总体来看，Kubernetes API Server的核心功能是提供Kubernetes各类资源对象（如Pod、RC、Service等）的增、删、改、查及Watch等HTTP REST接口，成为集群内各个功能模块之间数据交互和通信的中心枢纽，是整个系统的数据总线和数据中心。除此之外，它还是集群管理的API入口，是资源配额控制的入口，提供了完备的集群安全机制。
Kubernetes API Server通过一个名为kube-apiserver的进程提供服务，该进程运行在Master上。在默认情况下，kube-apiserver进程在本机的8080端口（对应参数--insecure-port）提供REST服务。我们可以同时启动HTTPS安全端口（--secure-port=6443）来启动安全机制，加强REST API访问的安全性。
我们通常通过命令行工具kubectl与Kubernetes API Server交互，它们之间的接口是RESTful API。为了测试和学习Kubernetes API Server提供的接口，我们也可以使用curl命令行工具进行快速验证。
比如，登录Master并运行下面的curl命令，得到以JSON方式返回的Kubernetes API的版本信息：
可以运行下面的命令查看Kubernetes API Server目前支持的资源对象的种类：
根据以上命令的输出，我们可以运行下面的curl命令，分别返回集群中的Pod列表、Service列表、RC列表等：
如果只想对外暴露部分REST服务，则可以在Master或其他节点上运行kubectl proxy进程启动一个内部代理来实现。
运行下面的命令，在8001端口启动代理，并且拒绝客户端访问RC的API：
运行下面的命令进行验证：
kubectl proxy具有很多特性，最实用的一个特性是提供简单有效的安全机制，比如在采用白名单限制非法客户端访问时，只需增加下面这个参数即可：
最后一种方式是通过编程方式调用Kubernetes API Server。具体使用场景又细分为以下两种。
第1种使用场景：运行在Pod里的用户进程调用Kubernetes API，通常用来实现分布式集群搭建的目标。比如下面这段来自谷歌官方的Elasticsearch集群例子中的代码，Pod在启动的过程中通过访问Endpoints的API，找到属于elasticsearch-logging这个Service的所有Pod副本的IP地址，用来构建集群，如图5.1所示。
图5.1 应用程序通过编程方式访问API Server
在上述使用场景中，Pod中的进程是如何知道API Server的访问地址的呢？答案很简单：Kubernetes API Server本身也是一个Service，它的名称就是kubernetes，并且它的ClusterIP地址是ClusterIP地址池里的第1个地址！另外，它所服务的端口是HTTPS端口443，通过kubectl get service命令可以确认这一点：
第2种使用场景：开发基于Kubernetes的管理平台。比如调用Kubernetes API来完成Pod、Service、RC等资源对象的图形化创建和管理界面，此时可以使用Kubernetes及各开源社区为开发人员提供的各语言版本的Client Library。后面会介绍通过编程方式访问API Server的一些细节技术。
由于API Server是Kubernetes集群数据的唯一访问入口，因此安全性与高性能成为API Server设计和实现的两大核心目标。通过采用HTTPS安全传输通道与CA签名数字证书强制双向认证的方式，API Server的安全性得以保障。此外，为了更细粒度地控制用户或应用对Kubernetes资源对象的访问权限，Kubernetes启用了RBAC访问控制策略，之后会深入讲解这一安全策略。
API Server的性能是决定Kubernetes集群整体性能的关键因素，因此Kubernetes的设计者综合运用以下方式来最大程度地保证API Server的性能。
（1）API Server拥有大量高性能的底层代码。在API Server源码中使用协程（Coroutine）+队列（Queue）这种轻量级的高性能并发代码，使得单进程的API Server具备超强的多核处理能力，从而以很快的速度并发处理大量的请求。
（2）普通List接口结合异步Watch接口，不但完美解决了Kubernetes中各种资源对象的高性能同步问题，也极大提升了Kubernetes集群实时响应各种事件的灵敏度。
（3）采用了高性能的etcd数据库而非传统的关系数据库，不仅解决了数据的可靠性问题，也极大提升了API Server数据访问层的性能。在常见的公有云环境中，一个3节点的etcd集群在轻负载环境中处理一个请求的时间可以少于1ms，在重负载环境中可以每秒处理超过30000个请求。
正是由于采用了上述提升性能的方法，API Server可以支撑很大规模的Kubernetes集群。目前Kubernetes 1.19版本的集群可支持的最大规模如下：
◎ 最多支持5000个Node；
◎ 最多支持150000个Pod；
◎ 每个Node最多支持100个Pod；
◎ 最多支持300000个容器。
API Server架构从上到下可以分为以下几层，如图5.2所示。
（1）API层：主要以REST方式提供各种API接口，除了有Kubernetes资源对象的CRUD和Watch等主要API，还有健康检查、UI、日志、性能指标等运维监控相关的API。Kubernetes从1.11版本开始废弃Heapster监控组件，转而使用Metrics Server提供Metrics API接口，进一步完善了自身的监控能力。
（2）访问控制层：当客户端访问API接口时，访问控制层负责对用户身份鉴权，验明用户身份，核准用户对Kubernetes资源对象的访问权限，然后根据配置的各种资源访问许可逻辑（Admission Control），判断是否允许访问。
（3）注册表层：Kubernetes把所有资源对象都保存在注册表（Registry）中，针对注册表中的各种资源对象都定义了资源对象的类型、如何创建资源对象、如何转换资源的不同版本，以及如何将资源编码和解码为JSON或ProtoBuf格式进行存储。
（4）etcd数据库：用于持久化存储Kubernetes资源对象的KV数据库。etcd的Watch API接口对于API Server来说至关重要，因为通过这个接口，API Server创新性地设计了List-Watch这种高性能的资源对象实时同步机制，使Kubernetes可以管理超大规模的集群，及时响应和快速处理集群中的各种事件。
图5.2 API Server的架构
从本质上看，API Server与常见的MIS或ERP系统中的DAO模块类似，可以将主要处理逻辑视作对数据库表的CRUD操作。这里解读API Server中资源对象的List-Watch机制。图5.3以一个完整的Pod调度过程为例，对API Server的List-Watch机制进行说明。
图5.3 Pod调度过程中的List-Watch机制
首先，借助etcd提供的Watch API接口，API Server可以监听（Watch）在etcd上发生的数据操作事件，比如Pod创建事件、更新事件、删除事件等，在这些事件发生后，etcd会及时通知API Server。图5.3中API Server与etcd之间的交互箭头表明了这个过程：当一个ReplicaSet对象被创建并保存到etcd中后（图中的2.Create RepliatSet箭头），etcd会立即发送一个对应的Create事件给API Server（图中的3.Send RepliatSet Create Event箭头），与其类似的6、7、10、11箭头都针对Pod的创建、更新事件。
然后，为了让Kubernetes中的其他组件在不访问底层etcd数据库的情况下，也能及时获取资源对象的变化事件，API Server模仿etcd的Watch API接口提供了自己的Watch接口，这样一来，这些组件就能近乎实时地获取自己感兴趣的任意资源对象的相关事件通知了。图5.3中的controller-manager、scheduler、kubelet等组件与API Server之间的3个标记为“List-Watch”的虚线框表明了这个过程。同时，在监听自己感兴趣的资源时，客户端可以增加过滤条件，以List-Watch 3为例，node1节点上的kubelet进程只对自己节点上的Pod事件感兴趣。
最后，Kubernetes List-Watch用于实现数据同步的代码逻辑。客户端首先调用API Server的List接口获取相关资源对象的全量数据并将其缓存到内存中，然后启动对应资源对象的Watch协程，在接收到Watch事件后，再根据事件的类型（比如新增、修改或删除）对内存中的全量资源对象列表做出相应的同步修改。从实现上来看，这是一种全量结合增量的、高性能的、近乎实时的数据同步方式。
在资源对象的增删改操作中，最复杂的应该是“改（更新）”操作了，因为关键的一些资源对象都是有状态的对象，例如Pod、Deployment等。很多时候，我们只需修改已有的某个资源对象的某些属性，并保持其他属性不变，对于这样特殊又实用的更新操作，Kubernetes最初是通过命令行实现的，并通过kubectl apply命令实现资源对象的更新操作，用户无须提供完整的资源对象YAML文件，只需将要修改的属性写入YAML文件中提交命令即可，但这也带来一些新的问题：
◎ 如果用户希望通过编程方式提供与kubectl apply一样的功能，则只能自己开发类似的代码或者只能调用Go语言的kubectl apply模块来实现；
◎ kubectl命令行自己实现的这种Patch的代码随着Kubernetes资源对象版本的不断增加，变得越来越复杂，在兼容性和代码维护方面变得越来越复杂。
因此，Kubernetes从1.14版本开始引入Server-side apply特性，即在API Server中完整实现kubectl apply的能力，到1.18版本时更新到Beta阶段，新版本将跟踪并管理所有新Kubernetes对象的字段变更，确保用户及时了解哪些资源在何时进行过更改。
接下来说说API Server中的另一处精彩设计。我们知道，对于不断迭代更新的系统，对象的属性一定是在不断变化的，API接口的版本也在不断升级，此时就会面临版本问题，即同一个对象不同版本之间的数据转换问题及API接口版本的兼容问题。后面这个问题解决起来比较容易，即定义不同的API版本号（比如v1alpha1、v1beta1）来加以区分，但前面的问题就有点麻烦了，比如数据对象经历v1alpha1、v1beta1、v1beta1、v1beta2等变化后最终变成v1版本，此时该数据对象存在5个版本，如果这5个版本之间的数据两两直接转换，就存在很多逻辑组合，变成一种典型的网状网络，如图5.4所示，为此我们不得不增加很多重复的转换代码。
上述直接转换的设计模式还存在另一个不可控的变数，即每增加一个新的对象版本，之前每个版本的对象就都需要增加一个到新版本对象的转换逻辑。如此一来，对直接转换的实现就更难了。于是，API Server针对每种资源对象都引入了一个相对不变的internal版本，每个版本只要支持转换为internal版本，就能够与其他版本进行间接转换。于是对象版本转换的拓扑图就简化成了如图5.5所示的星状图。
图5.4 对象版本转换的拓扑图
本节最后简单说说Kubernetes中的CRD在API Server中的设计和实现机制。根据Kubernetes的设计，每种官方内建的资源对象如Node、Pod、Service等的实现都包含以下主要功能。
（1）资源对象的元数据（Schema）的定义：可以将其理解为数据库Table的定义，定义了对应资源对象的数据结构，官方内建资源对象的元数据定义是固化在源码中的。
（2）资源对象的校验逻辑：确保用户提交的资源对象的属性的合法性。
（3）资源对象的CRUD操作代码：可以将其理解为数据库表的CRUD代码，但比后者更难，因为API Server对资源对象的CRUD操作都会保存到etcd数据库中，对处理性能的要求也更高，还要考虑版本兼容性和版本转换等复杂问题。
（4）资源对象相关的“自动控制器”（如RC、Deployment等资源对象背后的控制器）：这是很重要的一个功能。Kubernetes是一个以自动化为核心目标的平台，用户给出期望的资源对象声明，运行过程中由资源背后的“自动控制器”确保对应资源对象的数量、状态、行为等始终符合用户的预期。
类似地，每个自定义CRD的开发人员都需要实现上面的功能。为了降低编程难度与工作量，API Server的设计者们做出了大量努力，使得直接编写YAML定义文件即可实现以上前3个功能。对于唯一需要编程的第4个功能，由于API Server提供了大量的基础API库，特别是易用的List-Watch的编程框架，所以CRD自动控制器的编程难度大大降低。
图5.5 星状图
前面讲到，Kubernetes API Server最主要的REST接口是资源对象的增、删、改、查接口，除此之外，它还提供了一类很特殊的REST接口—Kubernetes Proxy API接口，这类接口的作用是代理REST请求，即Kubernetes API Server把收到的REST请求转发到某个Node上的kubelet守护进程的REST端口，由该kubelet进程负责响应。
首先说说Kubernetes Proxy API里关于Node的相关接口。该接口的REST路径为/api/v1/nodes/{name}/proxy，其中{name}为节点的名称或IP地址，包括以下几个具体接口：
例如，当前Node的名称为k8s-node-1，用以下命令即可获取在该节点上运行的所有Pod：
需要说明的是，这里获取的Pod的信息数据来自Node而非etcd数据库，所以两者可能在某些时间点有所偏差。此外，如果kubelet进程在启动时包含--enable-debugging-handlers=true参数，那么Kubernetes Proxy API还会增加下面的接口：
接下来说说Kubernetes Proxy API里关于Pod的相关接口，通过这些接口，我们可以访问Pod里某个容器提供的服务（如Tomcat在8080端口的服务）：
下面用第1章Java Web例子中的Tomcat Pod来说明上述Proxy接口的用法。
首先，得到Pod的名称：
然后，运行下面的命令，会输出Tomcat的首页，即相当于访问http：//localhost：8080/：
我们也可以在浏览器中访问上面的地址，比如Master的IP地址是192.168.18.131，我们在浏览器中输入http：//<apiserver-ip>：<apiserver-port>/api/v1/namespaces/default/pods/myweb-g9pmm/proxy，就能够访问Tomcat的首页了；而如果输入/api/v1/namespaces/default/pods/myweb-g9pmm/proxy/demo，就能访问Tomcat中Demo应用的页面了。
看到这里，你可能明白Pod的Proxy接口的作用和意义了：在Kubernetes集群之外访问某个Pod容器的服务（HTTP服务）时，可以用Proxy API实现，这种场景多用于管理目的，比如逐一排查Service的Pod副本，检查哪些Pod的服务存在异常。
最后说说Service。Kubernetes Proxy API也有Service的Proxy接口，其接口定义与Pod的接口定义基本一样：/api/v1/namespaces/{namespace}/services/{name}/proxy。比如，若我们想访问myweb服务的/demo页面，则可以在浏览器中输入http：//<apiserver-ip>：<apiserver-port>/api/v1/namespaces/default/services/myweb/proxy/demo/。
从图5.6可以看出，Kubernetes API Server作为集群的核心，负责集群各功能模块之间的通信。集群内的各个功能模块通过API Server将信息存入etcd中，当需要获取和操作这些数据时，则通过API Server提供的REST接口（用GET、LIST或WATCH方法）来实现，从而实现各模块之间的信息交互。
常见的一个交互场景是kubelet进程与API Server的交互。每个Node上的kubelet每隔一个时间周期就会调用一次API Server的REST接口报告自身状态，API Server在接收到这些信息后，会将节点状态信息更新到etcd中。此外，kubelet也通过API Server的Watch接口监听Pod信息，如果监听到新的Pod副本被调度绑定到本节点，则执行Pod对应的容器创建和启动逻辑；如果监听到Pod对象被删除，则删除本节点上相应的Pod容器；如果监听到修改Pod的信息，kubelet就会相应地修改本节点的Pod容器。
图5.6 Kubernetes结构图
另一个交互场景是kube-controller-manager进程与API Server的交互。kube-controller-manager中的Node Controller模块通过API Server提供的Watch接口实时监控Node的信息，并做相应的处理。
还有一个比较重要的交互场景是kube-scheduler与API Server的交互。Scheduler在通过API Server的Watch接口监听到新建Pod副本的信息后，会检索所有符合该Pod要求的Node列表，开始执行Pod调度逻辑，在调度成功后将Pod绑定到目标节点上。
为了缓解集群各模块对API Server的访问压力，各功能模块都采用了缓存机制来缓存数据。各功能模块定时从API Server上获取指定的资源对象信息（通过List-Watch方法），然后将这些信息保存到本地缓存中，功能模块在某些情况下不直接访问API Server，而是通过访问缓存数据来间接访问API Server。
我们知道，在Kubernetes集群中，Node上的kubelet和kube-proxy组件都需要与kube-apiserver通信。为增加传输安全性而采用HTTPS方式时，需要为每个Node组件都生成kube-apiserver用的CA签发的客户端证书，但规模较大时，这种客户端证书的颁发需要大量的工作，同样会增加集群扩展的复杂度。为了简化流程，Kubernetes引入了TLS Bootstraping机制来自动颁发客户端证书，为此增加了一种名为Bootstrap Token的特殊Token，在1.18版本时Bootstrap Token成为正式稳定特性。
Kubernetes的一些功能特性也与公有云提供商密切相关，例如负载均衡服务、弹性公网IP、存储服务等，具体实现都需要与API Server通信，也属于运营商内部重点保障的安全区域。此外，公有云提供商提供Kubernetes服务时，考虑到安全问题，会要求以API Server为核心的Master节点的网络与承载客户应用的Node节点的网络实现某种程度的“安全隔离”。为此，API Server增加了SSH安全通道的相关代码，让公有云提供商可以通过这个SSH安全通道实现API Server相关的服务接口调用，但这也使得API Server变得臃肿，带来了升级、部署及演进的额外负担。之后，Kubernetes社区给出了全新的API Server Network Proxy特性的设计思路，这一特性于Kubernetes 1.16 版本时进入Alpha阶段，于1.17版本时达到Beta阶段。
API Server Network Proxy的核心设计思想是将API Server放置在一个独立的网络中，与Node节点的网络相互隔离，然后增加独立的Network Proxy进程来解决这两个网络直接的连通性（Connectivity）问题，如图5.7所示。
图5.7 API Server Network Proxy的核心设计思想示意图
当前Beta版本的具体实现方式是在Master节点的网络里部署Konnectivity Server，同时在Node节点的网络里部署Konnectivity Agent，两者之间建立起安全链接，对通信协议可以采用标准的HTTP或者gRPC，此设计允许Node节点网络被划分为多个独立的分片，这些分片都通过Konnectivity Server/Agent建立的安全链接与API Server实现点对点的连通。
引入API Server Network Proxy机制以实现Master网络与Node网络的安全隔离的做法，具有以下优势。
（1）Connectivity proxy（Konnectivity Server/Agent）可以独立扩展，不会影响到API Server的发展，集群管理员可以部署适合自己的各种Connectivity proxy的实现，具有更好的自主性和灵活性。
（2）通过采用自定义的Connectivity proxy，也可以实现VPN网络的穿透等高级网络代理特性，同时访问API Server的所有请求都可以方便地被Connectivity proxy记录并审计分析，这进一步提升了系统的安全性。
（3）这种网络代理分离的设计将Master网络与Node网络之间的连通性问题从API Server中剥离出来，提升了API Server代码的内聚性，降低了API Server的代码复杂性，也有利于进一步提升API Server的性能和稳定性。同时，Connectivity proxy崩溃时也不影响API Server的正常运行，API Server仍然可以正常提供其主要服务能力，即资源对象的CRUD服务。