Kubernetes 入門：Pod、Service、Deployment

當你的應用只是一個簡單的 Docker 容器時，用 Docker Compose 來管理就已經足夠了。但當你的系統擴展到以下規模時，Docker Compose 就會開始顯得力不從心：

• 你的應用需要自動伸縮（流量高時自動增加副本，流量低時減少）
• 某個容器 crash 了，需要自動重新啟動
• 你需要在不中斷服務的情況下更新版本（滾動更新）
• 你需要將多個容器平均分配到不同的伺服器上（負載平衡）
• 你的服務散落在多台雲端主機上，需要統一管理

這時候，我們就需要 Kubernetes (K8s) 登場了。

什麼是 Kubernetes？

Kubernetes 是一個容器編排平台 (Container Orchestration Platform)，由 Google 基於其內部使用多年的 Borg 系統開源而來，現在由 Cloud Native Computing Foundation (CNCF) 維護。

簡單來說，Kubernetes 就是你整個應用的「作業系統」：

• Docker 容器就像是「應用程式」
• Kubernetes 就像是「作業系統」，負責管理這些應用程式的啟動、監控、資源分配與溝通

Kubernetes 的優勢

| 功能 | 說明 | |------|------| | 自動修復 | 當某個容器 crash，K8s 自動重新啟動 | | 自動伸縮 | 根據 CPU 或記憶體使用量，自動增減容器數量 | | 滾動更新 | 更新版本時逐步替換，不中斷服務 | | 服務發現 | 自動為每個服務分配 DNS 名稱，容器間可直接透過名稱溝通 | | 負載平衡 | 自動將流量分配到多個容器副本 | | 儲存編排 | 自動掛載雲端硬碟、本地儲存等 | | 自我修復 | 如果某個節點 (Node) 掛了，自動在其他節點重新排程 |

Kubernetes 的三大核心物件

在 Kubernetes 中，一切都是「物件 (Object)」。你透過撰寫 YAML 或 JSON 來宣告你想要的狀態，然後 K8s 會努力讓現實狀態符合你的宣告。

1. Pod（最小的部署單元）

Pod 是 Kubernetes 中最小的可部署單元。一個 Pod 裡面可以包含一個或多個容器（通常是一個）。

你可以把 Pod 想像成「一艘太空船」：

• 太空船裡面可以有一個或多個太空人（容器）
• 每個太空人各自執行不同的任務
• 他們共享太空船的生命週期與資源
• 太空船被摧毀時，所有太空人同時消失

Pod 的 YAML 範例：

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: my-app-pod
  labels:
    app: my-app
    version: v1
spec:
  containers:
    - name: my-app
      image: my-app:latest
      ports:
        - containerPort: 3000
      resources:
        requests:
          cpu: "250m"        # 最少保證 0.25 核心
          memory: "256Mi"     # 最少保證 256 MB
        limits:
          cpu: "500m"        # 最多使用 0.5 核心
          memory: "512Mi"     # 最多使用 512 MB

但 Pod 有一個重要的特性：Pod 是臨時性的 (Ephemeral)。如果你刪除了一個 Pod，它不會自動重現。這就是為什麼我們通常不會直接建立 Pod，而是透過更高層的抽象來管理它們。

2. Deployment（宣告期望狀態）

Deployment 是 Kubernetes 中最常用的控制器。它定義了你期望的「副本數量」與「更新策略」，K8s 會自動確保實際運行的 Pod 數量符合你的期望。

Deployment 的 YAML 範例：

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: my-app-deployment
spec:
  replicas: 3              # 期望 3 個副本
  selector:
    matchLabels:
      app: my-app
  template:                # Pod 模板
    metadata:
      labels:
        app: my-app
    spec:
      containers:
        - name: my-app
          image: my-app:v2
          ports:
            - containerPort: 3000
          livenessProbe:    # 存活檢查：如果失敗則重新啟動
            httpGet:
              path: /api/health
              port: 3000
            initialDelaySeconds: 10
            periodSeconds: 15
          readinessProbe:   # 就緒檢查：如果失敗則不導入流量
            httpGet:
              path: /api/ready
              port: 3000
            initialDelaySeconds: 5
            periodSeconds: 10

Deployment 的關鍵能力：

滾動更新 (Rolling Update) 當你將 Image 版本從 v1 更新到 v2 時，K8s 會逐步替換 Pod：

1. 建立一個 v2 的 Pod
2. 等待 v2 的 Pod 通過 Readiness Probe（就緒檢查）
3. 刪除一個 v1 的 Pod
4. 重複直到所有 Pod 都被替換

這確保了更新過程中服務完全不會中斷。

自動復原 (Rollback) 如果 v2 版本出了問題（例如 Liveness Probe 失敗），K8s 會自動停止滾動，保留 v1 版本：

# 查看 Deployment 的更新歷史
kubectl rollout history deployment/my-app-deployment

# 回滾到上一個版本
kubectl rollout undo deployment/my-app-deployment

3. Service（穩定的存取入口）

Pod 是動態的，它可能因為節點故障而被重新排程到不同的伺服器，IP 位址也會隨之改變。如果我們直接使用 Pod 的 IP 來連線，只要 Pod 重啟或漂移，連線就會中斷。

Service 提供了一個穩定的虛擬 IP (ClusterIP) 與 DNS 名稱，作為後端 Pod 的存取入口。

Service 的 YAML 範例：

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: my-app-service
spec:
  selector:
    app: my-app              # 選擇所有 label 為 app: my-app 的 Pod
  ports:
    - protocol: TCP
      port: 80               # Service 對外開放的埠
      targetPort: 3000       # 轉發到 Pod 的 3000 埠
  type: ClusterIP            # 只在叢集內部可存取

Service 的四種類型：

| 類型 | 說明 | 使用場景 | |------|------|---------| | ClusterIP | 只在叢集內部可存取，分配一個虛擬 IP | 內部服務（資料庫、API） | | NodePort | 在所有節點上開啟一個隨機埠，外部可透過節點 IP 存取 | 開發測試 | | LoadBalancer | 自動建立雲端負載平衡器，分配外部 IP | 正式環境（搭配雲端服務商） | | Ingress | 七層 HTTP 路由，根據域名或路徑轉發到不同 Service | 生產環境的對外入口 |

在本機建立 Kubernetes 測試叢集

在正式購買雲端 K8s 叢集之前，我們可以用 kind (Kubernetes in Docker) 來在本機建立一個測試用的 K8s 環境。

安裝 kind

# macOS (Homebrew)
brew install kind

# 驗證安裝
kind version

建立一個叢集

kind create cluster --name my-test-cluster

輸出範例：

Creating cluster "my-test-cluster" ...
 ✓ Ensuring node image (kindest/node:v1.28.0) 🖼
 ✓ Preparing nodes 📦
 ✓ Writing configuration 📜
 ✓ Starting control-plane 🕹️
 ✓ Installing CNI 🔌
 ✓ Installing StorageClass 💾
Set kubectl context to "kind-my-test-cluster"
You can now use your cluster with:

kubectl cluster-info --context kind-my-test-cluster

驗證叢集狀態

# 檢視節點
kubectl get nodes

# 檢視系統 Pod
kubectl get pods -n kube-system

# 取得叢集資訊
kubectl cluster-info

部署你的第一個應用

現在，讓我們用剛才學到的 Deployment 與 Service，將我們之前 Docker 化的應用部署到 K8s 上：

# 部署應用（建立 Deployment）
kubectl apply -f deployment.yaml

# 暴露服務（建立 Service）
kubectl apply -f service.yaml

# 查看 Pod 狀態
kubectl get pods -w

# 查看 Service
kubectl get svc

[!TIP] 在 kind 中，由於不是雲端環境，LoadBalancer 類型的 Service 不會自動分配外部 IP。你可以使用 kubectl port-forward 來將叢集內的服務轉發到本機： kubectl port-forward service/my-app-service 3000:80

本日總結

在本章中，你學到了：

1. ✅ Kubernetes 是什麼：一個容器編排平台，管理容器叢集的生命週期
2. ✅ Pod：最小的部署單元，運行一個或多個容器
3. ✅ Deployment：宣告期望狀態，管理 Pod 的滾動更新與伸縮
4. ✅ Service：提供穩定的存取入口，支援 ClusterIP/NodePort/LoadBalancer/Ingress
5. ✅ kind 本地叢集：在本機用 Docker 建立 K8s 測試環境
6. ✅ kubectl 基本操作：get、apply、port-forward、rollout

下一章，我們將真正把一個完整的應用部署到雲端 Kubernetes 叢集上！