Kubernetes無處不在——開發者的筆記本、樹莓派、云、數據中心、混合云甚至多云上都有Kubernetes。它已然成為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，它將多云變成了現實。

Kubernetes也成為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。

盡管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。與云或數據中心相比，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。邊緣設備與云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集群。

基于此，業界應用最為廣泛的K8S管理平臺創建者Rancher Labs發布了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的一致性和功能并沒有受到影響。從kubectl到Helm再到Kubernetes，幾乎所有的云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集群的工作負載都能保證在K3s集群上工作。

Kubernetes這個10個字母的單詞，在社區里被稱為K8S。由于K3s正好是Kubernetes內存的一半，Rancher為新的發行版找到了一個5個字母的單詞，并將其簡稱為K3s。

深入了解K3s架構

K3s的魅力在于它的簡單性。作為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集群。安裝體驗就像在集群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集群的所有組件，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生命周期。

與傳統的Kubernetes集群相比，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么角色。所以，master節點和worker節點的命名方式不適用于k3s集群。

在k3s集群中，將運行控制平面組件與kubelet的節點稱為server，而只運行kubelet的節點稱為agent。server和agent都有容器運行時和一個kubeproxy，管理整個集群的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集群，有自己的控制平面。

那么，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，這些組件對于運行一個最低限度的集群來說并不重要。然后，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，并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插件和云提供商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群狀態的管理方式。Kubernetes依靠分布式鍵值數據庫etcd來存儲整個集群的狀態。K3s用名為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并不是分布式數據庫，它成為為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托給外部數據庫，K3s支持多個控制平面實例，使得集群具有高可用性。

Rancher正在試驗一種名為DQLite的分布式版本的SQLite，它最終可能會成為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。

關于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：https://youtu.be/-HchRyqNtkU

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。憑借一致的安裝體驗，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集群來維護部署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群，安裝一個3節點的etcd集群，然后是3個K3s server和一個或多個agent。這樣就可以為你提供一個生產級的環境，并為控制平面提供HA。

當在云中運行K3s集群時，將server指向一個托管數據庫，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，則在云中運行server，在邊緣運行agent。這使你可以靈活地在云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。

最后，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筑、智能工廠和智能醫療場景。