Зачем упаковывать приложения в контейнеры и что умеет Kubernetes (K8s)?

Kubernetes поддерживает множество функций и активно используется DevOps-инженерами, системными администраторами, разработчиками и тестировщиками. Разбираемся, что спрятано под капотом у этой технологии и какие возможности она открывает компаниям.

Для чего нужна контейнеризация

Развитие высоконагруженных IT-инфраструктур и использование облачных вычислений стимулируют внедрять в разработку гибкие технологии. Одной из них стала контейнеризация.

В сложных IT-системах все элементы должны эффективно взаимодействовать друг с другом. А еще — сохранять автономность и высокую доступность на разных платформах, средах и операционных системах. Для удобной миграции, безопасности, гибкости и масштабируемости приложения и компоненты системы упаковывают в контейнеры.

Контейнеризация — упаковка кода вместе с библиотеками и зависимостями в одном файле, который затем можно разворачивать в разных ОС, средах и инфраструктурах.

Преимущества контейнеризации:

• Портативность. Контейнеры могут быть развернуты на любой совместимой системе без изменения кода.
• Автономность. Изолированность приложений от хост-системы и друг от друга позволяет разворачивать их без конфликтов.
• Защищенность. Если вредоносный код проникает в содержимое одного контейнера, система не пускает его в остальные.
• Эффективность. Контейнеры эффективно используют ресурсы и перераспределяют их при превышении лимитов RAM, CPU и дискового пространства.
• Гибкость. Контейнеры можно быстро обновлять и масштабировать.
• Скорость. Ускоренное развертывание ПО за счет того, что все необходимые зависимости уже включены в контейнер.

До появления контейнеризации IT-специалисты часто сталкивались с конфликтом приложений. Например, программы могли тормозить работу друг друга. Решалась такая проблема дорого: через размещение ПО на разных физических серверах.

Для работы с контейнерными приложениями используются Docker, Kubernetes, LXC и другие платформы. В этой статье подробнее остановимся именно на K8s.

Kubernetes — это мейнстрим?

Kubernetes (K8s) — open source-инструмент, который используется для следующих задач:

• Оркестрации контейнеров — объединения их в единую сеть и удобного управления ими.
• Автоматизации развертывания, масштабирования и мониторинга микросервисов и контейнерных приложений.
• Равномерного распределения аппаратных ресурсов.

Оригинальную версию Kubernetes разработал Google. Позднее платформа была передана Cloud Native Computing Foundation (CNCF) — некоммерческой организации, которая развивает совместимые с облаком подходы и технологии.

В 2023 году CNCF выпустила отчет о Kubernetes:

1. Это второй по полярности проект в мире после Linux.

2. Его использует 71% компаний из списка Fortune 100.

3. По данным Gartner, более 90% международных компаний к 2027 году перейдут на контейнерные приложения.

Kubernetes переводится с древнегреческого как «Рулевой». Сокращение K8s обозначает первую и последнюю буквы названия технологии, а также восемь пропущенных символов между ними: K________s.

Архитектура Kubernetes (K8s)

Управление контейнерами в K8s включает развертывание кластера с нодами и настройку множества других объектов.

• Ноды или узлы — аппаратные или виртуальные серверы, на которых развертываются контейнеры.
• Кластер состоит минимум из одной ноды, но обычно включает сразу несколько. Потому что дополнительные узлы обеспечивают отказоустойчивость системы и улучшают ее доступность.
• Pods — объекты для запуска контейнеров, выражения нагрузок и выполнения многих базовых операций.
• Replication Controllers — контроллер, который всегда гарантирует работу определенного количества реплик подов.
• Services — наборы объединенных подов с политикой доступа к ним.
• Volumes — директории в контейнере.
• Labels — пары ключ/значение, которые прикрепляются к объектам, например подам.
• Kubectl Command Line Interface — консольный интерфейс.

Типы нод в кластере K8s

Master — главная нода, которая следит за работой остальных узлов и распределяет нагрузку между ними. Для повышения отказоустойчивости можно использовать несколько мастер-нод.

Worker — ноды с контейнерами, количество которых на одном узле зависит от объема его памяти и параметров CPU. Увеличение числа рабочих узлов позволяет запускать больше приложений и повышает отказоустойчивость кластера: при сбое в одной ноде нагрузка распределяется по остальным.

Компоненты управления Kubernetes (K8s)

Kube-apiserver выполняет роль API-сервера. Позволяет взаимодействовать с кластером через RESTful-запросы. Обеспечивает аутентификацию и авторизацию. Поддерживает горизонтальное масштабирование.

Kube-scheduler распределяет поды по узлам, учитывая доступные ресурсы, топологию сети, состояние и нагрузку на ноды, политику доступов и другие критерии.

Etcd — хранилище формата «ключ-значение» для данных кластера. Самостоятельный сервис.

Kube-proxy управляет сетевым доступом к подам и балансировкой нагрузки. Совместим с IPVS, iptables и другими сетевыми режимами.

Kube-controller-manager управляет контроллерами — фоновыми процессами, которые следят за содержимым кластера и выполняют вспомогательные действия. Например, создают, обновляют и удаляют объекты, автоматически масштабируют приложения, уведомляют о сбоях.

Kubelet — утилита, которая следит за состоянием ноды, подов и контейнеров.

Преимущества и недостатки Kubernetes (K8s)

Kubernetes позволяет автоматизировать и оптимизировать разработку программного обеспечения и тем самым открывает ряд преимуществ в создании ПО и сопровождении IT-систем.

Плюсы K8s

Сокращение time-to-market. Автоматизация процессов, например восстановление контейнеров, упрощает взаимодействие отделов разработки и эксплуатации. Благодаря этому разработчики могут меньше времени тратить на обслуживание IT-инфраструктуры и больше уделять написанию кода.

Поддержка микросервисов. В Kubernetes можно эффективно работать с микросервисной архитектурой: собирать приложения, обновлять и тестировать их отдельные элементы, вносить изменения и восстанавливать предыдущие версии.

Гибридность и мультиоблачность. Независимость приложений от IT-инфраструктуры позволяет перемещать их между различными облачными или локальными средами. И с платформой можно интегрировать дополнительные сервисы и инструменты.

Оптимизация расходов. Легковесность контейнеров и гибкость платформы позволяет эффективно использовать вычислительные ресурсы и снижает затраты на инфраструктуру.

Минусы K8s

Сложная технология. Несмотря на все возможности платформы запуск и обслуживание K8s требует серьезных навыков даже для решения относительно простых задач.

Расходы на персонал. За редким технологическим стеком скрывается дефицит и высокая зарплата компетентных IT-специалистов. В зависимости от сложности системы может потребоваться целая команда DevOps-инженеров.

Однако обе проблемы легко решить, если делегировать запуск и сопровождение Kubernetes нам.

K8s — инструмент для гибкой разработки, совместимый с cloud-сервисами. Интегрируя Kubernetes с облаком, можно масштабировать систему, обеспечить проекту высокую доступность и при этом оплачивать только используемые мощности.