Architektura Kubernetes z praktycznymi przykładami
Kubernetes stał się standardem branżowym w orkiestracji kontenerów, ale jego złożona architektura często przeraża początkujących. Ten przewodnik oferuje wyjaśnienie architektury Kubernetes z przykładami, które rozjaśnia każdy komponent, pokazując, jak współdziałają, aby automatyzować wdrażanie, skalowanie i zarządzanie aplikacjami w środowiskach produkcyjnych.
Czego się nauczysz
Pod koniec tego przewodnika zrozumiesz, jak komponenty klastra Kubernetes współpracują, aby niezawodnie uruchamiać konteneryzowane aplikacje, i będziesz w stanie określić rolę każdego komponentu płaszczyzny sterowania i węzła roboczego. Będziesz w stanie wyjaśnić cały przepływ żądań — od wysłania przez użytkownika wdrożenia do pojawienia się aplikacji — na konkretnym przykładzie.
Jak to działa: architektura wielowarstwowa z analogią ze świata rzeczywistego
Wyobraź sobie klaster Kubernetes jako firmę transportową. Płaszczyzna sterowania to centrala, w której menedżerowie podejmują strategiczne decyzje. Węzły robocze to statki towarowe, które fizycznie przewożą kontenery. Każdy kontener na statku to Pod, najmniejsza jednostka wdrażana w Kubernetes.
Płaszczyzna sterowania: mózg klastra
Płaszczyzna sterowania zarządza stanem klastra i koordynuje wszystkie działania. Składa się z kilku krytycznych komponentów:
kube-apiserver pełni rolę punktu rejestracji — cała komunikacja z klastrem przechodzi przez ten komponent. Gdy wykonujesz polecenia kubectl, serwer API uwierzytelnia twoje żądanie, sprawdza je i aktualizuje stan klastra przechowywany w etcd — rozproszonym magazynie klucz-wartość, który służy jako główne repozytorium wszystkich danych klastra.
kube-scheduler śledzi nowo utworzone Pody, którym nie przypisano węzła. Inteligentnie wybiera najbardziej odpowiedni węzeł roboczy na podstawie wymagań dotyczących zasobów, ograniczeń i polityk. Na przykład, jeśli żądasz Poda, który potrzebuje GPU, scheduler będzie rozważał tylko węzły z zasobami GPU.
kube-controller-manager uruchamia zestaw kontrolerów, które nieprzerwanie monitorują stan klastra i wprowadzają poprawki. Kontroler węzłów wykrywa, gdy węzły ulegają awarii, kontroler zadań zarządza jednorazowymi zadaniami, a kontroler EndpointSlice łączy serwisy z Podami.
Węzły robocze: gdzie działają aplikacje
Każdy węzeł roboczy uruchamia trzy główne komponenty:
kubelet to główny agent węzła, który zapewnia uruchamianie kontenerów w Podzie zgodnie ze specyfikacją. Otrzymuje specyfikacje Podów z serwera API i zarządza środowiskiem uruchomieniowym kontenerów, aby uruchamiać i monitorować te kontenery.
kube-proxy utrzymuje reguły sieciowe, które umożliwiają komunikację z Podami z wewnątrz lub z zewnątrz klastra. Implementuje koncepcję serwisu, przekierowując ruch do odpowiednich Podów za pomocą reguł filtrowania pakietów.
Środowisko uruchomieniowe kontenerów (np. containerd lub CRI-O) to oprogramowanie odpowiedzialne za faktyczne uruchamianie kontenerów.
Praktyczny przykład: wdrażanie aplikacji webowej
Prześledźmy, co się dzieje podczas wdrażania serwera WWW Nginx:
- Piszesz plik YAML wdrożenia, określający 3 repliki kontenera Nginx.
- Wysyłasz go za pomocą
kubectl apply -f deployment.yaml. Żądanie dociera do serwera API. - Serwer API uwierzytelnia cię i zapisuje żądany stan w etcd.
- Scheduler wykrywa niezaplanowane Pody i przypisuje je do węzłów roboczych z dostępną pojemnością.
- Na każdym przypisanym węźle roboczym kubelet otrzymuje specyfikację Poda i instruuje środowisko uruchomieniowe kontenerów, aby pobrało obraz Nginx i uruchomiło kontener.
- Kontroler-menadżer nieprzerwanie sprawdza, czy działają 3 repliki, a jeśli Pod ulegnie awarii, tworzy zamiennik.
- Tworzony jest serwis, aby udostępnić aplikację, a kube-proxy konfiguruje reguły sieciowe, aby ruch mógł docierać do Podów.
Dlaczego to jest ważne
Architektura Kubernetes zapewnia możliwości, które radykalnie zmieniają sposób, w jaki organizacje wdrażają i zarządzają oprogramowaniem:
Samouzdrawianie: Jeśli kontener ulegnie awarii lub węzeł stanie się niedostępny, kontrolery automatycznie zastępują uszkodzone Pody na zdrowych węzłach, minimalizując przestoje.
Skalowanie poziome: Horyzontalny autoskalator Podów może automatycznie regulować liczbę replik Podów na podstawie obciążenia CPU lub niestandardowych metryk, umożliwiając aplikacjom obsługę skoków ruchu bez ręcznej interwencji.
Stopniowe aktualizacje i wycofywanie: Wdrożenia zapewniają aktualizacje bez przestojów. Możesz stopniowo zastępować stare Pody nowymi wersjami, a w przypadku problemów natychmiast wycofać zmiany.
Efektywność wykorzystania zasobów: Scheduler optymalizuje rozmieszczenie Podów na węzłach, poprawiając wykorzystanie zasobów i obniżając koszty infrastruktury.
W liczbach
| Metryka | Szczegóły |
|---|---|
| Pierwsze wydanie | Kubernetes 1.0 wydany 21 lipca 2015 roku |
| Węzły płaszczyzny sterowania | Klastry produkcyjne zwykle uruchamiają 3 węzły płaszczyzny sterowania dla wysokiej dostępności |
| Węzły robocze | Duże klastry mogą przekraczać 1 000 węzłów roboczych |
| Maksymalna liczba Podów na węzeł | Do 110 domyślnie (można skonfigurować) |
| Opóźnienie żądań do API | 99. percentyl zwykle poniżej 1 sekundy w dobrze skonfigurowanych klastrach |
| etcd | Może obsłużyć do ~10 000 zapisów na sekundę na dyskach NVMe |
Powszechne mity vs. fakty
| Mit | Fakt |
|---|---|
| "Kubernetes uruchamia kontenery bezpośrednio na węzłach." | Kubernetes nigdy nie uruchamia kontenerów bezpośrednio — zawsze działają one wewnątrz Podów, które są najmniejszymi jednostkami wdrażanymi, obejmującymi sieć i magazyn. |
| "Serwer API to pojedynczy punkt awarii." | kube-apiserver jest zaprojektowany do skalowania poziomego poprzez wdrożenie wielu instancji z równoważeniem obciążenia. |
| "Wszystkie klastry Kubernetes muszą uruchamiać kube-proxy." | Wtyczki sieciowe mogą implementować własne proxy serwisów, co czyni kube-proxy opcjonalnym w takich przypadkach. |
| "Pody zawsze powinny zawierać tylko jeden kontener." | Pody mogą zawierać wiele ściśle powiązanych kontenerów, które współdzielą sieć i magazyn, na przykład serwer WWW i kontener do logowania. |
| "Dane etcd nie są krytyczne dla działania klastra." | etcd jest głównym magazynem wszystkich danych klastra i powinieneś mieć plan tworzenia kopii zapasowych dla niego. |
Co zrobić z tą wiedzą
Aby efektywnie pracować z architekturą Kubernetes:
- Zacznij od zarządzanego Kubernetes, jeśli jesteś początkujący — takie usługi jak GKE, EKS lub AKS abstrahują zarządzanie płaszczyzną sterowania, abyś mógł skupić się na aplikacjach.
- Naucz się czytać manifesty YAML dla podstawowych zasobów: Podów, wdrożeń, serwisów i ConfigMap. To fundamentalne elementy składowe, których będziesz używać codziennie.
- Używaj poleceń kubectl describe i logs do rozwiązywania problemów — zrozumienie, jak komponenty współdziałają, pomoże ci szybciej diagnozować problemy.
- Zawsze określaj żądania i limity zasobów w manifestach wdrożenia. Pomaga to schedulerowi podejmować optymalne decyzje dotyczące rozmieszczenia i zapobiega niedoborom zasobów.
- Poznaj polityki sieciowe, aby zapewnić bezpieczeństwo komunikacji między Podami po zrozumieniu podstawowej architektury.
Źródła
- Oficjalna dokumentacja Kubernetes – Architektura klastra
- Dokumentacja szkoleniowa Kubernetes z SLAC National Accelerator Laboratory
- Notatki z wprowadzenia do Kubernetes od KodeKloud
- Samouczki i przewodniki Kubernetes od LabEx
- Kompletny przewodnik po Kubernetes (GitHub)
— Editorial Team
Brak komentarzy.