Что такое Kubernetes?

1. Портативность. Контейнеры можно легко переносить между различными средами: от локального компьютера разработчика до тестового сервера и далее в production. Это значительно упрощает процесс разработки и деплоя.
2. Изолированность. Каждый контейнер работает в собственной изолированной среде. Это означает, что приложения не мешают друг другу, даже если они используют одни и те же ресурсы или библиотеки. Например, два контейнера могут использовать разные версии одной и той же библиотеки без конфликтов.
3. Эффективное использование ресурсов. В отличие от виртуальных машин, которые требуют отдельной операционной системы для каждого экземпляра, контейнеры делят ядро операционной системы хоста. Это делает их более лёгкими и быстрыми. Запуск контейнера занимает секунды, тогда как виртуальная машина может загружаться минуты.
4. Масштабируемость. Контейнеры позволяют быстро масштабировать приложения. Если нагрузка на ваш сервис увеличивается, вы можете просто запустить дополнительные экземпляры контейнеров, чтобы справиться с потоком запросов.
5. Ускорение разработки. Благодаря контейнерам разработчики могут сосредоточиться на написании кода, не беспокоясь о настройке окружения. Это особенно важно в больших командах, где каждый участник работает на своём устройстве.
6. Непрерывная интеграция и доставка (CI/CD). Контейнеризация идеально подходит для автоматизации процессов сборки, тестирования и деплоя. Она позволяет создавать конвейеры, которые гарантируют, что каждое изменение в коде будет протестировано и развёрнуто безопасно.

Kubernetes — сложный инструмент, работа с ним требует и дополнительных навыков, и знания дополнительного ПО, поэтому на курсе «Эксплуатация и разработка в Kubernetes» студенты изучают, помимо самого инструмента, Docker, Grafana, Prometheus, а также учатся взаимодействовать с облачными платформами.

Основные задачи Kubernetes

1. Оркестрация контейнеров. Kubernetes автоматически распределяет контейнеры по доступным серверам (называемым узлами). Если один сервер выходит из строя, система переносит контейнеры на другие узлы, чтобы приложение продолжало работать.
2. Масштабирование. Если нагрузка на сервис увеличивается, Kubernetes может автоматически запустить дополнительные экземпляры контейнеров. Когда нагрузка снижается, лишние экземпляры отключаются, что помогает экономить ресурсы.
3. Балансировка нагрузки. Kubernetes распределяет входящие запросы между всеми работающими экземплярами контейнеров, чтобы ни один из них не был перегружен.
4. Автоматическое восстановление. Если контейнер падает, Kubernetes автоматически перезапускает контейнер или переносит его на другой узел.
5. Обновления без простоя. Kubernetes позволяет обновлять приложения постепенно, запуская новые версии контейнеров и останавливая старые. Если что-то пойдёт не так, система может автоматически откатить изменения.

Пример из жизни. Возьмём популярный онлайн-магазин. Во время «Чёрной пятницы» нагрузка на сайт может вырасти в десятки раз. Без Kubernetes IT-команда была бы вынуждена вручную добавлять серверы, запускать новые экземпляры приложения и следить за их состоянием. С Kubernetes всё это происходит автоматически. Система видит рост нагрузки и запускает дополнительные контейнеры, чтобы справиться с потоком пользователей. Когда распродажа заканчивается, лишние контейнеры отключаются, и ресурсы освобождаются.

Почему Kubernetes стал стандартом? Ответ прост: Kubernetes универсален. Он работает на любых серверах — будь то локальные машины, облачные провайдеры (AWS, Google Cloud, Azure) или гибридные среды. Это делает его идеальным вариантом для компаний, которые хотят быть гибкими и не зависеть от конкретного поставщика услуг. Кроме того, Kubernetes активно развивается благодаря огромному сообществу разработчиков. Регулярно выходят новые версии с улучшениями и исправлениями, а экосистема вокруг Kubernetes включает множество инструментов для мониторинга, безопасности, логирования и решения других задач.

1. Мастер-узлы (Control Planes). Это «мозг» кластера. Мастер-узлы отвечают за управление всеми остальными узлами, планирование задач и поддержание желаемого состояния системы.
2. Рабочие узлы (Worker Nodes). Эти узлы выполняют реальную работу: они запускают контейнеры и обрабатывают запросы пользователей.

Теперь углубимся в основные компоненты архитектуры Kubernetes.

1. Основные компоненты мастер-узлов (Control Planes)

• API Server — это центральная точка взаимодействия с кластером. Все команды, отправляемые в Kubernetes (например, через kubectl), проходят через API Server. Он проверяет их корректность, сохраняет изменения в базе данных и передаёт задачи другим компонентам.
• etcd — это распределённое хранилище данных, которое хранит текущее состояние кластера. Можно его считать «истиной в последней инстанции». Если что-то случится с одним из узлов, etcd поможет восстановить систему до последнего известного состояния.
• Scheduler. Этот компонент решает, на каком рабочем узле запустить новый контейнер. Он учитывает доступные ресурсы (CPU, RAM), требования приложения и другие параметры, чтобы выбрать оптимальный вариант.
• Controller Manager. Это набор контроллеров, которые следят за состоянием кластера и поддерживают его в соответствии с требованиями. Например, если указано, что должно быть три экземпляра контейнера, Controller Manager будет следить, чтобы их всегда было ровно три. Если один контейнер упадёт, Controller Manager автоматически запустит новый.

2. Основные компоненты рабочих узлов (Worker Nodes)

• Kubelet. Это агент, который работает на каждом рабочем узле. Его задача — убедиться, что все контейнеры на этом узле запущены и работают корректно. Kubelet общается с API Server и получает от него инструкции.
• Kube-proxy. Этот компонент отвечает за сетевую связь между контейнерами. Он обеспечивает балансировку нагрузки и маршрутизацию трафика, чтобы запросы доходили до нужных контейнеров.
• Container Runtime. Это программное обеспечение, которое фактически запускает контейнеры. Kubernetes поддерживает различные runtime, такие как Docker, containerd и CRI-O. Выбор зависит от ваших предпочтений и требований.

Kubernetes оперирует несколькими ключевыми объектами, которые помогают пользователю описать желаемое состояние системы.

1. Pod — это минимальная единица работы в Kubernetes. Это как «оболочка» для одного или нескольких контейнеров, которые должны работать вместе. Например, если у вас есть приложение и его локальная база данных, вы можете объединить их в один Pod.
2. Deployment — это объект, который управляет запуском и обновлением Pod’ов. С его помощью можно указать, сколько экземпляров контейнера должно работать, и задать стратегию обновления (например, постепенное обновление или откат).
3. Service позволяет организовать доступ к группе Pod’ов. Например, если у вас есть три экземпляра веб-приложения, Service будет распределять входящие запросы между ними. Это важно, потому что Pod’ы могут запускаться и останавливаться динамически, а Service предоставляет стабильный IP-адрес.
4. ConfigMap и Secret. Эти объекты используются для хранения конфигураций и чувствительных данных (например, паролей или ключей API). Они позволяют отделить конфигурацию от кода, что упрощает настройку приложения.
5. Namespace — это способ разделить кластер на логические части. К примеру, можно создать отдельные Namespaces для разработки, тестирования и production, что поможет избежать путаницы и конфликтов.

Как всё это работает вместе?

Рассмотрим задачу с точки зрения разработчика веб-приложения. Он создаёт Deployment, который описывает, как должен выглядеть Pod (например, какой образ контейнера использовать и сколько ресурсов выделить). Scheduler выбирает подходящий рабочий узел, Kubelet запускает контейнер, а Service обеспечивает доступ к нему. Если что-то пойдёт не так (например, узел выйдет из строя), Controller Manager перезапустит контейнер на другом узле.

1. Автоматическое масштабирование приложений. Допустим, некий сервис работает в обычном режиме, но внезапно нагрузка резко возрастает (например, во время распродажи или рекламной кампании). Вместо того чтобы вручную добавлять серверы или экземпляры контейнеров, достаточно настроить Kubernetes так, чтобы он автоматически увеличивал количество работающих экземпляров приложения.

Kubernetes поддерживает два типа масштабирования:

• Горизонтальное масштабирование. Это означает, что Kubernetes создаёт дополнительные экземпляры контейнеров (Pods) для обработки большего количества запросов. Например, если было три экземпляра веб-сервера, а нагрузка выросла, Kubernetes может запустить ещё пять.
• Вертикальное масштабирование. В этом случае Kubernetes увеличивает объём ресурсов (CPU, RAM), выделенных для каждого контейнера. Это полезно, когда приложение требует больше мощности, но нельзя запустить дополнительные экземпляры.

Кроме того, Kubernetes может автоматически уменьшать количество экземпляров, когда нагрузка снижается, что помогает экономить ресурсы и деньги.

2. Самовосстановление. Если один из ваших контейнеров или даже целый сервер выходит из строя, Kubernetes автоматически восстанавливает работоспособность системы. Например, если Pod падает, Kubernetes перезапускает его. Если узел становится недоступным, система переносит все Pod’ы с этого узла на другие доступные машины. Эта возможность особенно важна в production-средах, где простои могут привести к потерям дохода или репутации.

3. Обновления без простоя. Обновление приложения — это всегда риск. Что, если новая версия содержит ошибки? Что, если пользователи заметят сбои во время обновления? Kubernetes решает эту проблему с помощью постепенных обновлений.

Kubernetes позволяет настроить стратегию обновления, например:

• Rolling Update. Kubernetes постепенно заменяет старые Pod’ы на новые, чтобы обновление происходило без простоя. Если что-то пойдёт не так, система автоматически откатит изменения.
• Blue-Green Deployment. В этом случае Kubernetes запускает новую версию приложения параллельно со старой. Когда IT-команда убедится, что всё работает корректно, трафик переключается на новую версию.

4. Балансировка нагрузки. Kubernetes автоматически распределяет входящие запросы между всеми работающими экземплярами приложения. Это достигается с помощью объекта Service, который выступает как балансировщик нагрузки. Например, если у вас есть три экземпляра веб-сервера, Service будет отправлять запросы на каждый из них по очереди, что крайне важно для высоконагруженных систем.

5. Управление конфигурацией и секретами. Kubernetes позволяет хранить конфигурации и чувствительные данные (например, пароли, API-ключи) отдельно от кода. Это делается с помощью объектов ConfigMap и Secret.

ConfigMap используется для хранения некритичных данных, таких как параметры базы данных или переменные окружения.

Secret предназначен для хранения чувствительной информации, такой как пароли или ключи шифрования.

Такой подход упрощает управление конфигурациями и повышает уровень безопасности, так как можно изменять их без необходимости пересобирать контейнеры.

6. Многоязычная поддержка. Kubernetes не зависит от конкретного языка программирования или фреймворка. Вы можете запускать приложения, написанные на Python, Java, Go, Node.js или любом другом языке. Единственное требование: приложение должно быть упаковано в контейнер (например, с помощью Docker).

7. Поддержка микросервисной архитектуры. Современные приложения часто строятся на основе микросервисов — независимых блоков функционала, которые взаимодействуют друг с другом через API. Kubernetes идеально подходит для управления микросервисами, потому что он позволяет:

• запускать каждый микросервис в своём контейнере;
• масштабировать отдельные микросервисы независимо друг от друга;
• обновлять микросервисы по отдельности, не затрагивая остальные части системы.

8. Интеграция с облачными провайдерами. Kubernetes работает одинаково хорошо как на локальных серверах, так и в облаке. Он поддерживает все основные облачные платформы, такие как AWS, Google Cloud, Microsoft Azure и др. Более того, многие облачные провайдеры предлагают управляемые Kubernetes-сервисы (например, Google Kubernetes Engine, Amazon EKS, Azure AKS), которые берут на себя часть задач по настройке и поддержке кластера.

Это позволяет компаниям легко мигрировать между разными облачными провайдерами или использовать гибридные среды (локальные серверы + облако).

9. Мониторинг и логирование. Хотя Kubernetes сам по себе не предоставляет встроенных инструментов для мониторинга и логирования, он отлично интегрируется с популярными решениями, такими как Prometheus, Grafana, Elasticsearch и Fluentd. Это позволяет собирать метрики, анализировать производительность и отслеживать ошибки в реальном времени.

1. Сложность настройки и управления. Kubernetes — это мощная система, но её освоение требует времени и усилий. Настройка кластера, конфигурирование объектов и управление ими может быть сложным, особенно для новичков. Для небольших проектов Kubernetes может оказаться избыточным решением.
2. Высокие требования к инфраструктуре. Kubernetes требует значительных ресурсов для работы. Например, мастер-узлы (Control Planes) потребляют CPU и RAM даже в простое. Это может быть проблемой для маленьких команд или стартапов с ограниченным бюджетом.
3. Проблемы с отладкой и мониторингом. Хотя Kubernetes предоставляет множество инструментов для мониторинга, отладка проблем в кластере может быть сложной. Например, если Pod не запускается, нужно проверить логи, конфигурации, сетевые настройки и многое другое. Это требует глубокого понимания системы.
4. Риск «переоценки» технологии. Иногда компании внедряют Kubernetes только потому, что это модно, даже если их проект не требует такой сложной системы. Это может привести к лишним затратам времени и ресурсов. Например, для небольшого приложения с одним сервером использование Kubernetes может быть избыточным.

1. Есть сложное приложение с множеством микросервисов.
2. Нужно автоматизировать развёртывание и масштабирование приложений и управление ими.
3. Инфраструктура распределена между несколькими серверами или облачными провайдерами.
4. Приложение будет активно масштабироваться и должно быть отказоустойчивым.

1. Небольшие проекты. Для одного приложения, которое работает на одном сервере, Kubernetes может быть избыточным. Вместо этого можно использовать более простые инструменты, такие как Docker Swarm или даже Docker Compose.
2. Ограниченные ресурсы. Если нет достаточно мощных серверов или опыта работы с Kubernetes, внедрение этой технологии может стать головной болью. Лучше начать с чего-то более простого.
3. Короткие сроки разработки. Если нужно быстро запустить MVP (минимально жизнеспособный продукт), Kubernetes может замедлить процесс в силу своей сложности. В таких случаях лучше выбрать более простые решения.