Kubernetes控制平面组件：Kubelet详解（一）：API接口层介绍

news2025/7/18 14:20:10

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本文是 kubernetes 的控制面组件 kubelet 系列文章第一篇，主要讲解了 kubelet是什么、核心功能、工作流程、架构设计。并且对kubelet架构的API接口层的主通信接口10250、cadvisor监控采集端口4194、只读API端口10255、健康检查端口10248分别进行了详细介绍

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1.kubelet 简介

1.1.kubelet 是什么

在这里插入图片描述

  • 前面kubernetes架构讲解时，对 kubelet 的初步认识：
    • 每个节点上都会跑一个Kubelet，负责上报 节点状态，pod状态、pod资源使用情况等信息到ApiServer，由ApiServer写入etcd。
    • 同时，Kubelet也会和apiserver交互，当发现 有pod被 Schedule 调度到自己所在node时，就会调用一系列标准接口，拉起pod的进程，并为之挂载网络和存储。
    • kubelet通过对 容器运行时（CRI）、容器网络标准（CNI）、容器存储标准（CSI） 的调用，完成pod 容器、网络、存储 的管理
  • Kubelet 是 Kubernetes 集群 工作节点 的核心代理组件
    • 我们前面学习的 etcd、apiserver、scheduler、controller-manager等，都属于上级管理部门，负责 存储数据、进行决策、下发命令，不会直接参与干活
    • Kubelet 是真正的worker，是Node的核心代理组件，它直接与节点上的容器运行时（如 Docker、containerd）交互，确保 Pod 及其容器按照集群控制平面下发的指令正确运行，是 Kubernetes 实现“节点自治”能力的关键模块

1.2.kubelet 的核心功能

功能模块核心能力相关组件
Pod 生命周期管理根据 PodSpec 创建/销毁容器，处理重启策略（Always/OnFailure/Never）PodManager、ContainerRuntime
容器健康监控执行 Liveness/Readiness/Startup 探针，自动触发容器重启（失败时）ProbeManager、StatusManager
资源管理监控 CPU/内存/磁盘使用，执行驱逐策略（当节点资源不足时）EvictionManager、CAdvisor
存储卷管理挂载 PersistentVolume，处理 Secret/ConfigMap 注入VolumeManager
网络配置通过 CNI 插件为 Pod 分配 IP，维护网络命名空间NetworkPlugin
节点状态报告每 10 秒向 API Server 上报节点资源使用率及健康状态API Server
镜像管理自动拉取镜像，执行垃圾回收（超过磁盘阈值时按 LRU 策略清理）ImageGC

1.3.kubelet核心工作流程

API_Server Kubelet Container_Runtime Container 下发 PodSpec 变更事件 调用 CRI 接口创建容器 返回容器状态 上报 Pod 运行状态 执行探针检测 返回健康状态 loop [健康检查] API_Server Kubelet Container_Runtime Container

1.4.kubelet 的 pod事件来源

参考：https://kubernetes.feisky.xyz/concepts/components/kubelet#pod-guan-li

  • Kubelet 以 PodSpec 的方式工作。PodSpec 是描述一个 Pod 的 YAML 或 JSON 对象。 kubelet 采用一组通过各种机制提供的 PodSpecs（主要通过 apiserver），并确保这些 PodSpecs 中描述的 Pod 正常健康运行。
  • 向 Kubelet 提供节点上需要运行的 Pod 清单的方法：
    • 文件：启动参数 --config 指定的配置目录下的文件 (默认 / etc/kubernetes/manifests/)。该文件每 20 秒重新检查一次（可配置）。
    • HTTP endpoint (URL)：启动参数 --manifest-url 设置。每 20 秒检查一次这个端点（可配置）。
    • API Server：通过 API Server 监听 etcd 目录，同步 Pod 清单。
    • HTTP server：kubelet 侦听 HTTP 请求，并响应简单的 API 以提交新的 Pod 清单。

2.Kubelet 架构设计

在这里插入图片描述

  • API 接口层
    • kubelet API
    • cAdvisor API
    • 只读API
    • 健康检查 API
  • 核心功能层，可分为3个模块：
    • 核心管理模块：PLEG、cAdvisor、GPUManager、OOMWatcher、ProbeManager、DiskSpaceManager、EvictionManager
    • 运行时协调模块：syncLoop、PodWorker
    • 容器生命周期管理模块：StatusManager、VolumeManager、ImageGC、ContainerGC、ImageManager、CertificateManager
  • CRI 接口层
    • 容器执行引擎接口，作为grpc client 与真正的容器运行时（Dockershim/rkt/containerd）交互

3.kubelet API 接口层

3.1.kubelet API 主通信端口：10250

3.1.1.端口 10250 的核心作用

  • Kubelet 的 10250 端口 是其默认的 HTTPS 主通信端口，承担以下核心功能：
    • Pod 生命周期管理：接收来自 API Server 的指令，创建、更新或删除 Pod。
    • 资源监控数据暴露：提供容器和节点的性能指标（通过集成 cAdvisor）。
    • 调试与运维接口：支持访问容器日志、执行命令（如 kubectl exec）、端口转发等。
    • 节点状态上报：向 API Server 汇报节点健康状态和资源容量。

3.1.2.协议与认证机制

  • 协议：使用 HTTPS（TLS 加密），确保通信安全性。
  • 认证方式：
    • X.509 客户端证书：Kubelet 自动生成证书，由集群 CA 签发。
    • Bearer Token：基于 ServiceAccount 的 JWT Token（需 RBAC 授权）。
    • 匿名访问（默认关闭）：需显式启用 --anonymous-auth=true（不推荐）。

3.1.3.关键 API 端点

  • 通过 https://<Node-IP>:10250 可访问以下核心接口
3.1.3.1.监控与指标
  • /metrics：Prometheus 格式的 Kubelet 自身指标（如 goroutine 数量、请求延迟）。
  • /metrics/cadvisor：容器资源使用指标（CPU、内存、网络等），由 cAdvisor 提供。
  • /metrics/resource：Kubernetes 资源模型指标（如 kubelet_container_cpu_usage_seconds_total）。
3.1.3.2.Pod 与容器操作**
  • /pods：获取节点上所有 Pod 的详细信息（JSON 格式）。
  • /containerLogs/<namespace>/<pod>/<container>：查看容器日志（对应 kubectl logs）。
  • /exec/<namespace>/<pod>/<container>：在容器内执行命令（对应 kubectl exec）。
  • /portForward/<namespace>/<pod>：端口转发到容器（对应 kubectl port-forward）。
3.1.3.3.调试与健康检查**
  • /healthz：检查 Kubelet 是否健康（返回 200 OK 或错误码）。
  • /configz：获取 Kubelet 的当前配置（需启用 --enable-debugging-handlers=true）。

3.1.4.安全配置

3.1.4.1.证书与 TLS
  • Kubelet 证书：
    • 由集群 CA 自动签发（若启用 --rotate-certificates 支持证书轮换）。
    • 存储在节点上的 /var/lib/kubelet/pki 目录。
  • 客户端访问：
    • 使用集群 CA 证书验证 Kubelet 服务端身份。
    • 客户端需提供有效证书或 Token 进行身份认证。
3.1.4.2.RBAC 授权
  • 为监控工具或管理员配置最小权限的 RBAC 规则：
apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1
kind: ClusterRole
metadata:
  name: kubelet-reader
rules:
- apiGroups: [""]
  resources: ["nodes/metrics", "nodes/proxy", "nodes/log", "nodes/spec"]
  verbs: ["get", "list", "watch"]
---
apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1
kind: ClusterRoleBinding
metadata:
  name: kubelet-reader-binding
subjects:
- kind: ServiceAccount
  name: prometheus
  namespace: monitoring
roleRef:
  kind: ClusterRole
  name: kubelet-reader
  apiGroup: rbac.authorization.k8s.io

3.1.5.访问方式示例

3.1.5.1.使用 kubectl proxy（绕过 TLS 验证）
kubectl proxy --port=8080 &
curl http://localhost:8080/api/v1/nodes/<node-name>/proxy/metrics/cadvisor
3.1.5.2.直接访问（需证书或 Token）
# 使用 ServiceAccount Token
TOKEN=$(cat /var/run/secrets/kubernetes.io/serviceaccount/token)
curl -k -H "Authorization: Bearer $TOKEN" https://<Node-IP>:10250/metrics/cadvisor

# 使用客户端证书（如 kubeconfig 中的证书）
curl --cert /path/to/client.crt --key /path/to/client.key --cacert /path/to/ca.crt https://<Node-IP>:10250/metrics

3.1.6.生产环境最佳实践

  • 禁用匿名访问：确保 Kubelet 启动参数包含 --anonymous-auth=false。
  • 启用证书轮换：配置 --rotate-certificates=true 提升密钥安全性。
  • 限制网络访问：
    • 通过防火墙规则仅允许 API Server 和监控系统访问 10250 端口。
    • 使用 Kubernetes NetworkPolicy 限制 Pod 到 Kubelet 的通信。
  • 源码位置：
    • pkg/kubelet/server/server.go（核心服务端实现）
    • pkg/kubelet/server/auth.go（认证鉴权逻辑）

3.2.cAdvisor资源监控数据采集 端口：4194

3.2.1.cAdvisor 的作用

  • cAdvisor 是一个开源的容器资源监控工具，集成在 Kubelet 中，用于实时收集节点和容器的资源使用数据，包括：
    • CPU 使用率
    • 内存使用量
    • 文件系统（磁盘）使用情况
    • 网络流量统计
    • 容器的启动时间和运行状态等。
  • 这些数据通过 REST API 暴露，供 Prometheus、Heapster 或其他监控系统采集。

3.2.2.端口 4194 现已不支持

  • 在 Kubernetes 早期版本（如 1.7 之前），cAdvisor 默认通过端口 4194 对外暴露监控数据。
  • 用户可以直接访问 http://<Node-IP>:4194/metrics 获取容器的 Prometheus 格式指标
  • 从 Kubernetes 1.12 开始，出于安全性和架构简化的考虑，Kubelet 默认不再单独监听 4194 端口，而是将 cAdvisor 的 API 集成到 Kubelet 的主 API 端口（默认 10250）中。具体变化包括：
    • cAdvisor 数据路径合并：cAdvisor 的监控数据现在通过 Kubelet 的 /metrics/cadvisor 端点暴露，访问地址为 https://<Node-IP>:10250/metrics/cadvisor。
    • 认证与授权：访问需要经过 Kubelet 的 TLS 认证（如使用 ServiceAccount Token 或客户端证书），避免未授权访问风险。
    • 旧端口弃用：4194 端口默认关闭，若需启用需显式配置 Kubelet 参数（不推荐）。

3.2.3.通过 Kubelet 主端口（10250）访问 cAdvisor 数据

# 使用 kubectl 代理绕过 TLS 认证（仅测试环境）
kubectl proxy --port=8080 &
curl http://localhost:8080/api/v1/nodes/<node-name>/proxy/metrics/cadvisor

# 直接访问（需配置证书或 Token）
curl -k -H "Authorization: Bearer $(cat /var/run/secrets/kubernetes.io/serviceaccount/token)" https://<Node-IP>:10250/metrics/cadvisor
  • 通过 /metrics/cadvisor 获取的 Prometheus 格式数据片段：
container_cpu_usage_seconds_total{container="nginx", namespace="default", pod="nginx-abc123"} 12345.67
container_memory_usage_bytes{container="nginx", namespace="default", pod="nginx-abc123"} 56789012
  • 源码位置：
    • pkg/kubelet/cadvisor/cadvisor_linux.go（平台相关实现）
    • vendor/github.com/google/cadvisor/manager/manager.go（核心逻辑）

3.3.只读API 端口10255（状态查询）

3.3.1.端口 10255 的基本作用

  • Kubelet 的 10255 端口 是一个 只读（Read-Only）HTTP 端口，主要用于暴露节点和 Pod 的监控数据及健康状态。它提供无需认证的访问，常用于以下场景：
    • 资源监控：获取节点和容器的 CPU、内存、磁盘等指标。
    • 健康检查：检查 Kubelet 和节点的工作状态。
    • 调试与诊断：快速查看节点上运行的 Pod 列表或容器状态。

3.3.2.端口 10255 的暴露端点

  • 通过 http://<Node-IP>:10255 可访问以下关键端点：
    • /healthz：检查 Kubelet 的健康状态，返回 200 OK 表示正常。
    • /pods：返回节点上所有 Pod 的清单（JSON 格式）。
    • /metrics：暴露 Prometheus 格式的监控指标（包括 cAdvisor 数据）。
    • /metrics/cadvisor：直接获取容器的详细资源使用指标（与 10250 端口的路径一致）。
    • /spec：返回节点的硬件和操作系统信息（如 CPU 核心数、内存大小等）。

3.3.3.只读端口10255已默认弃用

  • 早期版本（如 Kubernetes 1.10 之前）：
    • 默认启用 10255 端口，供监控工具（如 Heapster）或管理员直接访问，无需认证。
  • 安全改进（Kubernetes 1.10+）：
    • 由于无需认证的特性存在安全风险，Kubernetes 逐步弃用该端口：
    • 1.10+ 版本：默认关闭 10255 端口，需显式启用。
    • 1.18+ 版本：部分发行版（如 Kubeadm 部署的集群）完全禁用该端口。
    • 1.20+ 版本：Kubelet 参数 --read-only-port 被标记为废弃，未来可能移除。
  • 直接查看kubelet配置，可以看到确实已标记废弃
# kubelet -h | grep read-only-port
--read-only-port int32  The read-only port for the Kubelet to serve on with no authentication/authorization (set to 0 to disable) (default 10255) (DEPRECATED: This parameter should be set via the config file specified by the Kubelet's --config flag. See https://kubernetes.io/docs/tasks/administer-cluster/kubelet-config-file/ for more information.)

3.3.4.如何启用 10255 端口（不推荐）

  • 若需临时启用（仅限测试环境），需配置 Kubelet 的启动参数：
    # 编辑 Kubelet 配置文件（如 /etc/kubernetes/kubelet.conf）
KUBELET_ARGS="--read-only-port=10255"

# 或者通过 systemd 服务文件添加参数
ExecStart=/usr/bin/kubelet --read-only-port=10255 ...
  • 注意：启用后需确保节点防火墙限制对该端口的访问！

3.3.5.访问示例

  • 查看节点上所有 Pod 信息：
curl http://<Node-IP>:10255/pods
  • 获取 Prometheus 监控指标：
curl http://<Node-IP>:10255/metrics
  • 检查 Kubelet 健康状态：
curl -v http://<Node-IP>:10255/healthz

3.3.6.使用 kubelet API 主通信端口 10250 替代 10255

  • 默认的 Kubelet HTTPS 端口（10250）提供相同功能，但需认证：
# 使用 ServiceAccount Token 访问（需 RBAC 授权）
TOKEN=$(cat /var/run/secrets/kubernetes.io/serviceaccount/token)
curl -k -H "Authorization: Bearer $TOKEN" https://<Node-IP>:10250/metrics
  • 与端口 10250 的对比
特性端口 10255 (只读)端口 10250 (读写)
协议HTTP（明文）HTTPS（加密）
认证无需证书或 Token
功能只读数据（如监控、Pod 列表）读写操作（如执行命令、日志访问）
安全性低高
默认状态新版本默认关闭始终启用

3.4.健康检查 /healthz 端口10248

3.4.1./healthz 端点简介

  • /healthz 是 kubelet 的关键健康检查接口，用于指示其运行状态：
  • 功能与用途
    • 存活探针（Liveness Probe）：供 kubelet 自身或外部系统（如 API Server）检查其是否正常运行。
    • 健康状态反馈：返回 200 OK 表示健康，其他状态码（如 500）表示异常。
    • 依赖项检查：某些配置下会验证 kubelet 依赖的组件（如容器运行时）是否可用。
  • /healthz 端点的访问端口 默认10248
  • 可以通过kubelet 参数 --healthz-port 指定端口

3.4.2./healthz 访问示例

  • 响应为ok，则表示节点健康
    # 查看本地端口监听情况
# ss -tuln | grep 10248
tcp    LISTEN     0      4096   127.0.0.1:10248                 *:*

# curl http://localhost:10248/healthz
ok
  • 安全性设计
    • 本地访问限制：默认仅监听 127.0.0.1，不暴露给外部网络。
    • 无认证机制：由于仅限本机访问，无需额外认证。

3.4.3.10248 与主端口 10250 的区别

特性端口 10248 (--healthz-port)端口 10250（主 API 端口）
协议HTTP（明文）HTTPS（加密）
访问范围仅本机（localhost）外部网络（默认监听所有接口）
功能仅健康检查（/healthz）全功能 API（Pod 管理、监控等）
认证无强制证书/Token 认证

3.4.4.--healthz-port 参数状态与版本变化

  • 弃用状态：
    • --healthz-port 参数已被标记为 废弃（DEPRECATED），Kubernetes 推荐通过 kubelet 配置文件（由 --config 指定）设置相关参数。
  • 弃用原因：
    • Kubernetes 逐步淘汰命令行参数，转向统一的配置文件管理，以提高可维护性。
  • 版本影响：
    • 1.10+ 版本：开始推荐使用配置文件。
    • 1.23+ 版本：部分发行版可能默认关闭该端口。

4.kubelet 核心功能层

  • 请见：Kubernetes控制平面组件：Kubelet详解（二）：核心功能层
    • 本文主要讲解了 kubelet 架构中的核心功能层，包括核心管理模块的 PLEG、cAdvisor、GPUManager、OOMWatcher、ProbeManager、DiskSpaceManager、EvictionManager；运行时协调模块的 syncLoop、PodWorker，以及容器生命周期管理模块的 StatusManager、VolumeManager、ImageGC、ContainerGC、ImageManager、CertificateManager，对每个组件都做了详细讲解

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