Как работает Kubernetes?

Содержание статьи

Задумывались ли вы, почему Kubernetes так популярен? Рассказываем, что такое Kubernetes и как с его помощью масштабировать быстрорастущие приложения.

Что такое Кубернетес?

С Kubernetes вы можете развертывать облачные приложения где угодно и управлять ими без особых сложностей. Kubernetes (также известный как K8s) — это программное обеспечение с открытым исходным кодом для развертывания, масштабирования и управления контейнерными приложениями. В качестве оркестратора Kubernetes выполняет работу по планированию контейнеров в кластере и управляет рабочими нагрузками, чтобы гарантировать, что они выполняются так, как вы задумали. Kubernetes с самого начала создавался с идеей совместной разработки программного обеспечения и эксплуатации. Поэтому операционные задачи и то, как они выполняются, — неотъемлемые компоненты архитектуры и дизайна Kubernetes.

Почти всё в Kubernetes использует декларативные конструкции, которые описывают, как составляются приложения, как они взаимодействуют и как ими управляют. Такая схема помогает повысить работоспособность и переносимость современных программных систем. Поэтому разработчикам, использующим Kubernetes, легко внедрять рабочие процессы GitOps в свои конвейеры разработки — а это увеличивает скорость и надежность развертывания функций.

Инфраструктуры и микросервисы на основе контейнеров открывают новые возможности для развертывания программного обеспечения: появляется потенциал для компаний, которые хотят создавать масштабируемые, гибкие и распределенные приложения. Недавно ведущие разработчики мировых компаний и вовсе начали стандартизировать Kubernetes как единую целевую архитектуру, создавая возможности для согласования методов DevOps с конкретной целью развертывания.

Преимущества: зачем использовать Kubernetes?

Будучи первым проектом Cloud Native Cloud Foundation (CNCF), Kubernetes является самым быстрорастущим проектом в истории программного обеспечения с открытым исходным кодом. K8 стал популярным по следующим основным причинам:

Портативность

Kubernetes предлагает мобильность и более быстрое и простое развертывание. Это означает, что компании могут воспользоваться преимуществами нескольких облачных провайдеров, если это необходимо, и могут быстро расти без необходимости перепроектировать свою инфраструктуру.

Масштабируемость

Возможность Kubernetes запускать контейнеры в одной или нескольких общедоступных облачных средах, на виртуальных машинах или на «голом железе» означает, что его можно развернуть практически в любом месте. А поскольку Kubernetes коренным образом изменил способ разработки и развертывания, команды тоже могут масштабироваться намного быстрее, чем в прошлом.

Высокая доступность

Kubernetes обеспечивает высокую доступность как на уровне приложений, так и на уровне инфраструктуры. Добавление надежного уровня хранения в Kubernetes гарантирует высокую доступность рабочих нагрузок с отслеживанием состояния. А еще главные компоненты кластера могут быть настроены на многоузловую репликацию (multi-master), что также обеспечивает более высокую доступность.

Открытый исходный код

Поскольку Kubernetes является открытым исходным кодом, можно воспользоваться обширной экосистемой других инструментов с открытым исходным кодом, разработанных специально для работы с Kubernetes без привязки к закрытой/проприетарной системе.

Доказано и испытано в бою

Огромная экосистема разработчиков и инструментов с 5 608 репозиториями GitHub и их количество означает, что без помощи и консультаций вас не оставят.

Лидер рынка

Kubernetes был разработан, используется и поддерживается Google. Во-первых, это повод больше доверять продукту. Во-вторых, это позволяет разработчикам Kubernetes регулярно исправлять ошибки и выпускать новые функции.

Архитектура Kubernetes 101

Архитектура Kubernetes делает его мощным. Kubernetes имеет базовую клиентскую и серверную архитектуру, но это далеко не все. Kubernetes может выполнять последовательные обновления, он адаптируется к дополнительным рабочим нагрузкам за счет автоматического масштабирования узлов, если это необходимо, а еще может самовосстанавливаться в случае сбоя модуля. Эти встроенные способности дают разработчикам и операционным группам огромное преимущество, заключающееся в том, что приложения практически не будут простаивать.

Мастер Кубернетес

Мастер Kubernetes — это основной блок управления кластером. Мастер отвечает за управление и планирование рабочих нагрузок в дополнение к сети и связи во всем кластере.

Вот компоненты, которые работают на мастере:

Etcd Storage – хранилище данных типа «ключ-значение» с открытым исходным кодом, к которому могут получить доступ все узлы в кластере. Он хранит конфигурационные данные о состоянии кластера.
Kube-API-Server – сервер API управляет запросами от рабочих узлов, получает REST-запросы на изменения и служит интерфейсом для управления кластером.
Kube-scheduler — планирует модули на узлах на основе использования ресурсов, а также решает, где развертывать службы.
Kube-controller-manager — запускает в фоновом режиме несколько отдельных процессов контроллера, чтобы регулировать общее состояние кластера и выполнять рутинные задачи. Когда происходит изменение службы, контроллер распознает это изменение и инициирует обновление, чтобы привести кластер в желаемое состояние.

Рабочие узлы

Эти узлы выполняют рабочие нагрузки в соответствии с расписанием, предоставленным мастером. Взаимодействие между главным и рабочим узлами называется плоскостью управления.

Kubelet гарантирует, что все контейнеры в узле работают и находятся в работоспособном состоянии. Если узел выходит из строя, контроллер репликации наблюдает за этим изменением и запускает модули на другом исправном модуле. В двоичный файл kubelet встроен «cAdvisor», который автоматически обнаруживает все контейнеры и собирает статистику использования ЦП, памяти, файловой системы и сети. Еще kubelet предоставляет статистику использования компьютера путем анализа «корневого» контейнера.
Kube Proxy — действует как сетевой прокси и балансировщик нагрузки. Еще он перенаправляет запрос нужным модулям в изолированных сетях в кластере.
Поды это основной строительный блок в Kubernetes. Он представляет рабочие нагрузки, которые развертываются. Поды обычно представляют собой наборы связанных контейнеров, но под может также иметь только один контейнер. Модуль совместно использует сеть/хранилище и спецификацию того, как запускать контейнеры.
Контейнеры — это самый низкий уровень микросервиса. Они размещаются внутри модулей и требуют внешних IP-адресов для просмотра любых внешних процессов.

Где запустить Kubernetes?

Каков первый шаг после того, как вы решили запускать свои приложения в Kubernetes? Где вы будете запускать кластер и как вы собираетесь его запускать?

Варианты использования Kubernetes полностью зависят от ваших конкретных требований. Вот о чем следует задуматься:

Бюджет

Возможно, вам придется взглянуть на бюджет не только с точки зрения денег, но и с точки зрения времени. Сколько времени вы можете потратить на настройку кластера и, что более важно, на его обслуживание?

Соображения безопасности

В компании могут быть особые требования безопасности, которые не позволят работать в общедоступном облаке. Это, очевидно, серьезно ограничит количество вариантов для запуска вашего кластера.

Гибридные решения

У вас есть существующая инфраструктура? У вашей компании уже есть серверы, на которых должна работать часть вашей инфраструктуры?

А как насчет ваших данных?

Есть ли у вас строгие правила, определяющие, где должны храниться ваши данные, например, в определенной стране?

При принятии решения о том, где запустить свой кластер, необходимо учитывать все эти факторы. Конечно, использование облачного провайдера это самый удобный способ. По сути, вы позволяете кому-то другому управлять вашими кластерами, а еще можете пользоваться преимуществами различных доступных сервисов. Это позволяет вам сосредоточиться на реальном продукте и создавать ценность для бизнеса вместо энергоемкого управления инфраструктурой.

Поставщики общедоступных облаков Kubernetes, локальные решения в сравнении с PaaS или частным облаком

У всех основных облачных провайдеров есть либо управляемые решения Kubernetes, либо возможность создать собственный кластер с нуля. Вот краткий обзор:

AWS против EKS

Запуск Kubernetes на Amazon дает вам широкий выбор сред выполнения и сервисов, которыми вы можете воспользоваться. Вы можете самостоятельно установить и запустить Kubernetes на AWS. Ручная самостоятельная установка обеспечит вам максимальную гибкость с точки зрения доступа к сервисам AWS.

Но если вы не хотите самостоятельно устанавливать и настраивать Kubernetes, вы можете использовать их управляемую службу Kubernetes. При использовании управляемого сервиса плоскость управления управляется и обслуживается Amazon; вам гарантирован высокодоступный кластер и доступ к самым популярным сервисам, таким как CloudWatch и RDS.

GCP, GKE и локальный Kubernetes

Очевидная причина запуска Kubernetes на GCP заключается в том, что Google является создателем Kubernetes. Запуск вашего кластера на их платформе может дать вам преимущество: в отличие от ваших конкурентов вы сможете быстрее воспользоваться преимуществами любых новых функций. Но все же GCP скорее закрытая система. Это может быть преимуществом, если вам нужен автоматизированный кластер Kubernetes и вам не хочется беспокоиться о ручной подготовке серверов.

Интегрированные службы Google с GKE.

GKE также интегрируется со всеми другими инструментами Google и поставляется со встроенными функциями ведения журналов, управления журналами и мониторинга как на уровне хоста, так и на уровне контейнера. Он может обеспечить автоматические:

— масштабирование;

— управление оборудованием;

— обновление версий.

В целом GKE предоставляет вам готовый к работе кластер с более «аккумуляторным» подходом, чем если бы вы строили все с нуля.

Локальная версия

Если вам нужно хранить свои данные и серверы внутри компании, вам нужно будет самостоятельно установить и обновить Kubernetes на серверах без операционной системы. Конечно, в этом есть свои плюсы и минусы. Преимущество в том, что вы контролируете свои данные и серверы. Минусы — это сложно настроить, а для обслуживания инфраструктуры потребуется много сотрудников.

PaaS и частные облачные решения

Существует также огромное количество решений PaaS и вариантов частного облака, которые предлагают что-то среднее между полностью заблокированным решением и полной свободой выбора необходимых инструментов. Дальше зависит от вашего бюджета и желания применять инструменты OSS. Возможно, один из следующих вариантов — ваше оптимальное решение.

Некоторые из этих вариантов включают в себя:

Tectonic
IBM private cloud
Kubermatic
Platform9
OpenShift
Rancher Container Manager

CICD Pipelines

Еще один важный шаг на пути к Kubernetes — создание конвейеров непрерывной интеграции и непрерывной доставки (CICD). Чтобы повысить скорость работы вашей команды и воспользоваться другими преимуществами автоматизации, вам необходимо тщательно продумать, как вы будете осуществлять переход и какие инструменты при этом вы хотите использовать.

Зачем автоматизировать конвейер?

Сократите время выхода на рынок с недель и месяцев до дней или часов.

Благодаря автоматизированному конвейеру команды разработчиков повышают как скорость выпуска релизов, так и качество кода. Новые функции и исправления, добавляемые постепенно небольшими порциями, могут привести к уменьшению багов в продукте.

Усилите команду разработчиков.

Поскольку все этапы конвейера доставки доступны для изучения, улучшения и проверки любому члену команды, создается чувство ответственности за сборку. А это способствует тесной командной работе и приносит пользу всей компании.

Снизите риски и затраты на разработку программного обеспечения.

Автоматизация побуждает разработчиков проверять изменения кода поэтапно, прежде чем двигаться дальше: опять-таки меньше багов.

Сократите время работы.

Конвейер CD обеспечивает быструю петлю обратной связи, начиная с разработки и заканчивая вашими клиентами. Этот итерационный цикл не только помогает вам создать правильный продукт, но и позволяет разработчикам быстрее улучшать продукт и закрывать спринты раньше.

Одна из сложностей при создании пайплайна — удачно склеить инструменты, которые вы хотели бы использовать (как с открытым исходным кодом, так и с закрытым исходным кодом). При разработке конвейеров развертывания возникают следующие сложности с установлением:

Сквозной безопасности по всему конвейеру;
Возможности отката с полностью воспроизводимым журналом аудита;
Встроенных возможностей наблюдения и оповещения.

Нужно обратить внимание и на то, какое среднее время развертывания и восстановления.

Лучшие практики разработки приложений в Kubernetes

Поскольку Kubernetes настолько гибок, есть много разных способов выполнить одну и ту же задачу. При разработке приложений в Kubernetes ваша команда должна управлять следующими областями:

Архитектура приложения

Используйте диаграммы Helm для упаковки своих приложений;
Помните, что нижестоящие зависимости в основном ненадежны;
Не делайте микросервисы слишком маленькими;
Используйте пространства имен для разделения кластера;
Включите управление доступом на основе ролей в своем кластере для вашей команды разработчиков.

Сервисы

Не используйте тип LoadBalancer, когда порт узла Kubernetes может быть «достаточно хорошим»;
Используйте статические IP-адреса и сопоставляйте внешние службы с внутренними.

Строительные контейнеры

Есть несколько здравых советов по созданию контейнеров, которые следует учитывать при разработке приложений.

Не доверяйте произвольным базовым изображениям;
Храните базовые изображения в формате, который весит мало;
Используйте шаблон построителя для статических языков.

Внутренности контейнера

Рекомендации для файлов, которые вы помещаете в контейнеры, такие:

Используйте пользователя без полномочий root;
Создайте файловую систему только для чтения;
Один процесс на один контейнер;
Не перезапускайте в случае сбоя;
Записывайте все в stdout и stderr.

Мониторинг и наблюдаемость

Мониторинг часто оставляют напоследок. Но это так себе идея: о мониторинге ваша команда разработчиков должна подумать еще на этапе проектирования приложения.

Мониторинг лежит в основе наблюдаемости. Облачные собственные системы — это распределенные системы с десятками компонентов на многих серверах в разных регионах. При такой большой сложности вам нужно заранее подумать о том, как все контролировать.

Если какой-то контейнер выходит из строя на одном из ваших серверов, нужно ли об этом беспокоиться? Без контекста разобраться будет сложно. Здесь и пригодятся инструменты мониторинга.

Наша рекомендация — Prometheus. Это облачный инструмент мониторинга с открытым исходным кодом, который имеет историю и обеспечивает хорошую интеграцию с Kubernetes. У сервера Prometheus есть внутренняя база данных, в которой хранятся метрики, полученные от ваших сервисов. Как только ваш код инструментирован, он подключается к сервису обнаружения Kubernetes, чтобы проанализировать все запущенные процессы. Поэтому лично вам не нужно будет модерировать Prometheus: программа сделает все сама.

Будущее Kubernetes

По данным CNCF, Kubernetes в настоящее время является вторым по величине проектом с открытым исходным кодом в мире после Linux. С момента появления Kubernetes можно с уверенностью сказать, что почти все другие оркестраторы либо не имеют значения, либо отошли на второй план по сравнению с Kubernetes. Как правило, каждый крупный поставщик общедоступных облачных сервисов имеет управляемый сервис Kubernetes или находится в процессе его разработки.

Решили использовать Kubernetes, но не знаете, справятся ли ваши разработчики? Хотите разобраться во всех деталях и быть уверенными, что использование Kubernetes приведет вашу компанию к успеху?

Наймите разработчиков с нами — напишите в HEAAD.