Kubernetes無處不在——開發者的筆記本、樹莓派、雲、數據中心、混合雲甚至多雲上都有Kubernetes。它已然成爲現代基礎設施的基礎，抽象了底層的計算、存儲和網絡服務。Kubernetes隱藏了各種基礎設施環境之間的差異，它將多雲變成了現實。
Kubernetes也成爲了編排的通用控制平面，不僅僅是容器編排，還包括虛擬機、數據庫，甚至SAP Hana實例等各種資源。
儘管Kubernetes發展迅猛，但還是給開發者和運營商拋出了許多挑戰。其中一個關鍵挑戰是在邊緣運行Kubernetes。與雲或數據中心相比，邊緣是非常不同的。它運行在一個高度受限環境中的遠程位置。與運行在數據中心的同類設備相比，邊緣設備的計算、存儲和網絡資源只有一小部分。邊緣設備與雲的連接是斷斷續續的，而且它們主要在離線環境中運行。這些因素使得很難在邊緣部署和管理Kubernetes集羣。
基於此，業界應用最爲廣泛的K8S管理平臺創建者Rancher Labs發佈了K3s，這是一個Kubernetes的發行版，它針對邊緣進行了高度優化。雖然K3s是Kubernetes的簡化版、迷你版，但API的一致性和功能並沒有受到影響。從kubectl到Helm再到Kubernetes，幾乎所有的雲原生生態系統的工具都能與K3s無縫對接。實際上，K3s是一個經過CNCF認證的、符合要求的Kubernetes發行版，可以在生產環境中部署。幾乎所有運行完整的Kubernetes集羣的工作負載都能保證在K3s集羣上工作。
Kubernetes這個10個字母的單詞，在社區裏被稱爲K8S。由於K3s正好是Kubernetes內存的一半，Rancher爲新的發行版找到了一個5個字母的單詞，並將其簡稱爲K3s。
深入瞭解K3s架構
K3s的魅力在於它的簡單性。作爲一個單一的二進制文件（約100MB）進行打包和部署，你只需幾秒鐘就可以得到一個完全成熟的Kubernetes集羣。安裝體驗就像在集羣的每個節點上運行一個腳本一樣簡單。
K3s二進制文件是一個自給自足的封裝實體，它幾乎運行了Kubernetes集羣的所有組件，包括API server、scheduler和controller。默認情況下，每個K3s的安裝都包括控制平面、kubelet和containerd運行時，這些已經足以運行Kubernetes工作負載。當然，也可以添加只運行kubelet agent和containerd運行時的專用worker節點，來調度和管理pod生命週期。
與傳統的Kubernetes集羣相比，K3s中的master節點和worker節點沒有明顯的區別。可以在任何節點上調度和管理Pod，不管它們扮演的是什麼角色。所以，master節點和worker節點的命名方式不適用於k3s集羣。
在k3s集羣中，將運行控制平面組件與kubelet的節點稱爲server，而只運行kubelet的節點稱爲agent。server和agent都有容器運行時和一個kubeproxy，管理整個集羣的tunnel和網絡流量。
在典型的k3s環境中，你運行一個server和多個agent。在安裝過程中，如果你傳遞了server的URL，節點就會變成一個agent；否則，你最終會運行另一個獨立的k3s集羣，有自己的控制平面。
那麼，Rancher是如何降低k3s的內存呢？首先，他們去除了Kubernetes的很多可選組件，這些組件對於運行一個最低限度的集羣來說並不重要。然後，它增加了一些必要的元素，包括containerd、Flannel、CoreDNS、CNI、Traefik ingress controller、本地存儲程序、一個嵌入式服務負載均衡器和一個集成的網絡策略controller。所有這些組件都被打包成一個二進制文件，並在同一個進程中運行。除了這些，該發行版還支持開箱即用的Helm chart。
上游的Kubernetes發行版是臃腫的，有很多代碼可以刪除。例如，存儲volume插件和雲提供商API，這些會極大增加發行版的內存。K3s省略了所有這些，以最大限度地減少二進制的大小。
另一個關鍵的區別是集羣狀態的管理方式。Kubernetes依靠分佈式鍵值數據庫etcd來存儲整個集羣的狀態。K3s用名爲SQLite的輕量級數據庫取代了etcd，SQLite是一個成熟的嵌入式場景數據庫。很多移動應用都會捆綁SQLite來存儲狀態。
通過在至少三個節點上運行etcd，Kubernetes控制平面變得高度可用。另一方面，SQLite並不是分佈式數據庫，它成爲爲了實現控制平面的高可用，K3s server可以指向外部數據庫端點。支持的數據庫包括etcd、MySQL和PostgreSQL。通過有效地將狀態委託給外部數據庫，K3s支持多個控制平面實例，使得集羣具有高可用性。
Rancher正在試驗一種名爲DQLite的分佈式版本的SQLite，它最終可能會成爲K3s的默認數據存儲。
K3s最大的優點是它的 “包含電池但可替換 "的方式。例如，我們可以用Docker CE運行時替換containerd運行時，用Calico替換Flannel，用Longhorn替換本地存儲等等。
關於K3s架構的詳細討論，我強烈推薦你觀看K3s的架構師Darren Shepherd在北美KubeCon 2019上的演講：
K3s部署場景和拓撲結構
K3s發行版支持多種架構，包括AMD64、ARM64和ARMv7。憑藉一致的安裝體驗，K3s可以在Raspberry Pi Zero、NVIDIA Jetson Nano、Intel NUC或Amazon EC2 a1.4xlarge實例上運行。
在你需要一個單節點Kubernetes集羣來維護部署manifest的相同工作流程的環境中，請在服務器或邊緣設備上安裝K3s。這使你可以靈活地使用你現有的CI/CD流水線和容器鏡像以及Helm chart或YAML文件。
如果你需要一個在AMD64或ARM64架構上運行的高可用集羣，安裝一個3節點的etcd集羣，然後是3個K3s server和一個或多個agent。這樣就可以爲你提供一個生產級的環境，併爲控制平面提供HA。
當在雲中運行K3s集羣時，將server指向一個託管數據庫，如Amazon RDS或Google Cloud SQL，以運行一個具有多個agent的高可用控制平面。每個K3s server可以運行在不同的可用性區域，以獲得最大的正常運行時間。
如果你在具有可靠的、始終在線連接的邊緣計算環境中運行K3s，則在雲中運行server，在邊緣運行agent。這使你可以靈活地在雲中運行一個高可用和可管理的控制平面，同時在遠程環境中運行agent。
最後，你可以將K3s HA控制平面部署在5G邊緣位置，如AWS Wavelength和Azure Edge Zones環境中，agent在設備中運行。這種拓撲結構呼應了智能建築、智能工廠和智能醫療場景。
在此係列的下一篇文章中，我將介紹在邊緣環境中部署HA集羣的步驟，保持關注！