从零搭建一个单节点 K8S 可观测实验室（一）：从 Ubuntu 24.04 开始

最近准备把前段时间自己搭过的一套环境整理成系列文章：从零搭建一个单节点 K8S 可观测实验室。

这个系列不是为了搭一个生产级 Kubernetes 集群，也不是为了追求复杂架构，而是想从一台普通的本地虚拟机开始，逐步搭出一个可以长期使用的个人技术实验室。

它可以用来研究 Kubernetes、Docker、Linux 网络、可观测系统、CI/CD，也可以用来验证一些平时在文档里看到但没有真正动手做过的东西。

这一篇先从最基础的部分开始：在 Windows 11 上使用 VirtualBox 安装 Ubuntu 24.04 Server 虚拟机。

一、为什么要搭一个单节点 K8S 可观测实验室？

很多技术概念，单独看文档时好像能理解，但真正要把它们串起来，就会发现中间有很多断点。

比如 Kubernetes 负责运行应用，Prometheus 负责采集指标，Grafana 负责展示，Loki 负责收集日志，Tempo 负责链路追踪，OpenTelemetry 负责把应用里的观测数据送出来。

这些组件单独看都不算难，但真正有价值的是把它们连成一条完整链路：

应用运行在 Kubernetes 里 -> 产生指标、日志、Trace -> 被采集、存储、查询、展示 -> 帮助我们观察系统、定位问题、验证改动

所以我想搭一个小型实验室，把这些东西放在同一个环境里慢慢研究。

单节点的好处是成本低、可控、方便重装。即使搭坏了，也可以直接删掉虚拟机重来。对个人学习和技术验证来说，这种环境反而很合适。

二、这个系列大致会包括什么？

这个系列后续大致会围绕几个方向展开，具体内容可能会根据实际搭建过程调整。

大致包括：

• 在 VirtualBox 里安装 Ubuntu 24.04 Server

• 在 Ubuntu 上安装单节点 Kubernetes

• 安装 Prometheus + Grafana，观察集群指标

• 安装 Loki + Fluent Bit，收集 Kubernetes 日志

• 安装 Tempo + OpenTelemetry，跑通最小链路追踪 Demo

• 接入 Jenkins 或 GitHub Actions，尝试 CI/CD 流程

• 做一些简单压测、告警和故障验证

• 总结这个实验室如何用于后续研究、表达和技术积累

这里不会一开始就追求“大而全”，而是尽量从一个能跑起来、能看见现象、能反复实验的环境开始。

三、这个实验室后续还能用来做什么？

虽然这个系列的主线是 Kubernetes 和可观测，但这台虚拟机后续其实可以扩展出很多方向。

1. 从虚拟机到容器，再到 Kubernetes

这个环境本身就包含了一条很典型的技术链路：

Windows 11 宿主机 -> VirtualBox 虚拟机 -> Ubuntu 24.04 Server -> containerd / Docker -> Kubernetes Pod

通过这条链路，可以顺着理解虚拟机、Linux、容器和 Kubernetes 之间的关系。

比如，VM 和容器到底有什么区别？Docker 和 Kubernetes 是什么关系？容器里的 root 和宿主机 root 是不是一回事？privileged 容器为什么会带来安全风险？

这些问题光看概念容易模糊，自己搭一个环境之后，就可以慢慢实验和验证。

2. 学习 Kubernetes 配置、权限和安全边界

单节点环境虽然不是生产环境，但非常适合学习 Kubernetes 的基础资源和权限模型。

比如 Pod、Service、ConfigMap、Secret、Volume、Namespace、ServiceAccount、RBAC、Security Context 等，都可以在这个环境里反复尝试。

尤其是权限相关内容，平时看起来比较抽象，但实际操作后会更容易理解：什么情况下容器权限不够，什么情况下权限又给得太大，为什么生产环境要限制 privileged 容器和 HostPath 挂载。

3. 增加网卡后，可以继续研究网络

如果后面给虚拟机增加更多网卡，还可以继续研究 Linux 网络和 Kubernetes 网络。

比如 NAT、Host-Only、Bridge、路由表、iptables/nftables、tcpdump 抓包、CNI、Service 访问路径等，都可以在这个基础环境上继续展开。

如果进一步深入高性能网络方向，还可以把它和 SR-IOV、DPDK、HugePages、CPU 亲和性、NUMA 等概念关联起来。

当然，VirtualBox 本身不是做高性能网络实验的最佳环境。如果真的要研究 DPDK、SR-IOV 或网卡直通，后面最好还是使用物理机、KVM/QEMU 或更专业的虚拟化环境。

但作为入门和概念验证，这个实验室已经足够有价值。

4. 有 GPU 后，可以扩展到 AI 部署

如果后面有合适的 GPU 资源，还可以把这个实验室扩展到 AI 应用部署。

比如部署一个简单的模型 API、Embedding 服务、Ollama、vLLM 或其他推理服务，再配合 Prometheus、Grafana、日志和 Trace 去观察它的运行状态。

GPU 资源调度、NVIDIA Container Toolkit、Kubernetes Device Plugin、显存监控这些内容，也可以作为后续扩展方向。

不过 GPU 相关实验对硬件和虚拟化环境要求更高，VirtualBox 并不是最理想的 GPU 透传方案。所以第一阶段还是先把 Linux、Kubernetes、可观测和 CI/CD 这条主线跑通。

四、实验环境说明

本文使用的环境是：

宿主机：Windows 11 虚拟化软件：Oracle VirtualBox 虚拟机系统：Ubuntu 24.04 LTS Server

虚拟机配置建议：

CPU：2 核 内存：4GB 起步 硬盘：50GB 以上，建议 100GB

我这里直接给了 100GB 硬盘空间，主要是为了避免后面安装 Kubernetes 镜像、Prometheus、Loki、Tempo 等组件后空间不够，还要再折腾扩容。

Ubuntu 这里选择 24.04 LTS，而不是追最新版本。原因很简单：这个实验室的重点是学习 Kubernetes 和可观测系统，底层操作系统先选择一个稳定的 LTS 版本更合适。

五、下载并安装 VirtualBox

先到 VirtualBox 官网下载 Windows 版本安装包：

https://www.virtualbox.org/wiki/Downloads

安装完成后，建议使用管理员模式启动 VirtualBox。

这样后面创建虚拟机、配置 Host-Only 网络时，可以减少一些权限相关的问题。

六、下载 Ubuntu 24.04 Server ISO

到 Ubuntu Server 官网下载 Ubuntu 24.04 LTS Server ISO：

https://ubuntu.com/download/server

本文使用的是类似下面这样的 ISO 文件：

ubuntu-24.04.4-live-server-amd64.iso

下载完成后，先放在一个固定目录里备用。

七、创建 Ubuntu 虚拟机

打开 VirtualBox，选择菜单：

控制 -> 新建

填写虚拟机基本信息：

名称：Ubuntu24.04S 文件夹：默认，或者自己指定一个目录 虚拟光盘：选择刚才下载的 ubuntu-24.04.4-live-server-amd64.iso 操作系统版本：Ubuntu 24.04 LTS

这里有一个比较重要的选项：

继续进行无人值守安装

建议取消勾选。

无人值守安装虽然方便，但有时候容易引入一些不符合预期的配置。对于实验环境来说，手动安装一遍反而更稳，也能顺便熟悉 Ubuntu Server 的安装流程。

八、指定虚拟硬件

点击“指定虚拟硬件”。

建议配置：

内存：4096 MB 处理器：2

Kubernetes 和后面的可观测组件都比较吃资源，尤其 Prometheus、Grafana、Loki、Tempo 都跑起来之后，内存太小会比较难受。

如果电脑资源允许，内存给 4GB 起步会比较合适。

九、指定虚拟硬盘

点击“指定虚拟硬盘”。

硬盘空间可以按自己情况设置。

我这里设置成：

100 GB

如果你的电脑磁盘空间比较紧张，也可以先给 50GB。

设置完成后，点击“完成”。

十、配置第二块网卡：Host-Only 网络

虚拟机创建完成后，不要急着启动。

先点击：

设置 -> 网络

默认情况下，网卡 1 一般是 NAT，用于虚拟机访问外网。

这里我们再启用一块网卡，用于 Windows 宿主机通过 SSH 连接 Ubuntu 虚拟机。

选择：

网卡 2

配置如下：

启用网络连接：勾选 连接方式：仅主机（Host-Only）网络

这样配置后，虚拟机会有两类网络：

NAT 网络：用于虚拟机访问互联网 Host-Only 网络：用于宿主机 SSH 连接虚拟机

这一步很重要。后面大部分操作都会通过 SSH 连接进去完成，而不是一直在 VirtualBox 的控制台窗口里敲命令。

十一、启动虚拟机并开始安装 Ubuntu

点击“启动”。

第一次启动时，VirtualBox 可能会弹出一些键盘、鼠标捕获相关提示，可以先看一下，然后把通知清掉。

进入 Ubuntu 安装界面后，开始安装。

十二、选择安装语言

安装界面一般没有中文选项，直接选择：

English

回车继续。

十三、是否更新安装器

接下来会提示是否更新安装器。

为了节省时间，可以选择：

Continue without updating

系统安装完成后，我们后面会统一执行更新，所以这里不更新也没关系。

十四、选择键盘布局

键盘布局保持默认即可。

选择：

Done

十五、选择安装类型

这里选择：

Ubuntu Server

如果你的磁盘或内存非常紧张，也可以选择：

Ubuntu Server (minimized)

不过 minimized 版本会少一些常用包，后面可能需要自己补装。

为了减少不必要的问题，我这里选择标准的 Ubuntu Server。

十六、配置网络

网络配置页面一般不用改，保持默认即可。

选择：

Done

十七、配置代理

如果你的网络环境需要 HTTP 代理，可以在这里填写代理地址，格式类似：

http://proxy_ip_address:proxy_port

例如：

http://192.168.1.1:8080

如果不需要代理，直接选择：

Done

十八、配置 Ubuntu 镜像源

默认镜像源一般可以直接使用。

如果你在国内，遇到下载速度慢或者连接失败，也可以换成国内镜像源，例如：

https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/ubuntu/

配置完成后，选择：

Done

十九、磁盘分区配置

磁盘布局保持默认即可。

选择：

Done

下一页会显示最终的磁盘分区配置，也保持默认：选择：

Done

随后系统会提示这是一个破坏性操作，会格式化虚拟硬盘。

选择：

Continue

这里格式化的是虚拟机自己的虚拟硬盘，不会影响 Windows 宿主机硬盘。

二十、创建用户

接下来填写用户信息。

我这里实验环境使用的是：

Your name: vboxuser Your server's name: vbox-ubuntu24-server Pick a username: vboxuser Choose a password: 123456 Confirm your password: 123456

这里的123456只是本地实验环境的演示密码。真实环境不要使用这种弱密码，更不要把弱密码机器暴露到公网。

填写完成后，选择：

Done

二十一、是否启用 Ubuntu Pro

这里选择：

Skip for now

然后选择：

Continue

二十二、安装 OpenSSH Server

这一步非常重要。

安装界面会问是否安装 SSH Server。

用空格选中：

Install OpenSSH Server

这里也可以导入 SSH key，不过为了简化实验流程，我这里暂时不导入，后面直接用密码登录。

选择：

Done

二十三、选择 Server 可选组件

这里一个都不用选。

后面 Kubernetes、Prometheus、Grafana、Loki、Tempo 等组件，我们都会自己安装和配置。

直接选择：

Done

二十四、等待系统安装完成

接下来 Ubuntu 会正式开始安装。

如果想看详细日志，可以选择：

View full log

安装完成后，选择：

Reboot now

二十五、重启前释放安装光盘

重启时需要注意：

如果提示移除安装介质，就在 VirtualBox 里释放 Ubuntu ISO 光盘。

可以在 VirtualBox 菜单里找到类似：

设备 -> 光驱 -> 移除虚拟盘

否则可能会再次进入安装界面。

二十六、登录 Ubuntu Server

重启完成后，会进入 Ubuntu 登录界面。

有时候登录界面上会夹杂一些系统日志输出，看起来比较乱，这个没关系，按一下回车即可。

看到类似提示：

vbox-ubuntu24-server login:

输入用户名：

vboxuser

然后输入密码：

123456

登录成功后，就会进入 Ubuntu Server 命令行环境。

二十七、查找 Host-Only 网卡 IP 地址

接下来需要找到虚拟机的 Host-Only 网络 IP，用于 Windows 上的 SSH 连接。

在 Ubuntu 里执行：

ip a s | grep 192.168

我这台机器分到的地址是：

192.168.56.103

你的地址可能不一样，比如：

192.168.56.101 192.168.56.102 192.168.56.104

只要是192.168.56.x这一类地址，一般就是 VirtualBox Host-Only 网络地址。

二十八、使用 SSH 登录 Ubuntu 虚拟机

Windows 上可以直接使用 PowerShell 自带的 SSH，也可以使用 PuTTY、MobaXterm、Tabby、Termius 等工具。

这里我使用 PuTTY。

PuTTY 下载地址：

https://putty.org/index.html

打开 PuTTY 后，在 Host Name 里填写刚才查到的 IP，例如：

192.168.56.103

端口保持默认：

22

连接类型选择：

SSH

如果想保存会话，可以在 Saved Sessions 里填写一个名字，例如：

VBox_Ubuntu24.04

然后点击：

Save

这样以后就不用每次都手动输入 IP 了。

最后点击：

Open

第一次连接时，如果遇到 Host Key 验证提示，点击：

Accept

然后在登录提示后输入用户名：

login as: vboxuser

再输入密码：

vboxuser@192.168.56.103's password: 123456

看到 Ubuntu 命令行提示符后，就说明 SSH 登录成功了。

后面大部分操作都可以在 SSH 终端里完成，便于直接复制粘贴命令，输出等内容。

二十九、可选：配置 HTTP 代理

如果你的网络环境需要代理访问 GitHub、Docker Hub 或某些软件源，可以配置 HTTP 代理环境变量。

编辑/etc/profile：

sudo vi /etc/profile

在文件最后追加：

export https_proxy=http://proxy_ip_address:proxy_port export http_proxy=http://proxy_ip_address:proxy_port export ftp_proxy=http://proxy_ip_address:proxy_port export no_proxy=127.0.0.1,localhost,192.168.56.0/24,192.168.31.0/24

保存后执行：

source /etc/profile

检查代理是否生效：

echo $http_proxy echo $https_proxy echo $no_proxy

有些安装命令需要sudo，默认情况下 sudo 可能不会保留当前用户的代理环境变量。

建议使用visudo修改 sudoers 配置：

sudo visudo

找到类似下面这一行：

#Defaults:%sudo env_keep += "http_proxy https_proxy ftp_proxy all_proxy no_proxy"

把前面的#去掉：

Defaults:%sudo env_keep += "http_proxy https_proxy ftp_proxy all_proxy no_proxy"

保存退出。

注意：不要直接随意编辑/etc/sudoers。如果 sudoers 文件格式写错，可能会导致 sudo 无法使用。visudo会在保存前做语法检查，更安全。

三十、更新 Ubuntu 24.04 系统组件

安装完成后，先更新软件包索引：

sudo apt update

然后升级已有组件：

sudo apt upgrade -y

如果看到类似下面的提示：

The following upgrades have been deferred due to phasing: fwupd

一般不用紧张。这是 Ubuntu 的 phased updates 机制，表示部分更新正在分批推送。对于实验环境来说，通常可以先忽略，后面再更新即可。

升级完成后，可以重启一次虚拟机：

sudo reboot

重启后再次用 PuTTY 登录即可。

三十一、这一篇完成了什么？

到这里，单节点 K8S 可观测实验室的第一步就完成了。

我们已经完成了：

• 安装 VirtualBox

• 下载 Ubuntu 24.04 Server ISO

• 创建 Ubuntu Server 虚拟机

• 配置 NAT + Host-Only 双网卡

• 手动安装 Ubuntu 24.04 Server

• 启用 OpenSSH Server

• 从 Windows 使用 SSH 登录 Ubuntu

• 可选配置 HTTP 代理

• 更新 Ubuntu 系统组件

这一步看起来比较基础，但它是后面所有实验的地基。

后续 Kubernetes、Prometheus、Grafana、Loki、Tempo、OpenTelemetry、CI/CD 等内容，都会建立在这台 Ubuntu Server 虚拟机上。

下一篇开始，就可以在 Ubuntu 24.04 上安装单节点 Kubernetes 了。