什麼是 Kubernetes 叢集？

Kubernetes 叢集是一組節點，負責執行容器化應用程式；而容器化應用程式則是將應用程式、其相依性，以及部分必要服務封裝在一起。相較於虛擬機，Kubernetes 叢集不僅更輕量，也更具彈性。正因如此，Kubernetes 叢集可讓應用程式變得更易於開發、移動與管理。

Kubernetes 叢集可讓容器跨越多個虛擬機與環境執行，包括虛擬環境、實體環境、雲端式環境與內部部署環境。Kubernetes 容器與虛擬機不同，不會受限於特定作業系統，不僅可共用作業系統，還能隨處執行。

Kubernetes 叢集包含一個主要節點與多個工作節點。視叢集而定，這些節點可以是實體電腦或虛擬機器。

主要節點會控制叢集狀態，例如目前正在執行哪些應用程式，及其對應的容器映像。主要節點為所有工作指派的起點，負責協調下列流程：

• 排程與延展應用程式
• 維護叢集狀態
• 實作更新

工作節點為執行這些應用程式的元件，負責執行主要節點所指派的工作。工作節點可以是虛擬機或實體電腦，而且所有節點都能當作單一系統的一部分運作。

Kubernetes 叢集至少需要有一個主要節點與一個工作節點，才能順利運作。若為生產與預發佈環境，叢集會分配給多個工作節點執行。若為測試環境，則所有元件都會在相同的實體或虛擬節點上執行。

Kubernetes 使用者可使用命名空間，將單一實體叢集中的多個不同叢集分門別類。命名空間可讓使用者透過資源配額的方式，將實體叢集中的叢集資源分配給不同的團隊。正因如此，如果涉及複雜的專案或多個團隊，就相當適合使用命名空間。

Kubernetes 叢集包含哪些項目？

Kubernetes 叢集共有六個主要元件：

1. API 伺服器：將 REST 介面公開給所有 Kubernetes 資源。負責擔任 Kubernetes 控制平台的前端。
2. 排程器：根據資源需求與指標來置放容器。負責記錄哪些機組沒有指派到任何節點，並為其選取可用來執行的節點。
3. 控制器管理工具：執行控制器流程，並讓叢集的實際狀態及其目標規格趨於一致。負責管理多個控制器，例如節點控制器、端點控制器與複寫控制器。
4. Kubelet：確保容器是透過與 Docker 引擎 (預設的容器建立與管理程式) 互動的方式，在機組上執行。負責取得一組 PodSpecs，並確保其對應容器可全面運作。
5. Kube-proxy：管理網路連線並維護所有節點的網路規則。負責將 Kubernetes 服務概念實作至指定叢集中的每個節點上。
6. Etcd：儲存所有叢集資料，是一致且高度可用的 Kubernetes 備份存放區。區 

這六個元件都可在 Linux 上執行，或以 Docker 容器的形式執行。API 伺服器、排程器與控制器管理工具都是由主要節點執行，Kubelet 與 Kube-proxy 則由工作節點執行。

如何使用 Kubernetes 叢集？

若要使用 Kubernetes 叢集，您必須先判斷其目標狀態。Kubernetes 叢集的目標狀態會定義許多作業項目，包括：

• 應該執行的應用程式與工作負載
• 這些應用程式需要使用的映像
• 應該提供給這些應用程式的資源
• 所需的複本數量

若要定義目標狀態，請使用 JSON 或 YAML 檔案 (所謂的「資訊清單」)，並指定應用程式類型與執行系統所需的複本數量。

開發人員可使用 Kubernetes API 定義叢集的目標狀態。此一開發人員互動會使用指令行介面 (kubectl) 進行，或運用 API 與叢集直接互動，以手動設定目標狀態。接著，主要節點會透過 API 將目標狀態傳達給工作節點。

Kubernetes 會透過 Kubernetes 控制平台來自動管理叢集，使其能與目標狀態保持一致。Kubernetes 控制平台的責任則涵蓋排程叢集活動，以及登錄與回應叢集事件。

Kubernetes 控制平台會執行持續控制迴圈，以確保叢集的實際狀態符合其目標狀態。舉例來說，如果您部署一個應用程式來搭配五個複本一同執行，而其中一個複本發生當機，Kubernetes 控制平台就會登錄這個當機情況，並部署額外的複本，以保持共有五個複本的目標狀態。

自動化作業會透過 Pod Lifecycle Event Generator (PLEG) 進行，當中的自動化工作包含：

• 啟動與重新啟動容器
• 調整應用程式的複本數量
• 驗證容器映像
• 啟動與管理容器
• 實作更新與復原

如何建立 Kubernetes 叢集？

您可以在實體或虛擬機上建立與部署 Kubernetes 叢集。建議新使用者使用 Minikube 來著手建立 Kubernetes 叢集。Minikube 是一款開放式原始碼工具，相容於 Linux、Mac 與 Windows 作業系統。Minikube 可用來建立與部署只包含一個工作節點的單一精簡化叢集。

此外，您也可以使用 Kubernetes 模式，將叢集規模的管理作業自動化。Kubernetes 模式有助於在容器式應用程式中重複使用雲端式架構。雖然 Kubernetes 提供多款實用的 API，但並未訂定將這些工具成功整合至作業系統的相關準則。Kubernetes 模式可透過一致的方式來存取與重複使用現有的 Kubernetes 架構。只要善加利用可重複使用的 Kubernetes 叢集藍圖，就無需自行建立這些結構。

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