k3s introduction

K3s 簡介 (Introduction)

K3s 是一個輕量級的 Kubernetes 發行版，專為邊緣計算 (Edge Computing)、物聯網 (IoT) 設備以及資源受限的環境而設計。它由 Rancher Labs 開發，旨在提供一個易於安裝、運行和維護的生產級 Kubernetes 集群。

K3s 的核心優勢

節錄自官方網站，K3s 具備以下幾個關鍵特性：

• Perfect for Edge (完美適用於邊緣環境) K3s 是一個高可用、經過認證的 Kubernetes 發行版，專為在無人值守、資源受限、遠端位置或物聯網設備內部運行生產工作負載而設計。這意味著它可以在傳統 Kubernetes 無法有效運行的環境中提供強大的容器編排能力。

• Simplified & Secure (簡化與安全) K3s 被打包成一個單一的二進制文件，大小不到 70MB。這大大減少了安裝、運行和自動更新生產級 Kubernetes 集群所需的依賴項和步驟。其輕量級的特性也降低了攻擊面，提升了安全性。

• Optimized for ARM (針對 ARM 架構優化) K3s 同時支持 ARM64 和 ARMv7 架構，並提供相應的二進制文件和多架構鏡像。無論是像 Raspberry Pi 這樣的小型設備，還是 AWS a1.4xlarge 32GiB 服務器，K3s 都能高效運行。

K3s 的關鍵特點解析

基於上述官方介紹，我們可以歸納出 K3s 的幾個重要特點：

• 支持高可用性 (Support HA) K3s 能夠配置為高可用集群，確保控制平面在節點故障時仍能持續運行。它支持使用嵌入式 SQLite 或外部數據庫（如 PostgreSQL、MySQL、MariaDB 和 etcd）來存儲集群狀態，這為不同規模和需求提供了靈活性。

• 支持集群部署 (Support Cluster) K3s 不僅限於單節點部署，也能夠輕鬆擴展為多節點集群，包含一個或多個服務器節點（控制平面）和多個代理節點（工作節點），以滿足不同應用場景的需求。

• 單一二進制文件，易於維護 (Single Binary, Easy Maintain) K3s 的所有核心組件都集成在一個單一的二進制文件中，極大地簡化了部署和升級過程。這減少了管理多個獨立組件的複雜性，降低了運維成本。

• 低資源佔用 (Low Resource Usage) 相較於標準的 Kubernetes，K3s 移除了許多企業級功能（如雲提供商集成、舊版 API 等），並用輕量級替代品替換了部分組件（如使用 containerd 替代 Docker，使用 Traefik 替代 Ingress Controller）。這使得它在內存和 CPU 消耗方面顯著降低，非常適合資源受限的環境。

• 環境接近原生 Kubernetes (Close to Native K8s Environment) 儘管 K3s 進行了輕量化處理，但它仍然是一個完全兼容的 Kubernetes 發行版。它通過了 CNCF 的一致性認證，這意味著您在標準 Kubernetes 上運行的應用程序和工具，在 K3s 上也能正常運行，提供了接近原生的 Kubernetes 體驗。

架構概覽 (Architecture Overview)

先看官方的架構圖

首先，K3s 的架構主要分為兩種角色：

• K3s Server (控制平面節點)： K3s Server 扮演著傳統 Kubernetes 中控制平面的角色，負責管理集群的狀態、調度工作負載、處理 API 請求等。它包含了 API Server、Controller Manager、Scheduler 和一個輕量級的數據庫（默認是嵌入式 SQLite，也可配置為外部數據庫如 PostgreSQL、MySQL、MariaDB 或 etcd）。

• K3s Agent (工作節點)： K3s Agent 則作為工作節點，負責運行應用程序的容器。它包含了 Kubelet 和一個輕量級的容器運行時（默認是 containerd）。Agent 節點會向 Server 節點註冊，並從 Server 接收指令來運行和管理 Pod。

K3s 與原生 Kubernetes 的架構差異

K3s 在架構上與原生 Kubernetes 有幾個顯著的不同點，這些差異是其輕量化和易用性的關鍵：

1. 默認無 Taints (No Taints by Default)： 與原生 Kubernetes 不同，K3s Server 節點默認不會設置 NoSchedule 或 NoExecute 的 Taints。這意味著 Pod 可以直接調度到 K3s Server 節點上運行，這對於單節點或小型集群來說非常方便，減少了額外的配置步驟。

2. 內置組件 (Bundled Components)： 為了簡化安裝和部署，K3s 預設集成了許多 Kubernetes 所需的核心組件，無需用戶手動配置。這些內置組件包括：

   • 容器運行時 (Container Runtime)：默認使用 containerd，一個輕量級且符合 OCI 標準的容器運行時。
   • CNI (Container Network Interface)：默認使用 Flannel 作為網絡插件，提供 Pod 間的網絡連接。
   • CoreDNS：提供集群內部的 DNS 服務。
   • Traefik Ingress Controller：作為默認的 Ingress Controller，用於暴露集群內部的服務到外部。
   • Service Load Balancer (ServiceLB)：一個輕量級的服務負載均衡器，用於將外部流量導向集群內的服務。
   • 嵌入式數據庫 (Embedded Database)：默認使用 SQLite，極大地簡化了單節點部署的數據庫管理。

   詳細的內置組件列表和版本信息，可以參考 K3s 的 Release Note。

3. 可替換的組件 (Pluggable Components)： 儘管 K3s 提供了許多內置組件，但它也保留了高度的靈活性，允許用戶根據需求替換或配置不同的組件：

   • 容器運行時 (Container Runtime)：除了 containerd，K3s 也支持其他容器運行時，例如 Docker (通過 k3s --docker 選項)。詳情請參考 K3s Advanced Options - Alternative Container Runtime Support。
   • CNI (Container Network Interface)：用戶可以選擇使用 Calico、Cilium 等其他 CNI 插件來替代 Flannel。詳情請參考 K3s Networking - Custom CNI。
   • 持久化存儲 (Volumes and Storage)：K3s 支持多種持久化存儲解決方案，例如 Longhorn、NFS 等。詳情請參考 K3s Storage - Setting up Longhorn。

這些設計選擇使得 K3s 在保持 Kubernetes 核心功能的前提下，實現了極致的輕量化和易用性，使其成為邊緣計算和資源受限環境的理想選擇。

快速入門 (Getting Started)

K3s 的安裝過程極其簡單，只需一條命令即可在 Linux 系統上快速部署一個單節點集群。

安裝 K3s

在您的 Linux 服務器或虛擬機上執行以下命令：

curl -sfL https://get.k3s.io | sh -

這條命令會自動下載 K3s 二進制文件，並將其安裝為一個 systemd 服務。安裝完成後，K3s 服務會自動啟動，並配置好一個單節點的 Kubernetes 集群。

驗證安裝

安裝完成後，您可以通過以下命令驗證 K3s 集群是否正常運行：

sudo kubectl get nodes
sudo kubectl get pods --all-namespaces

如果一切正常，您應該會看到一個 Ready 狀態的節點，以及 K3s 系統組件的 Pod 正在運行。

總結 (Conclusion)

K3s 作為一個輕量級的 Kubernetes 發行版，憑藉其小巧的體積、簡化的安裝流程和低資源佔用等優勢，在邊緣計算、物聯網、開發測試環境以及 CI/CD 等場景中展現出巨大的潛力。它不僅降低了 Kubernetes 的學習和使用門檻，也為資源受限的環境提供了強大的容器編排能力。

下一篇文章，我將深入探討 K3s 的進階使用方法，包括多節點集群部署、高可用配置等。