从零搭建：利用K8S技术栈打造个人私有云（连载之：初章）

2025年9月20日 互联网

一、为何选择K8S技术栈搭建私有云？

Kubernetes（K8S）作为容器编排领域的标准，其核心价值体现在自动化部署、弹性伸缩、服务发现与自愈能力。对于个人开发者而言，K8S技术栈能解决传统私有云方案的三大痛点：

  1. 资源利用率低：通过Pod动态调度与水平扩展，避免物理机闲置资源浪费。例如，测试环境与开发环境可共享同一节点，按需分配CPU/内存。
  2. 维护成本高：声明式API与Operator模式将运维操作转化为代码，如通过Prometheus Operator自动配置监控规则，减少人工干预。
  3. 扩展性受限：K8S的Control Plane与Data Plane分离架构，支持从单节点到数千节点的无缝扩展，满足个人项目到小型团队的需求。

典型场景：开发者可通过K8S的Ingress资源统一管理多个Web服务的域名路由，结合HPA（Horizontal Pod Autoscaler）实现流量突增时的自动扩容。

二、私有云需求分析与技术选型

1. 需求拆解

  • 核心功能：容器化应用部署、持久化存储、网络隔离、日志收集、监控告警。
  • 非功能需求：高可用（节点故障时自动迁移）、低延迟（同城双活部署）、易用性（提供Web控制台）。

2. 技术栈对比

组件 候选方案 选型依据
容器运行时 Docker vs containerd containerd更轻量，与K8S集成度更高，符合CRI标准
网络插件 Calico vs Flannel Calico支持网络策略，适合多租户隔离场景
存储方案 Local PV vs CSI插件 CSI插件（如NFS-CSI）支持动态卷供应，避免手动管理存储类
监控系统 Prometheus+Grafana 开源生态完善，支持自定义指标与告警规则

3. 硬件配置建议

  • 最小化部署：1台4核8G服务器（测试环境），安装Ubuntu 22.04 LTS + kubeadm。
  • 生产环境：3台2核4G服务器（1主2从），配置SSD硬盘与千兆网卡，使用Keepalived实现VIP高可用。

三、基础环境搭建指南

1. 节点初始化

  1. # 所有节点执行（关闭swap，设置主机名）
  2. sudo swapoff -a
  3. sudo sed -i '/ swap / s/^\(.*\)$/#\1/g' /etc/fstab
  4. hostnamectl set-hostname k8s-master  # 主节点
  5. hostnamectl set-hostname k8s-worker1 # 从节点

2. 安装容器运行时（containerd）

  1. # 安装依赖与containerd
  2. sudo apt-get update
  3. sudo apt-get install -y containerd apt-transport-https ca-certificates curl
  5. # 配置containerd（使用systemd cgroup驱动）
  6. sudo mkdir -p /etc/containerd
  7. containerd config default | sudo tee /etc/containerd/config.toml
  8. sudo sed -i 's/SystemdCgroup = false/SystemdCgroup = true/' /etc/containerd/config.toml
  9. sudo systemctl restart containerd

3. 部署K8S集群（kubeadm）

  1. # 主节点初始化
  2. sudo kubeadm init --pod-network-cidr=10.244.0.0/16 --kubernetes-version=v1.28.0
  3. mkdir -p $HOME/.kube
  4. sudo cp -i /etc/kubernetes/admin.conf $HOME/.kube/config
  5. sudo chown $(id -u):$(id -g) $HOME/.kube/config
  7. # 从节点加入集群
  8. kubeadm join <master-ip>:6443 --token <token> --discovery-token-ca-cert-hash <hash>

4. 部署网络插件（Calico）

  1. kubectl create -f https://raw.githubusercontent.com/projectcalico/calico/v3.26.1/manifests/calico.yaml
  2. # 验证Pod网络
  3. kubectl get pods -n kube-system | grep calico

四、验证集群功能

  1. 部署测试应用：

    1. kubectl create deployment nginx --image=nginx:alpine
    2. kubectl expose deployment nginx --port=80 --type=NodePort
    3. kubectl get svc nginx  # 获取NodePort端口

  2. 检查节点状态：

    1. kubectl get nodes
    2. # 输出应显示所有节点为Ready状态
    3. NAME         STATUS   ROLES           AGE   VERSION
    4. k8s-master   Ready    control-plane  10m   v1.28.0
    5. k8s-worker1  Ready    <none>          9m    v1.28.0

  3. 模拟故障转移：

  • 手动终止主节点上的kube-apiserver容器，观察从节点是否自动选举新主节点（需配置--control-plane-endpoint）。

五、常见问题与解决方案

  1. 问题：kubeadm init卡在[etcd]阶段。

    • 原因：磁盘I/O性能不足或网络延迟高。
    • 解决：更换SSD硬盘，或调整etcd的heartbeat-interval和election-timeout参数。

  2. 问题：Calico Pod无法启动，日志显示Failed to create pod sandbox。

    • 原因：CNI插件配置错误或内核模块缺失。
    • 解决：检查/etc/cni/net.d/目录下的配置文件，确保bridge与host-local插件已安装。

六、下一步规划

本篇为系列连载的初章，后续将深入探讨：

  • 存储方案：对比Rook-Ceph与Longhorn的优劣，实现有状态应用持久化。
  • CI/CD集成：通过ArgoCD实现GitOps，自动化部署流水线。
  • 安全加固：配置RBAC权限、网络策略与镜像签名，满足合规要求。

通过K8S技术栈构建个人私有云，开发者不仅能获得对基础设施的完全控制权，更能积累云原生技术的实战经验，为后续参与企业级项目奠定基础。

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