal Pod Autoscaler（HPA）

3. 使用资源配额（Resource Quotas）

4. 使用 LimitRange

health_and_safety 健康检查最佳实践

1. 配置 Liveness Probe

2. 配置 Readiness Probe

3. 使用 Startup Probe（慢启动应用）

4. 探针配置建议

update 部署和更新最佳实践

1. 使用声明式配置

2. 配置滚动更新

3. 使用多个副本

4. 使用标签组织资源

5. 配置反亲和性

monitoring 监控和日志最佳实践

1. 集中式日志收集

2. 监控指标

3. 使用标签和注释

4. 日志规范

build 配置管理最佳实践

1. 配置与代码分离

2. 使用不可变 ConfigMap

3. 配置版本管理

4. 使用 Helm 管理复杂应用

官方文档

在线课程

实用工具

视频教程