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Kubernetes学习实践（三） -- 关键组件操作实践

进一步对K8s关键组件进行操作实践

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By xiaodongQ
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Kubernetes学习实践（三） -- 关键组件操作实践

1. 引言

通过前面对K8s的环境搭建和Redis环境的部署，已经有一些实践经验了。下面继续对环境中的组件进行操作实践，并简要对比代码，进一步了解K8s各个组件的功能和相关实现。

从 kubernetes github 中 fork 相应代码进行学习，并切换到与当前环境一致的分支：release-1.33。

2. 集群中运行的几个容器

crictl ps先查看当前运行的几个容器，可看到K8s集群的几个关键组件：kube-proxy、kube-controller-manager、coredns、etcd、kube-scheduler、kube-apiserver。

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# 省略了部分列
[root@xdlinux ➜ ~ ]$ crictl ps
CONTAINER       IMAGE           STATE    NAME                     POD                               NAMESPACE
2fc197c519935   9b38108e295d1   Running  redis                    redis-2                           default
f87801fdfefbc   9b38108e295d1   Running  redis                    redis-1                           default
558d59adb947c   9b38108e295d1   Running  redis                    redis-0                           default
f51fbab3eb587   af855adae7960   Running  kube-proxy               kube-proxy-6ptwm                  kube-system
0da3e07a247f2   1cf5f116067c6   Running  coredns                  coredns-757cc6c8f8-v2mgf          kube-system
15bd1f6bc3a7f   1cf5f116067c6   Running  coredns                  coredns-757cc6c8f8-nxw7g          kube-system
f6f4852a86c52   bf97fadcef430   Running  kube-controller-manager  kube-controller-manager-xdlinux   kube-system
695cfc514a5ff   499038711c081   Running  etcd                     etcd-xdlinux                      kube-system
c5b9e0185069d   41376797d5122   Running  kube-scheduler           kube-scheduler-xdlinux            kube-system
9ffc7318407b7   a92b4b92a9916   Running  kube-apiserver           kube-apiserver-xdlinux            kube-system

# 可以看下所有namespace下的pod（`--all-namespaces`参数，也可以简写为`-A`，即：`kubectl get pod -A`）
  # `-n kube-system` 指定对应namespace下的pod（不指定则默认只显示default下的pod）
[root@xdlinux ➜ ~ ]$ kubectl get pod --all-namespaces
NAMESPACE     NAME                              READY   STATUS    RESTARTS   AGE
default       redis-0                           1/1     Running   0          4d21h
default       redis-1                           1/1     Running   0          4d21h
default       redis-2                           1/1     Running   0          4d21h
kube-system   coredns-757cc6c8f8-nxw7g          1/1     Running   0          11d
kube-system   coredns-757cc6c8f8-v2mgf          1/1     Running   0          11d
kube-system   etcd-xdlinux                      1/1     Running   2          11d
kube-system   kube-apiserver-xdlinux            1/1     Running   2          11d
kube-system   kube-controller-manager-xdlinux   1/1     Running   0          11d
kube-system   kube-proxy-6ptwm                  1/1     Running   0          4d23h
kube-system   kube-scheduler-xdlinux            1/1     Running   2          11d

# 查看所有namespace：
[root@xdlinux ➜ ~ ]$ kubectl get namespaces
NAME              STATUS   AGE
default           Active   11d
kube-node-lease   Active   11d
kube-public       Active   11d
kube-system       Active   11d

再看下第一篇中的架构图进行对比映证：
kubernetes-cluster-architecture

下面对各个组件进行操作说明。

3. 查看kube-apiserver处理过程

第一篇总体介绍中提到，kube-apiserver提供HTTP API服务，并负责处理接收到的请求，是K8s控制平面的核心，并且kubectl的操作也是通过调用API来完成的。

可以在执行kubectl时，通过-v 8来查看调用API的详细信息。

  • -v / --v用于指定详细级别，部分级别说明如下：
  • 6 – HTTP请求路径 + 响应状态码
  • 8 – 完整请求和响应

3.1. kubectl version过程

以kubectl version查看版本为例：可看到会先加载/etc/kubernetes/admin.conf配置文件进行认证

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[root@xdlinux ➜ ~ ]$ kubectl version -v 8 
I0729 21:45:30.645383  778204 loader.go:402] Config loaded from file:  /etc/kubernetes/admin.conf
I0729 21:45:30.645608  778204 envvar.go:172] "Feature gate default state" feature="ClientsAllowCBOR" enabled=false
I0729 21:45:30.645619  778204 envvar.go:172] "Feature gate default state" feature="ClientsPreferCBOR" enabled=false
I0729 21:45:30.645625  778204 envvar.go:172] "Feature gate default state" feature="InformerResourceVersion" enabled=false
I0729 21:45:30.645631  778204 envvar.go:172] "Feature gate default state" feature="InOrderInformers" enabled=true
I0729 21:45:30.645636  778204 envvar.go:172] "Feature gate default state" feature="WatchListClient" enabled=false
I0729 21:45:30.645665  778204 discovery_client.go:657] "Request Body" body=""
I0729 21:45:30.645718  778204 round_trippers.go:527] "Request" verb="GET" url="https://192.168.1.150:6443/version?timeout=32s" headers=<
    Accept: application/json, */*
    User-Agent: kubectl/v1.33.3 (linux/amd64) kubernetes/80779bd
 >
I0729 21:45:30.649450  778204 round_trippers.go:632] "Response" status="200 OK" headers=<
    Audit-Id: ea53bfd7-8bd4-4cbc-9354-e3cbc656c712
    Cache-Control: no-cache, private
    Content-Length: 379
    Content-Type: application/json
    Date: Tue, 29 Jul 2025 13:45:30 GMT
    X-Kubernetes-Pf-Flowschema-Uid: a85b9af0-4d2d-493d-8ebf-b43193f9dd31
    X-Kubernetes-Pf-Prioritylevel-Uid: bb92ee23-b810-4c85-9fbc-b3c9f72105d2
 > milliseconds=3
I0729 21:45:30.649617  778204 discovery_client.go:657] "Response Body" body=<
    {
      "major": "1",
      "minor": "33",
      "emulationMajor": "1",
      "emulationMinor": "33",
      "minCompatibilityMajor": "1",
      "minCompatibilityMinor": "32",
      "gitVersion": "v1.33.3",
      "gitCommit": "80779bd6ff08b451e1c165a338a7b69351e9b0b8",
      "gitTreeState": "clean",
      "buildDate": "2025-07-15T17:59:42Z",
      "goVersion": "go1.24.4",
      "compiler": "gc",
      "platform": "linux/amd64"
    }
 >
Client Version: v1.33.3
Kustomize Version: v5.6.0
Server Version: v1.33.3

调用的是https://192.168.1.150:6443/version的GET接口（需要鉴权的命令则会报错无权限）

  • 1）可在浏览器里直接请求 https://192.168.1.150:6443/version?timeout=32s，会返回结果信息
  • 2）也可用curl进行如下请求：
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[root@xdlinux ➜ ~ ]$ curl -k https://192.168.1.150:6443/version\?timeout\=32s
{
  "major": "1",
  "minor": "33",
  "emulationMajor": "1",
  "emulationMinor": "33",
  "minCompatibilityMajor": "1",
  "minCompatibilityMinor": "32",
  "gitVersion": "v1.33.3",
  "gitCommit": "80779bd6ff08b451e1c165a338a7b69351e9b0b8",
  "gitTreeState": "clean",
  "buildDate": "2025-07-15T17:59:42Z",
  "goVersion": "go1.24.4",
  "compiler": "gc",
  "platform": "linux/amd64"
}

3.2. /etc/kubernetes/admin.conf 配置文件说明

上述kubectl执行时，可看到会先加载/etc/kubernetes/admin.conf配置文件进行认证。

  • admin.conf是一个YAML格式的kubeconfig文件，该文件记录集群管理员的认证信息和API服务器地址
  • kubeadm init初始化集群时会自动生成该配置文件
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[root@xdlinux ➜ ~ ]$ cat /etc/kubernetes/admin.conf
apiVersion: v1
clusters:
- cluster:
    certificate-authority-data: xxx (Base64编码的CA证书)
    server: https://192.168.1.150:6443 (API服务器地址)
  name: kubernetes
contexts:
- context:
    cluster: kubernetes
    user: kubernetes-admin
  name: kubernetes-admin@kubernetes
current-context: kubernetes-admin@kubernetes
kind: Config
preferences: {}
users:
- name: kubernetes-admin
  user:
    client-certificate-data: xxxxx (Base64编码的客户端证书)
    client-key-data: xxxxxx (Base64编码的客户端私钥)

上述配置文件的加载逻辑实现在：kubernetes/staging/src/k8s.io/client-go/tools/clientcmd/loader.go

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// kubernetes/staging/src/k8s.io/client-go/tools/clientcmd/loader.go
func LoadFromFile(filename string) (*clientcmdapi.Config, error) {
    kubeconfigBytes, err := os.ReadFile(filename)
    if err != nil {
        return nil, err
    }
    config, err := Load(kubeconfigBytes)
    if err != nil {
        return nil, err
    }
}

对应的配置结构如下，可以和配置文件的YAML格式一一对应：

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// kubernetes/staging/src/k8s.io/client-go/tools/clientcmd/api/types.go
type Config struct {
    Kind string `json:"kind,omitempty"`
    APIVersion string `json:"apiVersion,omitempty"`
    // Preferences holds general information to be use for cli interactions
    Preferences Preferences `json:"preferences"`
    // Clusters is a map of referencable names to cluster configs
    Clusters map[string]*Cluster `json:"clusters"`
    // AuthInfos is a map of referencable names to user configs
    AuthInfos map[string]*AuthInfo `json:"users"`
    // Contexts is a map of referencable names to context configs
    Contexts map[string]*Context `json:"contexts"`
    // CurrentContext is the name of the context that you would like to use by default
    CurrentContext string `json:"current-context"`
    // Extensions holds additional information. This is useful for extenders so that reads and writes don't clobber unknown fields
    // +optional
    Extensions map[string]runtime.Object `json:"extensions,omitempty"`
}

除此之外，/etc/kubernetes/下面的其他几个配置文件（如kubelet.conf），也是通过上面的结构体所定义的，查看里面可看到相同的YAML结构。

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[root@xdlinux ➜ ~ ]$ ll /etc/kubernetes/
total 40K
-rw------- 1 root root 5.6K Jul 21 07:47 admin.conf
-rw------- 1 root root 5.6K Jul 21 07:47 controller-manager.conf
-rw------- 1 root root 2.0K Jul 21 07:47 kubelet.conf
drwxr-xr-x 2 root root  113 Jul 22 22:20 manifests
drwxr-xr-x 3 root root 4.0K Jul 21 07:47 pki
-rw------- 1 root root 5.5K Jul 21 07:47 scheduler.conf
-rw------- 1 root root 5.6K Jul 21 07:47 super-admin.conf

3.3. kubectl proxy绕过认证（Authentication）

kubectl get pods -v 8 可看到对应的请求为 Request" verb="GET" url="https://192.168.1.150:6443/api/v1/namespaces/default/pods?limit=500"。
下面通过curl -k调用GET请求，发现-k忽略掉认证过程的curl被判定为system:anonymous用户，而此用户没有list pods的权限，所以报错了。

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[root@xdlinux ➜ ~ ]$ curl -k https://192.168.1.150:6443/api/v1/namespaces/default/pods\?limit\=500
{
  "kind": "Status",
  "apiVersion": "v1",
  "metadata": {},
  "status": "Failure",
  "message": "pods is forbidden: User \"system:anonymous\" cannot list resource \"pods\" in API group \"\" in the namespace \"default\"",
  "reason": "Forbidden",
  "details": {
    "kind": "pods"
  },
  "code": 403
}

可以通过kubectl proxy在本地和集群之间创建一个代理：

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# 会阻塞等待请求，也可加&在后台运行
[root@xdlinux ➜ ~ ]$ kubectl proxy -v8 
I0729 23:23:16.454401  783638 loader.go:402] Config loaded from file:  /etc/kubernetes/admin.conf
Starting to serve on 127.0.0.1:8001

而后向127.0.0.1的8001端口发送HTTP（而非HTTPS）请求：

  • 注意，192.168.1.150则不行
  • 上面的kubectl proxy会使用/etc/kubernetes/admin.conf配置文件
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[root@xdlinux ➜ ~ ]$ curl http://127.0.0.1:8001/api/v1/namespaces/default/pods\?limit\=500
{
  "kind": "PodList",
  "apiVersion": "v1",
  "metadata": {
    "resourceVersion": "987772"
  },
  "items": [
    ...
  ]
  ...
}

4. etcd操作和K8s中的应用

etcd是一个高可用的分布式键值存储系统（键值数据库），存储K8s中的关键配置、所有状态信息等，是K8s集群的核心存储组件。

  • etcdctl是官方命令行客户端工具，用于与etcd集群交互，执行键值存储操作、集群管理和监控等任务。

在K8s中，只有API Server（kube-apiserver）会直接与etcd交互，其他组件（如Controller Manager、Kubelet、Scheduler等）均通过API Server提供的 REST API 间接操作数据。

4.1. 进入etcd pod

本地实验环境中只部署了一个etcd实例，根据上面kubectl get pods -A显示的pod，选择进入etcd对应的pod：etcd-xdlinux。

  • 当前基础镜像（取决于不同镜像的配置）对应的etcd pod里只安装了sh，没安装bash，所以下面--后面使用sh
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[root@xdlinux ➜ ~ ]$ kubectl -n kube-system exec -it etcd-xdlinux -- sh
sh-5.2#

而后就可以在容器里通过etcdctl进行etcd相关操作了：

  • etcd启用了严格的安全认证机制，且需要明确操作的目标集群，需要通过参数指定这些信息
  • --endpoints：指定操作的etcd节点地址，如果不指定，etcdctl会使用默认值（http://127.0.0.1:2379）
  • 证书参数
    • --cacert：CA 根证书路径，用于验证etcd服务器的身份（确保连接的是真实的 etcd 节点，而非伪造的恶意节点）
    • --cert和--key：客户端证书和私钥，用于向etcd服务器证明自己的身份（etcd 会验证客户端是否有权限操作数据）
    • 这些证书在 Kubernetes 集群中通常存放在 /etc/kubernetes/pki/etcd/ 目录下，路径是固定的（由 kubeadm 等工具自动生成）。
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# 命令
sh-5.2# etcdctl member list \
    --endpoints=https://127.0.0.1:2379 \
    --cacert=/etc/kubernetes/pki/etcd/ca.crt \
    --cert=/etc/kubernetes/pki/etcd/server.crt \
    --key=/etc/kubernetes/pki/etcd/server.key
# 结果
bff3f519f190640f, started, xdlinux, https://192.168.1.150:2380, https://192.168.1.150:2379, false

# etcd的版本
sh-5.2# etcdctl version \
    --endpoints=https://127.0.0.1:2379 \
    --cacert=/etc/kubernetes/pki/etcd/ca.crt \
    --cert=/etc/kubernetes/pki/etcd/server.crt \
    --key=/etc/kubernetes/pki/etcd/server.key
etcdctl version: 3.5.21
API version: 3.5

小技巧：在etcd Pod内执行export来设置相关环境变量

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export ETCDCTL_API=3
export ETCDCTL_ENDPOINTS=https://127.0.0.1:2379
export ETCDCTL_CACERT=/etc/kubernetes/pki/etcd/ca.crt
export ETCDCTL_CERT=/etc/kubernetes/pki/etcd/server.crt
export ETCDCTL_KEY=/etc/kubernetes/pki/etcd/server.key

4.2. 基本增删改查

设置上述环境变量后，就能省略上述参数来执行基本增删改查命令了：

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# 1、增和改：put
sh-5.2# etcdctl put xdkey1 111
OK

# 2、查：get
sh-5.2# etcdctl get xdkey1
xdkey1
111

# 3、删：del
sh-5.2# etcdctl del xdkey1
1
sh-5.2# etcdctl get xdkey1
sh-5.2# 

# 4、观察监测更新：watch
sh-5.2# etcdctl watch xdkey1
# （上面阻塞会等待监测结果，在另一个窗口操作 etcdctl put xdkey1 ttt）
PUT
xdkey1
tttt

另外还支持分布式锁、租约等。

4.3. etcd中存储的K8s信息

K8s存储格式说明：

  • K8s在etcd中以键值对（Key-Value）形式存储数据，键的结构与 K8s API 路径高度一致，便于按资源类型、命名空间等维度组织和查询。
  • 键（key）格式：类似文件系统的分层路径结构，格式为/registry/<资源类型>/<命名空间>/<资源名称>
    • 比如：etcdctl get /registry/pods/default/redis-1
  • 值（Value）格式：值是经过Protocol Buffers（protobuf）序列化的 K8s API 对象，相对于Json更紧凑、序列化效率更高

相关信息查看：

  • 查看所有资源的键（简要概览）
    • Kubernetes 资源在 etcd 中的根路径是 /registry，查看所有键的列表
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# 只显示值，只看键名（避免输出过多）
sh-5.2# etcdctl get /registry --prefix --keys-only
/registry/apiregistration.k8s.io/apiservices/v1.
/registry/apiregistration.k8s.io/apiservices/v1.admissionregistration.k8s.io
/registry/apiregistration.k8s.io/apiservices/v1.apiextensions.k8s.io
...
  • 也可进一步过滤pods/services/deployments/nodes/namespace信息

比如路径前缀：/registry/namespaces

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sh-5.2# etcdctl get /registry/namespaces --prefix --keys-only
/registry/namespaces/default
/registry/namespaces/kube-node-lease
/registry/namespaces/kube-public
/registry/namespaces/kube-system
  • 查看集群成员信息，常用于检查etcd集群的节点状态和成员健康情况：etcdctl member list
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sh-5.2# etcdctl member list
# 成员ID           状态     成员名称   Peer通信地址（etcd之间同步数据地址）      客户端通信地址     是否为learner（是则仅同步数据，无投票权）
bff3f519f190640f, started, xdlinux, https://192.168.1.150:2380, https://192.168.1.150:2379, false

4.4. 基于etcd的K8s核心功能说明

K8s很多核心功能依赖etcd的原生特性实现。

1、实时状态同步（Watch 机制）

etcd 提供 Watch API，支持监听某个键或前缀的变化（创建、更新、删除）。K8s各组件通过该机制实现实时状态同步：

  • Controller Manager：通过 Watch 监听特定资源（如 Deployment）的变化，触发控制逻辑（如创建 / 删除 Pod）
    • 示例：当Deployment资源被更新时，etcd通知apiserver，apiserver再通过Watch机制通知Controller Manager，后者根据新的 replicas 数量调整 Pod 副本数。
  • Kubelet：Watch 本节点上的 Pod 变化，执行启动、停止容器等操作
  • Scheduler：Watch 未调度的 Pod，触发调度逻辑

2、分布式一致性，etcd基于Raft算法保证数据强一致性，确保所有节点看到的集群状态是一致的，当控制平面高可用部署多个实例时保证数据读写一致。

3、事务与原子操作

etcd 支持基于条件的事务（Transaction）操作，K8s 利用这一特性实现并发安全的操作。

5. kube-controller-manager

K8s的Controller Manager通过kube-apiserver提供的信息持续的监控集群状态，并尝试将集群调整至预期的状态。

5.1. 相应的pod信息

先describe查看下kube-controller-manager这个pod的信息，截取部分：

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[root@xdlinux ➜ ~ ]$ kubectl -n kube-system describe pod kube-controller-manager
Name:                 kube-controller-manager-xdlinux
Namespace:            kube-system
Priority:             2000001000
Priority Class Name:  system-node-critical
Node:                 xdlinux/192.168.1.150
...
Containers:
  kube-controller-manager:
    Container ID:  containerd://f6f4852a86c52bc368ad5c9ca4802782667b318d9835c1e03b6acbb2992cce6d
    # 容器镜像
    Image:         registry.aliyuncs.com/google_containers/kube-controller-manager:v1.33.3
...
    Requests:
      cpu:        200m
    # 健康检查接口，可手动curl -k调用检查
    Liveness:     http-get https://127.0.0.1:10257/healthz delay=10s timeout=15s period=10s #success=1 #failure=8
    Startup:      http-get https://127.0.0.1:10257/healthz delay=10s timeout=15s period=10s #success=1 #failure=24
...

5.2. 简单观察Controller Manager

1、之前的redis创建了3副本，信息如下

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[root@xdlinux ➜ ~ ]$ kubectl get all 
NAME          READY   STATUS    RESTARTS   AGE
pod/redis-0   1/1     Running   0          5d
pod/redis-1   1/1     Running   0          5d
pod/redis-2   1/1     Running   0          5d

NAME                     TYPE        CLUSTER-IP      EXTERNAL-IP   PORT(S)          AGE
service/kubernetes       ClusterIP   10.96.0.1       <none>        443/TCP          11d
service/redis-headless   ClusterIP   None            <none>        6379/TCP         5d
service/redis-service    NodePort    10.107.73.216   <none>        6379:30000/TCP   5d

NAME                     READY   AGE
statefulset.apps/redis   3/3     5d

2、删除其中一个redis pod，如pod/redis-1，查看信息，可看到立即就创建了一个新的pod（AGE处为2s）

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[root@xdlinux ➜ ~ ]$ kubectl delete pod/redis-1
pod "redis-1" deleted

[root@xdlinux ➜ ~ ]$ kubectl get all
NAME          READY   STATUS    RESTARTS   AGE
pod/redis-0   1/1     Running   0          5d
pod/redis-1   1/1     Running   0          2s
pod/redis-2   1/1     Running   0          5d
...

6. kube-scheduler

kube-scheduler主要负责Pod调度，即根据一系列规则将待调度的 Pod 分配到集群中最合适的 Node 节点上。

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# 支持模糊匹配，所以下面的kube-scheduler可以找到kube-scheduler-xdlinux
[root@xdlinux ➜ ~ ]$ kubectl describe -n kube-system pod kube-scheduler
Name:                 kube-scheduler-xdlinux
...
Containers:
  kube-scheduler:
    ...
    Liveness:     http-get https://127.0.0.1:10259/livez delay=10s timeout=15s period=10s #success=1 #failure=8
    Readiness:    http-get https://127.0.0.1:10259/readyz delay=0s timeout=15s period=1s #success=1 #failure=3
    Startup:      http-get https://127.0.0.1:10259/livez delay=10s timeout=15s period=10s #success=1 #failure=24
    Mounts:
      /etc/kubernetes/scheduler.conf from kubeconfig (ro)
...

可手动检查上述接口，如：

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[root@xdlinux ➜ ~ ]$ curl -k https://127.0.0.1:10259/livez
ok#

具体调度逻辑，后续进行学习。

7. kubelet

按照一般架构设计上的习惯，kubelet所承担的角色一般会被叫做agent，这里叫做kubelet很大程度上受Borg的命名影响，Borg里面也有一个Borglet的组件存在。kubelet便是K8s中的agent，负责Node和Pod相关的管理任务。

kubelet是K8s集群中每个节点（Node）上运行的核心代理组件，负责管理节点上的容器生命周期，是连接控制平面与节点的关键纽带。它确保容器按照Pod规范（PodSpec）的定义正确运行，是实现Kubernetes容器编排能力的基础组件之一。

  • 接收并执行控制平面（kube-apiserver）下发的Pod规范（PodSpec），确保节点上的容器按照规范运行（创建、启动、停止、重启等）。
  • 监控容器运行状态，并通过心跳向kube-apiserver汇报
  • 执行Pod中的 存活探针（liveness probe）、就绪探针（readiness probe）、启动探针（startup probe），进行相关的容器健康状态检查
  • 此外还负责资源管理、配合控制平面进行节点管理、镜像管理（拉取Pod所需的容器镜像）

配置文件路径：/var/lib/kubelet/config.yaml

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# /var/lib/kubelet/config.yaml 部分内容
apiVersion: kubelet.config.k8s.io/v1beta1
cgroupDriver: systemd
# 健康检查所监听的地址和端口
healthzBindAddress: 127.0.0.1
healthzPort: 10248

可验证健康检查接口：

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[root@xdlinux ➜ ~ ]$ curl 127.0.0.1:10248/healthz   
ok#

8. 小结

9. 参考

  • 极客时间：Kubernetes从上手到实践
  • LLM
云原生, Kubernetes
云原生 Kubernetes
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