一、单机部署场景与核心价值

在开发测试阶段，构建完整的Kubernetes集群往往需要多台物理机或虚拟机支持，但通过单机部署方案可实现轻量化验证。该方案适用于以下场景：

本地开发环境：快速验证容器化应用的编排逻辑
持续集成流水线：为CI/CD构建临时测试集群
教学演示场景：展示Kubernetes核心功能与操作流程
边缘计算原型：模拟资源受限环境下的集群行为

相比多节点部署，单机方案可节省70%以上的资源消耗，同时保持90%的核心功能完整性。通过合理配置，单机集群可承载50-100个Pod的稳定运行，满足中小规模应用的测试需求。

二、环境准备与组件选择

2.1 硬件配置要求

组件	最低配置	推荐配置
CPU	2核	4核
内存	4GB	8GB
磁盘空间	20GB	50GB
操作系统	Linux 4.4+	Ubuntu 20.04+

2.2 组件版本兼容性

Kubernetes：v1.26.x（LTS版本）
Container Runtime：containerd v1.6+
CNI插件：Calico v3.25+ 或 Cilium v1.13+
Helm：v3.11+（可选）

2.3 安装方式对比

方案	复杂度	资源占用	维护成本	适用场景
Minikube	低	中	低	快速验证
Kind	中	低	中	CI/CD集成
K3s	低	低	低	边缘计算
手动部署	高	中	高	深度定制需求

推荐采用Kind（Kubernetes in Docker）方案，其基于容器化技术实现集群节点模拟，具有隔离性强、启动迅速等优势。

三、Kind部署实战流程

3.1 安装前置依赖

# 安装Docker（以Ubuntu为例）
sudo apt-get update
sudo apt-get install -y docker-ce docker-ce-cli containerd.io
# 配置Docker参数
cat <<EOF | sudo tee /etc/docker/daemon.json
{
  "exec-opts": ["native.cgroupdriver=systemd"],
  "storage-driver": "overlay2"
}
EOF
sudo systemctl restart docker

3.2 安装Kind工具

# 下载最新版本（自动适配系统架构）
curl -Lo ./kind https://kind.sigs.k8s.io/dl/v0.20.0/kind-linux-amd64
chmod +x ./kind
sudo mv ./kind /usr/local/bin/kind
# 验证安装
kind version

3.3 创建集群配置文件

# kind-config.yaml
kind: Cluster
apiVersion: kind.x-k8s.io/v1alpha4
nodes:
- role: control-plane
  image: kindest/node:v1.26.3@sha256:61b92f38dff6ccc29969e7aa154d34e38b89443af1a2c14e6cfbd2df6419c66f
  extraPortMappings:
  - containerPort: 30080
    hostPort: 80
  - containerPort: 30443
    hostPort: 443

3.4 启动集群

kind create cluster --name my-k8s --config kind-config.yaml
# 验证集群状态
kubectl cluster-info
kubectl get nodes -o wide

3.5 配置kubectl

# 自动配置kubeconfig（Kind默认已处理）
export KUBECONFIG="$(kind get kubeconfig-path --name="my-k8s")"
# 验证配置
kubectl config view
kubectl get pods -A

四、关键配置优化

4.1 网络性能调优

# 在kind配置文件中添加runtimeConfig
runtimeConfig:
  api/alpha/networkpolicy: "true"
  api/alpha/runtimeclass: "true"

4.2 存储类配置

# 部署本地存储提供程序
kubectl apply -f https://raw.githubusercontent.com/rancher/local-path-provisioner/master/deploy/local-path-storage.yaml
# 验证存储类
kubectl get storageclass

4.3 Ingress控制器部署

# 使用Nginx Ingress
kubectl apply -f https://raw.githubusercontent.com/kubernetes/ingress-nginx/main/deploy/static/provider/kind/deploy.yaml
# 等待组件就绪
kubectl wait --namespace ingress-nginx \
  --for=condition=ready pod \
  --selector=app.kubernetes.io/component=controller \
  --timeout=90s

五、常见问题解决方案

5.1 集群启动失败排查

Docker服务未运行：检查systemctl status docker状态
端口冲突：使用netstat -tulnp | grep -E "6443|10250"检查端口占用
镜像拉取失败：配置国内镜像源或手动导入镜像

5.2 网络访问异常处理

# 检查CNI插件状态
kubectl get pods -n kube-system | grep cni
# 查看网络策略
kubectl describe networkpolicy -A
# 重启CoreDNS
kubectl rollout restart deployment coredns -n kube-system

5.3 资源不足优化

# 调整kubelet参数（需修改kind节点配置）
apiVersion: kubelet.config.k8s.io/v1beta1
kind: KubeletConfiguration
evictionHard:
  memory.available: "200Mi"
  nodefs.available: "10%"

六、集群销毁与重建

# 优雅停止集群
kind delete cluster --name my-k8s
# 清理残留资源
docker rm -f $(docker ps -aq --filter "name=my-k8s-*")
docker volume rm $(docker volume ls -q --filter "name=my-k8s-*")

七、进阶使用建议

多集群管理：通过kind create cluster --name another-cluster创建隔离环境
镜像构建优化：使用kind load docker-image加速镜像导入
持久化存储：配置hostPath卷实现数据持久化
高可用模拟：通过修改kind配置添加多个control-plane节点

通过本方案实现的单机Kubernetes集群，可满足80%以上的开发测试需求。对于生产环境，建议采用主流云服务商提供的托管集群服务，以获得更好的性能保障与运维支持。在实际应用中，可根据具体需求调整节点资源配置与组件组合，构建最适合的本地开发环境。

Kubernetes单机环境快速部署指南