- Что такое Kubernetes
- Принцип работы Kubernetes
- Архитектура Kubernetes
- Другие ключевые понятия и термины Kubernetes
- Для каких задач используется Kubernetes
- Преимущества Kubernetes
- Недостатки Kubernetes
- Как начать работу с Kubernetes
- Заключение
Современные технологии стремительно меняются, и эффективное управление приложениями становится все более сложной задачей. Так как требования к масштабируемости, надежности и скорости разработки растут семимильными шагами, компаниям необходимы инструменты, которые помогают автоматизировать процессы и упрощают управление инфраструктурой.
В этой статье мы рассмотрим основные моменты, которые важно учитывать при работе с одной из самых популярных платформ для контейнеризации и оркестрации — Kubernetes.
Что такое Kubernetes
Kubernetes — это открытая платформа для оркестрации контейнеров, которая предназначена для автоматизации развертывания, управления и масштабирования контейнерных приложений. Она была создана компанией Google и в 2014 году передана в распоряжение сообщества под управлением Cloud Native Computing Foundation (CNCF).
Kubernetes упрощает работу с приложениями, запущенными в контейнерах, позволяя описывать желаемое состояние системы, а затем самостоятельно приводить ее к этому состоянию. Платформа отслеживает распределение ресурсов, управляет конфигурацией и обеспечивает устойчивую работу приложений в масштабируемой среде.
Принцип работы Kubernetes
Kubernetes работает на основе заранее подготовленных конфигураций, в которых описывается, как должны взаимодействовать все части многокомпонентного приложения, сколько экземпляров каждого компонента требуется, а также основные сценарии поведения системы при изменениях нагрузки или сбоях.
Разработчики размещают образы контейнеров в специальном реестре и создают конфигурационные файлы, которые отражают желаемое состояние приложения. Чтобы запустить приложение, эту конфигурацию передают Kubernetes.
Далее платформа анализирует полученные инструкции, сопоставляет требования нового приложения с уже работающими на кластере сервисами и доступными ресурсами.
Затем Kubernetes:
- Находит подходящие вычислительные ресурсы для запуска контейнеров, учитывая их специфические потребности (например, наличие GPU).
- Загружает образы из реестра, запускает новые контейнеры и обеспечивает их связь между собой и с необходимыми ресурсами, например, постоянным хранилищем данных.
После запуска Kubernetes непрерывно отслеживает текущее состояние приложения. Если фактическое состояние расходится с желаемым, система автоматически вносит необходимые изменения: перезапускает контейнеры в случае сбоя, перераспределяет их при выходе узла из строя или масштабирует сервис при росте нагрузки, следуя заранее заданным правилам в конфигурации. Таким образом, Kubernetes поддерживает работоспособность и стабильность приложения практически без вмешательства человека.
Архитектура Kubernetes
Kubernetes построен по принципу кластера, который состоит из двух основных частей: управляющей плоскости и рабочих узлов.
Кластер Kubernetes — это группа серверов (физических или виртуальных), которые объединены для совместного развертывания и управления приложениями. Все компоненты кластера взаимодействуют друг с другом по единому API. Главная задача кластера — автоматически запускать, контролировать и масштабировать приложения в виде контейнеров.
Узлы
Узел — это физическая или виртуальная машина, в которой запущены компоненты, обеспечивающие работу подов:
- Container runtime — программное обеспечение, которое запускает контейнеры (например, containerd, CRI-O).
- Kubelet — агент, установленный на каждом узле. Следит за состоянием контейнеров и взаимодействует с управляющей плоскостью.
- Kube-proxy — сетевой прокси. Поддерживает правила маршрутизации и обеспечивает сетевую связность между подами и сервисами.
Поды
Под — минимальная единица развертывания в Kubernetes. Это группа одного или нескольких контейнеров, которые работают на одном узле, имеют общее хранилище, сеть и конфигурацию.
Есть два основных способа использования подов:
- Один контейнер на под — самый распространенный случай: под действует как оболочка для одного контейнера.
- Несколько контейнеров в одном поде — контейнеры тесно связаны и должны совместно работать, например, sidecar-контейнеры.
Управляющая плоскость
Управляющая плоскость отвечает за принятие решений по управлению кластером: где и когда запускать поды, как масштабировать приложения, что делать при сбоях.
Основные компоненты:
- API Server — основной интерфейс управления Kubernetes. Принимает команды от пользователей и других компонентов.
- etcd — распределенное хранилище ключ-значение. Сохраняет все состояние кластера: конфигурации, манифесты, текущие данные.
- Scheduler — назначает новые поды на подходящие узлы, исходя из доступных ресурсов и заданных ограничений.
- Controller Manager — запускает различные контроллеры, которые отслеживают и регулируют состояние кластера:
- Node Controller — реагирует на недоступные узлы;
- Job Controller — управляет одноразовыми задачами;
- Endpoints Controller — отслеживает связи между сервисами и подами;
- Service Account Controller — создает учетные записи и токены доступа к API.
- Cloud Controller Manager — реализует логику взаимодействия с облачными платформами (например, управление балансировщиками нагрузки, томами), отделяя ее от внутренней логики кластера.
Другие ключевые понятия и термины Kubernetes
При работе с Kubernetes важно знать не только базовые компоненты, но и другие связанные с ними сущности:
- Persistent Volumes (постоянные тома). Подсистема хранения данных, независимая от жизненного цикла пода или контейнера. Позволяет создать отдельный ресурс хранилища, который остается доступным, даже если поды перезапускаются или удаляются.
- ReplicaSet (набор реплик). Обеспечивает поддержание заданного количества копий (реплик) определенных подов. Если один из них выходит из строя, ReplicaSet автоматически запускает новый.
- Deployment (развертывание). Управляет созданием и состоянием контейнерного приложения. Позволяет указывать, сколько экземпляров подов должно быть запущено в кластере, и автоматически восстанавливает их при сбоях. Deployment также облегчает обновление приложения без простоя.
- DaemonSet (набор демона). Гарантирует, что определенный под будет запущен на каждом узле кластера. Обычно используется для системных служб, мониторинга, сбора логов и других задач, которые требуют присутствия на всех нодах.
- StatefulSet (набор состояния). Контроллер для управления приложениями, которым важно сохранять состояние (например, базы данных). Назначает каждому поду уникальный и постоянный идентификатор.
- Service (cервис). Объединяет группу подов и определяет, как к ним обращаться. Обеспечивает стабильный способ доступа к приложению, балансировку нагрузки и может открывать доступ извне.
- Job (задание). Сущность для выполнения одноразовых задач. Создает под, который запускается для выполнения определенного действия (например, миграция базы или генерация отчета) и завершается после успешного выполнения. Если задача завершилась с ошибкой, Job будет перезапускать под до тех пор, пока задача не будет выполнена успешно или не истечет таймаут.
- CronJob. Позволяет запускать Job по расписанию, аналогично cron в Unix-системах. CronJob создает новые задания в заданное время или с определенной периодичностью. Используется для автоматических бэкапов и периодических отчетов.
- Label (метка). Пары ключ-значение, которые добавляются к объектам Kubernetes для идентификации и группировки. Метки позволяют выбирать подмножества объектов с помощью селекторов. У одного объекта может быть несколько меток, а у разных объектов — одинаковые значения меток.
- Selectors (селекторы). Инструмент для поиска и группировки объектов по меткам. Селекторы бывают двух типов: по равенству (ключ=значение) и по множеству значений (ключ in {a, b, c}). Селекторы позволяют гибко управлять выборкой объектов для масштабирования, обслуживания или применения политик.
- Namespaces (пространства имен). Виртуальные кластеры внутри одного физического кластера. Позволяют изолировать ресурсы между различными командами или проектами и удобно организовывать многоуровневое управление доступом.
Для каких задач используется Kubernetes
Kubernetes изначально был разработан инженерами Google для управления крупными кластерами и построен с учетом масштабируемости и надежности. Сейчас эта платформа применяется в самых разных областях и сценариях:
- Обработка больших объемов данных. Организации, которые работают с большими объемами данных и которым нужно быстро реагировать на резкие всплески нагрузки, используют Kubernetes для автоматического масштабирования вычислительных ресурсов. Например, Европейская организация по ядерным исследованиям (CERN) применяет Kubernetes, чтобы при необходимости быстро развернуть дополнительные мощности и также оперативно отключить их, когда нагрузка снижается.
- Микросервисная архитектура. При создании приложений на базе микросервисов Kubernetes облегчает независимое развертывание и управление каждым сервисом. Это позволяет повысить отказоустойчивость и гибкость систем, снижая зависимость между компонентами. Компании используют Kubernetes, чтобы автоматически обнаруживать сбои и устранять их, обеспечивая непрерывность работы сервисов.
- Оптимизация CI/CD процессов. Kubernetes активно применяется для автоматизации процессов непрерывной интеграции и доставки (CI/CD). Автоматическое развертывание контейнеров и масштабирование ресурсов ускоряет тестирование и выпуск новых версий приложений, экономя время разработчиков и средства на инфраструктуру. Например, команда Pinterest использует Kubernetes для быстрого получения обратной связи и ускоренного выпуска обновлений.
- Задачи искусственного интеллекта и машинного обучения. Kubernetes все чаще применяется для управления нагрузками в сферах ИИ и машинного обучения, которые требуют значительных вычислительных ресурсов и сложных зависимостей между компонентами. Платформа помогает масштабировать и эффективно использовать ресурсы для обучения и инференса ML-моделей.
Преимущества Kubernetes
- Поддержка крупных и сложных инфраструктур. В производственной среде с множеством приложений, которые запущены в большом количестве контейнеров на множестве хостов, Kubernetes обеспечивает необходимую оркестрацию и управление для работы таких масштабных нагрузок.
- Масштабируемость. Kubernetes автоматически масштабирует приложения в зависимости от текущих потребностей, обеспечивая ресурсы там, где нужно, и экономя их там, где нагрузка снижается.
- Портативность. Kubernetes может запускаться как в локальном дата-центре, так и в публичном облаке, а также в гибридных вариантах.
- Последовательность развертываний. Контейнеры реализуют концепцию неизменяемой инфраструктуры, объединяя в себе все зависимости и настройки для запуска приложения.
- Разделение и автоматизация процессов разработки и эксплуатации. Контейнеры ускоряют работу разработчиков, позволяя быстро вносить изменения. В то же время Kubernetes предлагает командам эксплуатации уверенность в стабильности и контроле системы.
- Управление сложными средами. Микросервисы увеличивают количество контейнеров, усложняя управление. Kubernetes группирует контейнеры в поды, упрощая планирование и предоставление необходимых сервисов.
- Повышенная безопасность. Kubernetes позволяет задавать политики безопасности и разграничивать права доступа по ролям (RBAC). Секреты Kubernetes защищают конфиденциальные данные, включая ключи шифрования. Разработчики могут выявлять и устранять уязвимости еще на этапе сборки контейнера, а не в продакшене.
- Поддержка DevOps и DevSecOps. Kubernetes создает стабильную и предсказуемую инфраструктуру для контейнеров, что способствует эффективному взаимодействию команд разработки и эксплуатации. Он упрощает внедрение CI/CD, ускоряя жизненный цикл разработки, а также помогает интегрировать безопасность на ранних этапах.
Недостатки Kubernetes
- Сложность освоения и внедрения. Освоить Kubernetes непросто — порог входа довольно высокий. Установка, настройка и работа с Kubernetes занимают много времени, специальных знаний и опыта, поэтому маленьким командам и простым проектам он может не подойти.
- Ресурсоемкость. Для работы кластера нужно довольно много вычислительных ресурсов. В небольших и малонагруженных инфраструктурах поддержка Kubernetes может оказаться неоправданно дорогой.
- Вопросы безопасности. Хотя в Kubernetes есть продвинутые средства безопасности, из-за сложности платформы появляются новые риски. Нужно тщательно следить за обновлениями, доступом и настройками — иначе возможны уязвимости.
- Управление состоянием. Kubernetes хорошо подходит для stateless-приложений, но с приложениями, которым нужно хранить состояние (например, с базами данных), работать сложнее — для их развертывания и поддержки нужны особые подходы.
- Сложность мониторинга и диагностики. Поскольку система распределенная, отслеживать состояние и искать ошибки сложнее, чем в монолитных приложениях. Для этого нужно использовать отдельные инструменты для мониторинга и логирования.
Как начать работу с Kubernetes
Работа с Kubernetes начинается с подготовки и развертывания кластера, который может быть размещен как в облачной среде, так и на собственных серверах. Для взаимодействия с кластером используется инструмент kubectl — командная строка, которая позволяет создавать, обновлять и удалять ресурсы, а также управлять состоянием приложений.
Основу работы составляют YAML-манифесты, в которых описывается желаемое состояние системы: какие контейнеры запускать, как их масштабировать, какие параметры конфигурации и безопасности применять.
После применения манифестов Kubernetes самостоятельно обеспечивает соответствие текущего состояния кластера описанному в них, выполняя задачи по развертыванию, масштабированию и обновлению приложений. Вместо ручного управления контейнерами всё происходит через специальные контроллеры и абстракции — например, Deployment, Service и StatefulSet. Они помогают автоматизировать процессы и делают систему стабильнее.
Чтобы успешно начать работу с Kubernetes, важно изучить его архитектуру, научиться использовать инструменты мониторинга и диагностики, а также понять основы настройки безопасности и хранения данных.
Заключение
Kubernetes по праву считается революционной платформой для управления облачно-нативными приложениями. Его возможности по автоматизации, оркестрации и масштабированию контейнеров открывают новые горизонты для DevOps-команд и разработчиков, позволяя быстро создавать устойчивые и гибкие сервисы.
Без такого инструмента, как Kubernetes, управление большим количеством подов и ресурсов на множестве узлов было бы крайне сложной задачей.