Architektura Kubernetes s praktickými příklady
Kubernetes se stal průmyslovým standardem pro orchestraci kontejnerů, ale jeho složitá architektura často začátečníky odrazuje. Tato příručka nabízí vysvětlení architektury Kubernetes s příklady, které objasňuje každou komponentu a ukazuje, jak spolu interagují při automatizaci nasazování, škálování a správy aplikací v produkčních prostředích.
Co se naučíte
Na konci této příručky pochopíte, jak komponenty clusteru Kubernetes spolupracují při spolehlivém spouštění kontejnerizovaných aplikací, a budete schopni určit roli každé komponenty řídicí roviny a pracovního uzlu. Budete schopni vysvětlit celý tok požadavků – od odeslání nasazení uživatelem až po zobrazení aplikace – na konkrétním příkladu.
Jak to funguje: vícevrstvá architektura s analogií z reálného světa
Představte si cluster Kubernetes jako přepravní společnost. Řídicí rovina je centrála, kde manažeři přijímají strategická rozhodnutí. Pracovní uzly jsou nákladní lodě, které fyzicky přepravují kontejnery. Každý kontejner na lodi je Pod, nejmenší nasaditelná jednotka v Kubernetes.
Řídicí rovina: mozek clusteru
Řídicí rovina spravuje stav clusteru a koordinuje všechny akce. Skládá se z několika kritických komponent:
kube-apiserver funguje jako přepážka – veškerá komunikace s clusterem prochází přes tuto komponentu. Když spouštíte příkazy kubectl, API server autentizuje váš požadavek, ověří jej a aktualizuje stav clusteru uložený v etcd – distribuovaném úložišti klíč-hodnota, které slouží jako primární úložiště všech dat clusteru.
kube-scheduler sleduje nově vytvořené Pody, kterým nebyl přiřazen uzel. Inteligentně vybírá nejvhodnější pracovní uzel na základě požadavků na zdroje, omezení a politik. Pokud například požadujete Pod, který potřebuje GPU, plánovač bude uvažovat pouze uzly s GPU zdroji.
kube-controller-manager spouští sadu kontrolérů, které nepřetržitě monitorují stav clusteru a provádějí opravy. Kontrolér uzlů detekuje, kdy uzly selhávají, kontrolér úloh spravuje jednorázové úkoly a kontrolér EndpointSlice propojuje služby s Pody.
Pracovní uzly: kde běží aplikace
Každý pracovní uzel spouští tři hlavní komponenty:
kubelet je hlavní agent uzlu, který zajišťuje spouštění kontejnerů v Podu podle specifikace. Přijímá specifikace Podů z API serveru a spravuje běhové prostředí kontejnerů pro spouštění a monitorování těchto kontejnerů.
kube-proxy udržuje síťová pravidla, která umožňují komunikaci s Pody zevnitř nebo zvenčí clusteru. Implementuje koncept služby tím, že přesměrovává provoz na správné Pody pomocí pravidel filtrování paketů.
Běhové prostředí kontejnerů (např. containerd nebo CRI-O) je software odpovědný za samotné spouštění kontejnerů.
Praktický příklad: nasazení webové aplikace
Pojďme sledovat, co se děje při nasazení webového serveru Nginx:
- Napíšete YAML soubor nasazení, který specifikuje 3 repliky kontejneru Nginx.
- Odešlete jej pomocí
kubectl apply -f deployment.yaml. Požadavek dorazí k API serveru. - API server vás autentizuje a uloží požadovaný stav do etcd.
- Plánovač detekuje neplánované Pody a přiřadí je pracovním uzlům s dostupnou kapacitou.
- Na každém přiřazeném pracovním uzlu kubelet obdrží specifikaci Podu a dá pokyn běhovému prostředí kontejnerů, aby stáhlo obraz Nginx a spustilo kontejner.
- Kontrolér-manažer nepřetržitě kontroluje, že běží 3 repliky, a pokud Pod selže, vytvoří náhradu.
- Vytvoří se služba pro poskytnutí přístupu k aplikaci a kube-proxy nakonfiguruje síťová pravidla, aby provoz mohl dosáhnout Podů.
Proč je to důležité
Architektura Kubernetes poskytuje možnosti, které zásadně mění způsob, jakým organizace nasazují a spravují software:
Samoobnovení: Pokud kontejner selže nebo se uzel stane nedostupným, kontroléry automaticky nahradí nefunkční Pody na zdravých uzlech, čímž minimalizují výpadky.
Horizontální škálování: Horizontální autoscaler Podů může automaticky upravovat počet replik Podů na základě zatížení CPU nebo vlastních metrik, což umožňuje aplikacím zpracovávat špičky provozu bez ručního zásahu.
Postupné aktualizace a vrácení zpět: Nasazení umožňují aktualizace bez výpadků. Můžete postupně nahrazovat staré Pody novými verzemi a v případě problémů okamžitě vrátit změny zpět.
Efektivní využití zdrojů: Plánovač optimalizuje umístění Podů na uzlech, čímž zlepšuje využití zdrojů a snižuje náklady na infrastrukturu.
V číslech
| Metrika | Podrobnosti |
|---|---|
| První vydání | Kubernetes 1.0 vydán 21. července 2015 |
| Uzly řídicí roviny | Produkční clustery obvykle spouštějí 3 uzly řídicí roviny pro vysokou dostupnost |
| Pracovní uzly | Velké clustery mohou přesáhnout 1 000 pracovních uzlů |
| Maximum Podů na uzel | Až 110 ve výchozím nastavení (lze konfigurovat) |
| Latence požadavků na API | 99. percentil obvykle pod 1 sekundou v dobře nastavených clusterech |
| etcd | Může zpracovat až ~10 000 zápisů za sekundu na NVMe discích |
Běžné mýty vs. fakta
| Mýtus | Fakt |
|---|---|
| "Kubernetes spouští kontejnery přímo na uzlech." | Kubernetes nikdy nespouští kontejnery přímo – vždy běží uvnitř Podů, které jsou nejmenšími nasaditelnými jednotkami zahrnujícími síť a úložiště. |
| "API server je jediným bodem selhání." | kube-apiserver je navržen pro horizontální škálování nasazením více instancí s load balancerem. |
| "Všechny clustery Kubernetes musí spouštět kube-proxy." | Síťové pluginy mohou implementovat vlastní proxy služby, což činí kube-proxy v takových případech volitelným. |
| "Pody musí vždy obsahovat pouze jeden kontejner." | Pody mohou obsahovat více úzce propojených kontejnerů, které sdílejí síť a úložiště, například webový server a kontejner pro logování. |
| "Data etcd nejsou kritická pro provoz clusteru." | etcd je primárním úložištěm všech dat clusteru a měli byste mít plán zálohování pro něj. |
Co dělat s těmito znalostmi
Pro efektivní práci s architekturou Kubernetes:
- Začněte se spravovaným Kubernetes, pokud jste začátečník – služby jako GKE, EKS nebo AKS abstrahují správu řídicí roviny, abyste se mohli soustředit na aplikace.
- Naučte se číst YAML manifesty pro základní zdroje: Pody, nasazení, služby a ConfigMapy. To jsou základní stavební bloky, které budete denně používat.
- Používejte příkazy kubectl describe a logs pro odstraňování problémů – pochopení toho, jak komponenty interagují, vám pomůže rychleji diagnostikovat problémy.
- Vždy specifikujte požadavky a limity zdrojů v manifestech nasazení. To pomáhá plánovači přijímat optimální rozhodnutí o umístění a předchází nedostatku zdrojů.
- Prostudujte síťové politiky pro zajištění bezpečné komunikace mezi Pody po pochopení základní architektury.
Často kladené otázky
Jaký je rozdíl mezi nasazením a službou? Nasazení spravuje životní cyklus replik Podů – zaručuje, že běží specifikovaný počet identických Podů, a zpracovává aktualizace a vrácení zpět. Služba poskytuje stabilní síťový koncový bod pro přístup k těmto Podům, které jsou pomíjivé a mohou být kdykoli nahrazeny.
Proč Kubernetes potřebuje etcd? etcd slouží jako primární úložiště dat Kubernetes, sekvenčně a spolehlivě ukládá všechny informace o stavu clusteru, včetně toho, které Pody běží, jaké služby existují a konfigurační data. Bez etcd nemá cluster "zdroj pravdy" o svém požadovaném a skutečném stavu.
Co se stane, když pracovní uzel selže? Kontrolér uzlů detekuje nedostupnost uzlu (obvykle po uplynutí časového limitu). Poté plánovač přeplánuje všechny Pody, které běžely na selhaném uzlu, na jiné zdravé uzly, čímž udržuje požadovaný počet replik.
Jak služba směruje provoz k Podům? Služba udržuje sadu koncových bodů – IP adresy Podů odpovídajících jejímu selektoru štítků. kube-proxy na každém uzlu programuje síťová pravidla (iptables nebo IPVS), která přesměrovávají provoz určený pro virtuální IP adresu služby na tyto koncové body, čímž zajišťuje load balancing mezi Pody.
Jaký je rozdíl mezi úlohou a CronJob? Úloha vytvoří jeden nebo více Podů a zaručuje jejich úspěšné dokončení – používá se pro jednorázové úkoly, jako je zálohování databáze. CronJob vytváří úlohy podle opakujícího se plánu, což je užitečné pro periodické úkoly údržby, jako je denní čištění logů.
Zdroje
- Oficiální dokumentace Kubernetes – Architektura clusteru
- Výuková dokumentace Kubernetes od SLAC National Accelerator Laboratory
- Poznámky k úvodu do Kubernetes od KodeKloud
- Výukové programy a průvodce Kubernetes od LabEx
- Kompletní průvodce Kubernetes (GitHub)
— Editorial Team
Zatím žádné komentáře.