Docker + Kubernetes(k8s) + Serverless詳解

容器化（Docker）革命

Docker的核心架構(gòu)

鏡像（Image） ：
- 只讀模板，包含應(yīng)用代碼、運行時、庫和配置文件。
- 分層存儲：每層可復(fù)用（如基礎(chǔ)OS層、Java環(huán)境層、應(yīng)用層），減少重復(fù)傳輸。
容器（Container） ：
- 鏡像的運行實例，具有可寫層（存儲運行時數(shù)據(jù)）。
- 通過Linux Namespace實現(xiàn)隔離（PID、網(wǎng)絡(luò)、文件系統(tǒng)等）。
- 通過Cgroups限制資源（CPU、內(nèi)存、磁盤IO）。
容器倉庫（Registry） ：集中存儲和分發(fā)鏡像的平臺（如Docker Hub私有倉庫）；支持版本控制與鏡像簽名（防止篡改）。

容器編排（Orchestration）

核心挑戰(zhàn)：大規(guī)模容器集群的管理（調(diào)度、網(wǎng)絡(luò)、存儲、自愈）。
Kubernetes（K8s）的核心組件：
- Pod：最小調(diào)度單元，包含一個或多個共享網(wǎng)絡(luò)/存儲的容器。
- Deployment：定義Pod副本數(shù)與滾動更新策略。
- Service：為Pod提供穩(wěn)定的IP和DNS名稱，實現(xiàn)服務(wù)發(fā)現(xiàn)。
- Ingress：管理外部流量路由（如HTTP路徑到后端服務(wù)）。
自動化能力：
- 自動擴縮容（HPA） ：根據(jù)CPU使用率或自定義指標擴縮Pod數(shù)量。
- 自愈機制：Pod崩潰后自動重啟，節(jié)點故障時遷移Pod。

容器網(wǎng)絡(luò)模型

Overlay網(wǎng)絡(luò)：跨主機的容器通信（如Flannel的VXLAN、Calico的BGP協(xié)議）；實現(xiàn)容器間扁平化IP互通，屏蔽底層網(wǎng)絡(luò)差異。
CNI（Container Network Interface） ：標準化插件接口，支持多種網(wǎng)絡(luò)方案（如AWS VPC、Cilium）。

容器存儲

Volume：持久化存儲，生命周期獨立于容器（如數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)）；支持本地磁盤、云存儲（AWS EBS）、分布式存儲（Ceph）。
Persistent Volume（PV） ：K8s中抽象存儲資源，通過PVC（Persistent Volume Claim）動態(tài)綁定。

Kubernetes深度解析

控制平面（Control Plane）

API Server
- 作用：所有資源操作的唯一入口（如創(chuàng)建Pod、更新Deployment），提供RESTful API。
- 特性：支持多版本API、認證鑒權(quán)（RBAC）、準入控制（Admission Control）。
etcd
- 作用：分布式鍵值存儲數(shù)據(jù)庫，保存集群狀態(tài)（如節(jié)點信息、Pod配置）。
- 特性：強一致性（Raft共識算法）、高可用部署（多節(jié)點集群）。
Controller Manager
- 作用：運行各類控制器，持續(xù)監(jiān)聽集群狀態(tài)并驅(qū)動其向期望狀態(tài)收斂。
- 核心控制器：
  
  Node Controller：監(jiān)控節(jié)點健康狀態(tài)（如心跳超時標記為不可用）。
  
  Deployment Controller：確保Pod副本數(shù)與聲明一致（如擴縮容、滾動更新）。
  
  Endpoint Controller：維護Service與Pod的映射關(guān)系。
Scheduler
- 作用：為新創(chuàng)建的Pod選擇最佳運行節(jié)點。
- 調(diào)度策略：
  
  資源需求：CPU、內(nèi)存、GPU等。
  
  親和性/反親和性：優(yōu)先部署到同一區(qū)域或分散節(jié)點。
  
  污點與容忍（Taints and Tolerations） ：限制Pod只能在特定節(jié)點運行（如GPU節(jié)點）。

工作節(jié)點（Worker Node）

kubelet
- 作用：節(jié)點上的“管家”，負責與API Server通信并管理本節(jié)點Pod的生命周期。
- 關(guān)鍵任務(wù)：拉取容器鏡像、掛載存儲卷、執(zhí)行健康檢查（Liveness/Readiness Probe）。
kube-proxy
- 作用：維護節(jié)點網(wǎng)絡(luò)規(guī)則，實現(xiàn)Service的負載均衡（如iptables/IPVS）。
- 流量轉(zhuǎn)發(fā)：將Service的ClusterIP請求轉(zhuǎn)發(fā)到后端Pod（通過Endpoints動態(tài)更新）。
容器運行時（Container Runtime）
- 支持引擎：Docker、containerd、CRI-O（遵循CRI標準）。
- 職責：拉取鏡像、啟停容器、管理容器生命周期。

Kubernetes核心資源對象

Pod
- 最小調(diào)度單元：一個Pod包含一個或多個共享網(wǎng)絡(luò)/存儲的容器（如主容器 + 日志收集Sidecar）。
- 臨時性：Pod銷毀后IP和存儲卷可能丟失（需結(jié)合Persistent Volume）。
- 重啟策略：Always（默認）、OnFailure、Never。

Deployment：聲明式管理Pod副本集（ReplicaSet），支持滾動更新和回滾。
Service
- 作用：為Pod提供穩(wěn)定的訪問入口（ClusterIP、NodePort、LoadBalancer）。
- 服務(wù)發(fā)現(xiàn)：通過DNS名稱（如nginx-service.default.svc.cluster.local）訪問。
- 流量分發(fā)：支持Session Affinity（會話保持）、加權(quán)負載均衡。
ConfigMap：存儲非敏感配置（如環(huán)境變量、配置文件）。
Secret：加密存儲敏感數(shù)據(jù)（如數(shù)據(jù)庫密碼、TLS證書）。
PersistentVolume (PV) ：集群級別的存儲資源抽象（如NFS卷、云存儲）。
PersistentVolumeClaim (PVC) ：用戶對存儲資源的請求（如“需要10GiB SSD存儲”），由K8s動態(tài)綁定PV。

Kubernetes核心功能

自動擴縮容（HPA） ：根據(jù)CPU、內(nèi)存或自定義指標（如QPS）動態(tài)調(diào)整Pod副本數(shù)。
滾動更新與回滾
- 策略：逐步替換舊Pod，確保服務(wù)不間斷。
- 回滾命令：kubectl rollout undo deployment/nginx-deployment。
服務(wù)網(wǎng)格集成（如Istio） ：通過Sidecar代理（Envoy）實現(xiàn)流量管理、熔斷限流、分布式追蹤。
資源配額與限制
- Resource Quota：限制Namespace的資源總量（如CPU、內(nèi)存、Pod數(shù)量）。
- LimitRange：定義Pod/容器的默認資源請求和上限。

Kubernetes網(wǎng)絡(luò)模型

容器網(wǎng)絡(luò)接口（CNI）
- 標準插件：Calico（BGP路由）、Flannel（Overlay網(wǎng)絡(luò)）、Cilium（eBPF加速）。
- 核心要求：所有Pod可不經(jīng)NAT直接通信；節(jié)點與Pod可互相訪問。
Service網(wǎng)絡(luò)
- ClusterIP：虛擬IP，僅集群內(nèi)可訪問。
- NodePort：通過節(jié)點端口暴露服務(wù)（如30080）。
- LoadBalancer：集成云廠商負載均衡器（如AWS ALB）。

Ingress：管理外部HTTP/HTTPS流量路由（如域名、路徑到后端服務(wù)）。

Kubernetes存儲管理

Volume類型
- 臨時卷：emptyDir（Pod生命周期內(nèi)有效）。
- 持久卷：（云存儲）awsElasticBlockStore、azureDisk；（分布式存儲）Ceph RBD、GlusterFS。
StatefulSet
- 適用場景：有狀態(tài)應(yīng)用（如MySQL集群、ZooKeeper）。
- 特性：穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)標識（Pod名稱+序號）；按順序部署/擴縮容；持久化存儲（每個Pod綁定獨立PV）。

無服務(wù)器（Serverless）架構(gòu)

無服務(wù)器架構(gòu)核心理念

零運維：無需管理服務(wù)器、操作系統(tǒng)、運行時環(huán)境。
事件驅(qū)動：由HTTP請求、消息隊列、定時任務(wù)等事件觸發(fā)執(zhí)行。
極致彈性：從零實例瞬間擴展到數(shù)千實例，流量下降后自動縮容至零。
按使用付費：僅對實際消耗的計算資源（如執(zhí)行時間、內(nèi)存）付費，空閑時無成本。

函數(shù)即服務(wù)（FaaS）

代表平臺：AWS Lambda、Azure Functions、阿里云函數(shù)計算。
工作流程：
- 事件觸發(fā)：如API Gateway收到HTTP請求、S3存儲桶新增文件、Kafka消息到達。
- 動態(tài)調(diào)度：云平臺自動分配計算資源（如CPU、內(nèi)存），啟動函數(shù)實例。
- 執(zhí)行函數(shù)：運行用戶編寫的業(yè)務(wù)邏輯（如處理圖像、驗證訂單）。
- 釋放資源：函數(shù)執(zhí)行完成后，實例被回收，資源釋放。