10 жовтня 2024 р.

Ключевой инструмент для управления контейнерами, обеспечивая автоматизацию, масштабируемость и надежность приложений — речь идет о Kubernetes, верно. Какая у него архитектура и в каких случаях используется? Разберем основные компоненты и возможности данной технологии, которые применяются в облачных решениях OneCloudPlanet.

От виртуальных машин к контейнерам

1990-е годы. Основной технологией для управления серверными ресурсами стали виртуальные машины (VM). Они позволяли запускать несколько приложений на одном физическом сервере, изолируя каждое приложение внутри своей виртуальной среды. Этот подход позволил компаниям гибко управлять своими приложениями и масштабировать их по мере необходимости.

Однако с увеличением числа виртуальных машин возникла задача: каждая VM требовала собственное ядро операционной системы, что приводило к значительным затратам на ресурсы, особенно для приложений, которым не требовалась полная изоляция. Решением стало использование контейнеров, которые позволили изолировать приложения без необходимости запускать отдельное ядро для каждого приложения.

Контейнеры: оптимизация изоляции

Контейнеры — это изолированные среды, которые позволяют запускать приложения с минимальным потреблением ресурсов по сравнению с VM. В данном подходе используется общее ядро, что делает их значительно легче и эффективнее.

Контейнеры обладают высокой портативностью: приложение с его зависимостями можно упаковать в единый контейнер, который можно перенести и запустить на любом сервере с поддержкой контейнеров. Они также поддерживают микросервисную архитектуру, позволяя разделить сложное приложение на независимые модули, что упрощает их развертывание и управление.

Docker: стандартизация контейнеров

Docker стал первой и самой популярной платформой для работы с контейнерами. Он предоставил простой и удобный способ создания, управления и развертывания контейнеров с помощью файлов конфигурации Dockerfile. Такой инструмент позволил разработчикам упаковывать приложения и их зависимости в единую легковесную единицу — контейнер, который можно легко развернуть в любой среде.

Docker интегрируется с системами Continuous Integration/Continuous Delivery (CI/CD), такими как GitLab CI или Jenkins, что делает процесс автоматизированного тестирования и развертывания новых версий приложений быстрым и безопасным.

Роль оркестрации

Docker упрощает создание и запуск контейнеров, однако для управления большими системами, состоящими из множества контейнеров, требуется оркестрация. Оркестрация контейнеров позволяет автоматически управлять их распределением, масштабированием и отказоустойчивостью. Здесь вступает в игру Kubernetes — мощная платформа для управления контейнерами, которая автоматизирует развертывание приложений, масштабирует их по мере необходимости и следит за их состоянием.

Kubernetes: архитектура и компоненты

Kubernetes (k8s) — это платформа для автоматизированного управления контейнерами, которая решает задачи масштабирования, балансировки нагрузки и отказоустойчивости. Kubernetes автоматически распределяет контейнеры по узлам кластера, управляет их состоянием и восстанавливает их в случае сбоев. С его помощью можно автоматизировать развертывание сложных приложений, состоящих из множества контейнеров, обеспечивая высокую производительность и надежность.

Рассмотрим основные компоненты архитектуры Kubernetes, которые делают его столь мощным и надежным инструментом.

Pods
Pods (поды) — это базовые единицы вычислений в Kubernetes, которые представляют собой набор контейнеров, работающих в общей среде. Они делят между собой сеть и ресурсы хранилища. Поды могут содержать один или несколько контейнеров, и все они имеют доступ к общим ресурсам, что делает их оптимальным решением для микросервисов, где контейнеры должны взаимодействовать между собой.

Master Node

Master Node (мастер-узел) — это основной контролирующий компонент кластера. Он управляет всей системой Kubernetes и следит за тем, чтобы всё работало в соответствии с планом. В его состав входят:

API-сервер (API Server): точка взаимодействия с кластером, через которую пользователи и внешние системы могут создавать, изменять и удалять объекты;
etcd: распределенное хранилище данных, которое сохраняет всю информацию о состоянии кластера;
Планировщик (Scheduler): распределяет поды по рабочим узлам, исходя из доступных ресурсов и установленных правил (например, node affinity);
Контроллеры (Controller Manager): отвечают за поддержание желаемого состояния системы, контролируют репликацию подов и восстанавливают их в случае сбоев.

Nodes
Nodes (узлы) — это рабочие машины (физические или виртуальные), на которых непосредственно запускаются контейнеры. Каждый узел включает в себя:

kubelet: агент, который управляет подами на узле, следит за их состоянием и общается с мастер-узлом;
Контейнерный движок (Container Runtime): запускает контейнеры и управляет ими. Популярные движки — Docker, containerd, CRI-O;
kube-proxy: компонент, отвечающий за сетевую связь между подами и внешними системами, а также за балансировку нагрузки.

Аффинитеты

Аффинитеты позволяют Kubernetes управлять размещением подов на узлах, учитывая различные требования к ресурсам и взаимодействию с другими подами. Выделяют два основных типа:

Node Affinity: определяет, на каких узлах желательно или обязательно запускать поды, в зависимости от ресурсов или других факторов;
Pod Affinity: указывает, какие поды должны находиться близко друг к другу для оптимального взаимодействия, или наоборот — избегать совместного размещения (anti-affinity).

Services
Services (службы) обеспечивают стабильную точку доступа к наборам подов, которая не меняется даже при изменении IP-адресов или перезапуске подов. Это делает доступ к приложению надежным, несмотря на динамическое масштабирование и перезапуск контейнеров.

Controllers

Controllers (Контролеры) управляют жизненным циклом событий и приложений в Kubernetes. Они автоматизируют процесс поддержки нужного количества дел, управления обновлениями приложений и обеспечивают отказоустойчивость. Примечательные контроллеры:

ReplicaSet: контроллер, поддерживающий определенное количество экземпляров подов;
Deployment: абстракция над ReplicaSet, которая позволяет управлять обновлениями приложений, обеспечивая плавное развертывание и откат;
StatefulSet: предназначен для управления подами с уникальными сетевыми именами и состоянием, часто используется для баз данных;
DaemonSet: гарантирует запуск определенного пода на каждом узле, часто используется для мониторинга или сетевых агентов.

Таким образом, мастер-узел включает в себя API-сервер, который отвечает за взаимодействие с кластером, Планировщик, распределяющий поды по узлам, и Контроллеры, которые поддерживают желаемое состояние системы. Для работы с объектами Kubernetes, такими как поды и службы, можно использовать утилиту командной строки kubectl или взаимодействовать с Kubernetes API напрямую, отправляя HTTP-запросы. Это позволяет управлять развертыванием и настройками приложений через декларативные конфигурации в формате YAML или JSON.

Пример работы Kubernetes

Представим приложение, состоящее из нескольких микросервисов: веб-интерфейс, служба заказов, служба оплаты и служба уведомлений. Каждый из этих микросервисов размещается в отдельном контейнере, управляемом Kubernetes. В случае увеличения нагрузки на службу заказов Kubernetes автоматически добавляет дополнительные контейнеры для обработки запросов, а при снижении нагрузки — уменьшает их количество, тем самым экономя ресурсы.

Kubernetes обеспечивает балансировку нагрузки между контейнерами, следит за их состоянием и автоматически перезапускает контейнеры в случае их выхода из строя.

Развертывание приложения в Kubernetes на OneCloudPlanet

Создание конфигураций подов: каждому микросервису присваивается своя конфигурация пода, описывающая, какие контейнеры запускать и с какими ресурсами. Эти конфигурации загружаются в Kubernetes через API-сервер.
Развертывание: Kubernetes берет на себя развертывание всех контейнеров, распределяя их по рабочим узлам на основе доступных ресурсов. Например, служба заказов и служба оплаты могут находиться на разных узлах, что увеличивает отказоустойчивость системы.
Масштабирование: в часы пик нагрузка на службу заказов возрастает. Kubernetes автоматически масштабирует службу, добавляя дополнительные поды, чтобы справиться с увеличившейся нагрузкой. Когда нагрузка снижается, система уменьшает количество подов, освобождая ресурсы.
Мониторинг и управление состоянием: Kubernetes следит за состоянием каждого контейнера. Если служба уведомлений выйдет из строя, система автоматически перезапустит контейнер на другом узле, сохраняя при этом все необходимые данные и состояния, используя механизм StatefulSet.
Балансировка нагрузки и сетевые службы: Kubernetes автоматически распределяет трафик между экземплярами контейнеров, используя сетевые службы. Это гарантирует, что пользовательские запросы будут обработаны, даже если один из контейнеров перезагрузится или выйдет из строя.

Преимущества использования Kubernetes на OneCloudPlanet

OneCloudPlanet — первый в Украине облачный сервис, внедряющий функцию Managed Kubernetes, которая упрощает администрирование кластеров Kubernetes и их инфраструктуру.

Автоматическое масштабирование: когда нагрузка на приложение возрастает, Kubernetes автоматически увеличивает количество подов, позволяя приложению адаптироваться к изменяющимся условиям;
Отказоустойчивость: если один из узлов или контейнеров выходит из строя, Kubernetes автоматически перезапускает их на других узлах, минимизируя время простоя;
Гибкость и управление микросервисами: Kubernetes подходит для работы с микросервисными архитектурами, что делает его отличным выбором для динамических приложений с множеством компонентов.

Kubernetes предлагает мощные функции для автоматического развертывания и масштабирования приложений, что делает его разумным выбором для облачных платформ, таких как OneCloudPlanet.

Пример синтаксиса Kubernetes

Kubernetes использует декларативные манифесты, написанные на YAML или JSON, для описания объектов кластера. Пример манифеста пода:

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: example-pod
spec:
  containers:
  - name: example-container
    image: nginx:latest
    ports:
    - containerPort: 80

Этот простой пример описывает под с именем example-pod, который запускает контейнер с образом nginx:latest и открывает порт 80.

Как результат

Благодаря своей архитектуре, Kubernetes стал важным инструментом для управления контейнеризированными приложениями, предлагая автоматизацию, масштабируемость и отказоустойчивость. От виртуальных машин до контейнеров и их оркестрации — технология значительно упрощает управление сложными микросервисными системами.

K8s позволяет гибко распределять ресурсы, обеспечивая стабильную работу приложений при изменяющихся нагрузках. Это решение оптимально для облачных платформ, таких как OneCloudPlanet, благодаря своим возможностям автоматического развертывания, управления состоянием приложений и обеспечения безопасности данных.

Подключиться

Содержание