Основи Kubernetes: Управління контейнерами, масштабування та автоматизація

Kubernetes (K8s) — це система з відкритим кодом, призначена для автоматизації розгортання, масштабування та управління контейнеризованими додатками. Вона була розроблена Google і передана у 2014 році до управління Cloud Native Computing Foundation (CNCF). Kubernetes дозволяє керувати великими кластерами контейнерів, розподіляючи їх по різних вузлах та забезпечуючи відмовостійкість, доступність і можливість автоматичного масштабування додатків.

У сучасному світі, де додатки стають все більш складними, важливо вміти управляти їх компонентами та забезпечувати надійність роботи. Kubernetes — це потужне рішення для управління розподіленими системами, заснованими на контейнерах.

Основні компоненти та архітектура Kubernetes

Перш ніж зануритися у функціонал Kubernetes (оф. сайт: https://kubernetes.io/), необхідно зрозуміти його основні компоненти та архітектуру. Система поділена на дві основні частини: контрольну площину (Control Plane) та вузли робочих навантажень (Worker Nodes).

Контрольна площина (Control Plane)

Це частина системи, яка керує всім кластером. Вона включає декілька ключових компонентів:

• API-сервер (kube-apiserver): Це основний інтерфейс для взаємодії з кластером Kubernetes. Усі команди та запити (чи то з боку користувача, чи то інших компонентів) проходять через API-сервер.
• Планувальник (kube-scheduler): Цей компонент відповідає за розподіл контейнерів (подів) по вузлах. Планувальник аналізує поточний стан кластера і визначає, на якому вузлі найкраще розмістити новий под, виходячи з доступних ресурсів.
• Контролер (kube-controller-manager): Це набір контролерів, які стежать за станом системи та керують життєвим циклом подів, вузлів, служб та інших ресурсів. Кожен контролер виконує свою задачу, наприклад, контролер вузлів відстежує стан кожного вузла в кластері.
• etcd: Це розподілене сховище даних, яке використовується для зберігання всіх даних про стан кластера, включаючи інформацію про конфігурації, стан подів та вузлів. etcd — це ключова частина системи, оскільки всі компоненти Kubernetes залежать від даних, що в ньому зберігаються.

Вузли робочих навантажень (Worker Nodes)

Worker Nodes — це вузли, на яких безпосередньо запускаються контейнери (поди). Кожен вузол має декілька важливих компонентів:

• Kubelet: Це агент, який працює на кожному вузлі та взаємодіє з контрольною площиною. Kubelet відповідає за запуск контейнерів і слідкує за їх станом.
• Контейнерний рантайм: Це середовище, в якому запускаються контейнери. Kubernetes підтримує декілька контейнерних движків, включаючи Docker, containerd та інші.
• Kube-proxy: Цей компонент відповідає за мережеву взаємодію всередині кластера, маршрутизацію трафіку та балансування навантаження.

Основні концепції та терміни Kubernetes

Для більш глибокого розуміння роботи Kubernetes важливо ознайомитися з ключовими термінами та концепціями:

• Под (Pod): Це базова одиниця розгортання в Kubernetes. Под може містити один або декілька контейнерів, які ділять між собою ресурси (наприклад, файлову систему та мережу). Всі контейнери всередині одного пода запускаються та зупиняються одночасно.
• Служба (Service): Це абстракція, яка визначає набір подів та спосіб їх доступу. Служби забезпечують стабільний доступ до подів, навіть якщо вони переміщуються по вузлах кластера.
• Простір імен (Namespace): Це спосіб логічного розділення ресурсів всередині кластера. Простори імен дозволяють організувати багатокористувацьку роботу та ізоляцію ресурсів.
• Конфігурація (ConfigMap) та Секрети (Secrets): Ці об’єкти використовуються для передачі конфігураційних даних та чутливих даних (наприклад, паролів) у контейнери.
• Сховище (Persistent Volume, PV) та Класи сховищ (Storage Classes): Kubernetes керує сховищами даних, які можуть бути доступні контейнерам. Це важливо для управління станом додатків та даних.

Основні можливості Kubernetes

Тепер, коли ми розібралися з основними компонентами та термінами, давайте розглянемо ключові функції Kubernetes, які роблять його незамінним інструментом для управління сучасними додатками.

Управління контейнерами

Основна функція Kubernetes — це автоматизація управління контейнерами. Він дозволяє запускати контейнери на різних вузлах, стежити за їх станом, забезпечувати їх перезапуск у випадку збоїв та відновлювати працездатність додатків. Kubernetes надає потужні інструменти для управління залежностями між контейнерами та їх ізоляцією.

Автоматичне масштабування

Одна з ключових можливостей Kubernetes — це автоматичне масштабування додатків залежно від навантаження. Kubernetes може масштабувати кількість подів, що запускаються в кластері, щоб адаптуватися до змін вимог до ресурсів. Масштабування може бути налаштовано вручну або автоматично, використовуючи такі метрики, як завантаження процесора або споживання пам’яті.

Балансування навантаження

Kubernetes забезпечує вбудоване балансування навантаження між подами. Це дозволяє розподіляти запити користувачів між усіма доступними екземплярами додатка, що підвищує відмовостійкість і знижує ймовірність перевантаження окремих вузлів.

Самовідновлення

Якщо под або вузол виходить з ладу, Kubernetes автоматично перезапускає контейнери на інших вузлах кластера. Це гарантує, що додаток залишається доступним, навіть якщо частина інфраструктури виходить з ладу. У випадку аварійної ситуації Kubernetes може автоматично переміщувати робочі навантаження на доступні вузли, забезпечуючи відмовостійкість.

Управління станом додатків

Kubernetes дозволяє управляти станом додатків за допомогою StatefulSets. Це особливо важливо для додатків, які потребують збереження стану, наприклад, баз даних або розподілених систем зберігання даних.

Управління конфігураціями та секретами

Kubernetes надає зручні інструменти для управління конфігураціями та секретами. Це дозволяє легко змінювати параметри роботи додатка без необхідності його перезапуску. ConfigMaps і Secrets забезпечують безпеку та гнучкість в управлінні конфіденційними даними та конфігураціями.

Порівняння Kubernetes і Docker: У чому різниця?

Коли мова заходить про управління контейнерами, часто виникає плутанина між Kubernetes і Docker, хоча вони вирішують різні задачі і в цілому доповнюють один одного. Важливо розуміти, що Kubernetes і Docker не є взаємозамінними інструментами, і їх пряме порівняння вимагає детального розгляду їх функцій та призначення.

Що таке Docker?

Docker — це платформа для контейнеризації, яка дозволяє розробникам створювати, відправляти та запускати додатки в контейнерах. Контейнери дозволяють упакувати додаток разом з усіма його залежностями, що робить його незалежним від середовища, в якому він буде працювати. Це полегшує розгортання додатків, робить їх портативними та сприяє стабільності при переміщенні між різними середовищами (наприклад, між локальною розробкою та хмарним сервером).

Docker надає наступні основні можливості:

• Створення контейнерів: Docker дозволяє упакувати додатки в контейнери з використанням “Dockerfile”.
• Запуск контейнерів: Він забезпечує середовище для виконання цих контейнерів.
• Управління контейнерами: Docker CLI та Docker Compose спрощують запуск декількох контейнерів одночасно, керуючи їх конфігураціями та взаємозв’язками.

Docker vs. Kubernetes: Основні відмінності

Тепер давайте більш детально розглянемо ключові відмінності між Docker та Kubernetes:

1. Рівень абстракції
   • Docker надає розробникам інструменти для створення та виконання контейнерів. Це низькорівневий інструмент для створення окремих контейнерів та управління ними. Docker працює з окремими контейнерами або невеликими наборами контейнерів (наприклад, через Docker Compose для багатоконтейнерних додатків).
   • Kubernetes — це платформа для оркестрації, яка керує багатьма контейнерами на кластері серверів. Kubernetes створює більш високий рівень абстракції, управляючи контейнерами та їх зв’язками з вузлами, мережами та сховищами.
2. Масштабування
   • Docker дозволяє запускати декілька контейнерів вручну, але управління великою кількістю контейнерів вимагає додаткових інструментів, таких як Docker Swarm (вбудований оркестратор Docker) або сторонніх рішень.
   • Kubernetes автоматизує масштабування, дозволяючи легко збільшувати або зменшувати кількість подів у залежності від навантаження. При цьому він може автоматично розподіляти навантаження по кількох вузлах і керувати станом додатка на основі заданих політик.
3. Мережеве взаємодія
   • Docker спочатку надає базові мережеві можливості, такі як зв’язок контейнерів через містову мережу або пряме підключення до хоста. Проте більш складні мережеві конфігурації вимагають ручного налаштування та додаткових інструментів.
   • Kubernetes надає складні мережеві моделі, включаючи внутрішні мережі між подами, балансування навантаження та управління зовнішнім трафіком. Він автоматично налаштовує мережу для подів та служб і дозволяє управляти взаємодією між ними на рівні кластерів.
4. Оркестрація та відмовостійкість
   • Docker надає інструменти для управління контейнерами, але для організації відмовостійкості або автоматичного перезапуску контейнерів потрібні додаткові рішення, такі як Docker Swarm або сторонні оркестратори.
   • Kubernetes спочатку розроблявся як система для оркестрації контейнерів. Він слідкує за станом подів, автоматично перезапускає контейнери при збої та перерозподіляє робочі навантаження по вузлах у випадку відмови одного з них.
5. Сховище та постійність даних
   • Docker підтримує роботу з монтуванням томів і дозволяє зберігати дані контейнерів між перезапусками. Проте для управління постійними даними на рівні кластера потрібне додаткове налаштування та ручне управління.
   • Kubernetes надає вбудовані механізми для роботи з постійними томами (Persistent Volumes) та динамічним виділенням сховища (Storage Classes). Це дозволяє ефективно управляти даними, навіть якщо контейнери переміщуються між вузлами.
6. Моделі розгортання
   • Docker краще підходить для невеликих додатків і середовищ розробки. Docker Compose, наприклад, зручний для управління багатоконтейнерними додатками, але не надає складних механізмів для управління великими кластерами.
   • Kubernetes призначений для великих систем і виробничих середовищ. Він підтримує складні схеми розгортання, такі як blue-green, канаркові розгортання та поетапні оновлення (rolling updates).
7. Підтримка екосистеми та інтеграції
   • Docker має власну екосистему інструментів, включаючи Docker Hub, Docker Compose, Docker Swarm, але його функціонал оркестрації контейнерів обмежений.
   • Kubernetes підтримується багатьма хмарними провайдерами та інструментами для моніторингу, логування, автоматизації CI/CD (наприклад, Prometheus, Grafana, Helm та інші). Також Kubernetes інтегрується з багатьма рішеннями для забезпечення безпеки та управління кластером.

Kubernetes та Docker: Разом, а не проти один одного

Слід зазначити, що Kubernetes та Docker не виключають один одного. Більш того, вони часто використовуються спільно. Docker використовується для створення контейнерів та управління їх залежностями, а Kubernetes оркеструє та керує розгортанням цих контейнерів у великих масштабах.

Важливим аспектом є те, що Kubernetes підтримує різні контейнерні движки, не обмежуючись Docker. Незважаючи на це, Docker залишається одним із найпопулярніших інструментів для розробки та створення контейнерів, а Kubernetes використовується для управління цими контейнерами на рівні кластера.

Висновок

• Docker ідеально підходить для розробки та розгортання контейнерів у невеликих системах та середовищах розробки.
• Kubernetes — це платформа для оркестрації контейнерів у великих системах, яка забезпечує автоматичне масштабування, управління станом та відмовостійкість.

Таким чином, Docker та Kubernetes часто використовуються разом, забезпечуючи повний цикл розробки, розгортання та управління контейнерними додатками.

Приклади використання Kubernetes

Kubernetes широко використовується як у великих компаніях, так і у стартапах, надаючи універсальні рішення для роботи з контейнеризованими додатками. Розглянемо декілька прикладів:

Мікросервісні архітектури

Однією з найпоширеніших областей застосування Kubernetes є підтримка мікросервісних архітектур. У такій архітектурі кожен додаток розбивається на невеликі, незалежні сервіси, які взаємодіють один з одним через API. Kubernetes дозволяє керувати розгортанням і масштабуванням цих мікросервісів, що значно спрощує їх обслуговування та оновлення.

Приклад: компанія Spotify використовує мікросервісну архітектуру для управління своїми додатками. Kubernetes допомагає їм автоматизувати розгортання мікросервісів і забезпечувати їх безшовну інтеграцію.

Хмарні обчислення

Kubernetes часто використовується для роботи з хмарними середовищами. Наприклад, такі платформи, як Google Cloud, AWS та Azure, надають інтеграцію з Kubernetes, що дозволяє користувачам легко розгортати та керувати додатками в хмарі.

Приклад: Google Cloud Platform (GCP) пропонує повністю керовану платформу Google Kubernetes Engine (GKE), яка спрощує розгортання та масштабування контейнерних додатків у хмарі.

Забезпечення DevOps-практик

Kubernetes тісно інтегрований з інструментами для автоматизації процесів CI/CD (безперервної інтеграції та безперервного розгортання). Це дозволяє швидко випускати нові версії додатків, автоматизувати тестування та розгортання, а також мінімізувати ризики збоїв.

Приклад: компанія GitLab використовує Kubernetes для управління інфраструктурою та забезпечення безперервної інтеграції і доставки. Це дозволяє їх розробникам швидко розгортати та тестувати нові функції.

Машинне навчання та ШІ

Kubernetes також активно використовується у проектах, пов’язаних з машинним навчанням та штучним інтелектом. Він дозволяє легко керувати розподіленими системами, такими як кластери для навчання моделей ШІ, та забезпечує масштабованість і високу доступність таких систем.

Приклад: Uber використовує Kubernetes для управління своєю платформою машинного навчання Michelangelo, яка забезпечує навчання та розгортання моделей ШІ в режимі реального часу.

Висновок

Kubernetes — це потужна та гнучка платформа, яка стала стандартом для управління контейнерними додатками. Вона надає широкий набір інструментів для автоматизації, масштабування та управління розподіленими системами, що робить її незамінною у сучасному світі DevOps, хмарних обчислень та мікросервісних архітектур.

Завдяки своїй модульній архітектурі та підтримці великої кількості інтеграцій, Kubernetes може використовуватися для вирішення найрізноманітніших завдань, будь то розгортання мікросервісів, управління інфраструктурою машинного навчання або робота з хмарними платформами.