Как работает Kubernetes и кому нужна микросервисная архитектура

В современных IT-разработках появляется множество интересных трендов. Один из них — контейнеризация приложений. Сложность масштабирования, выставления подходящих настроек — главные проблемы в этой сфере, с которыми столкнутся обычные потребители. В настоящее время разработаны системы, которые управляют процессом автоматически. Kubernetes — одно из таких решений.

Что такое Kubernetes?

По сути, Kubernetes относится к проектам, у которых открыт исходный код. Его главное предназначение — сделать кластер контейнеров в Linux единой системой, а потом управлять ею. Контейнеры приложений относят к экземплярам исполняемого ПО. В них включены такие элементы, как среды выполнения и библиотеки с зависимостями, связанные конфигурационные файлы, код двоичного типа.

Контейнер представлен отдельно от системного хоста и автономен, поэтому работа упрощается вне зависимости от того, какой платформой пользуется владелец. Их применяют, чтобы изолировать программные процессы, контролировать ресурсы. Любые из приложений, которые уже существуют, можно упаковать в контейнеры, пользуясь новыми технологиями. Тогда и перераспределение ресурсов становится более эффективным.

Kubernets не только запускает контейнеры, но и управляет ими на большом количестве хостов. Дополнительно обеспечивается совместное размещение, репликация большого количества контейнеров. Проект начинался в Google, но теперь технологию поддерживает большое количество компаний.

СМОТРИТЕ ТАКЖЕ: Топ 20 CMS для видеонаблюдения и IP-камер

Компоненты и архитектура

Этот Фреймворк кажется удобным и простым. Главное — разобраться в архитектуре перед тем, как начать что-то использовать. Например, изучают способ связи между компонентами.  Обычно это происходит через интерфейс API. Для компонентов выделяют две основные группы — Worker, либо Master Node.

Описание базовых компонентов выглядит следующим образом:

1. Kubelet — транслятор для статусов на узле. Контролирует корректность работы контейнера, образа в целом.
2. Kube-Proxy. Комплекс, в котором одновременно присутствуют прокси-сервер и модель балансировки нагрузки. Благодаря этому можно направлять входящие виды трафика под конкретные контейнеры.
3. Volume. Наименование ресурса, делающего возможным запуск нескольких контейнеров одновременно.
4. Pods — базовые модули, отвечающие за управление приложениями. Включают один или несколько контейнеров.
5. Nodes. Так называются физические или виртуальные разновидности машин, на мощностях которых и запускаются контейнеры.

Установка всех компонентов проходит автоматически. Для этого используют сторонние инструменты, либо всё делается вручную, по отдельности с каждым элементом. Это и есть модель Master Node, в которой включены все функции по управлению, контролю. Связь с контейнерами идёт через API. Потом считываются все показатели, даётся команда на запуск. Допустима штатная остановка или принудительное закрытие.

ВАМ МОЖЕТ БЫТЬ ИНТЕРЕСНО: Платформа PaaS как услуга

Как работает технология?

Концепция контейнеризации: в самих контейнерах содержатся различные библиотеки и сервисы, другие ресурсы, необходимые для работы приложений. Каждому контейнеру присваивается индивидуальный IP-адрес, через который реализуют доступ к компонентам извне. Сам контейнер выступает в качестве программного компонента самого низкого уровня абстракции. Их собирают в поды, чтобы наладить взаимодействие на должном уровне.

Платформа Kubernetes нужна, чтобы обеспечить динамическое распределение ресурсов узла между подами. На каждом узле непрерывно собирают данные не только о производительности, но и о том, как используются ресурсы.

Для некоторых проектов особенно важен запуск, остановка и управление контейнерами, которые в подах организуются автоматически. Если с каким-то из элементов появляются проблемы, то его пытаются повторно разворачивать и перезапускать. Каждый узел постоянно отправляет в систему информацию, которую удалось получить после диагностики. Если обнаруживаются какие-то несоответствия, сервис принимает соответствующие решения и организует правильные действия.

Принципы устройства

В основе всей работы этой системы стоит так называемый декларативный подход. Разработчик должен сам указать, какого результата он ожидает. Способы достижения этих результатов не имеют значения.

Есть императивные команды, которые тоже можно использовать:

• Delete.
• Edit.
• Create.

Благодаря этим действиям можно не только удалять ресурсы, но и модифицировать их, создавать. Главное – не применять такие команды, когда требуется решить критически важную проблему. Обычно применяется база Linux-контейнеров. Добавляется описание. В него включены сведения относительно того, сколько всего требуется ресурсов, какое количество контейнеров необходимо. Рабочие ноды или физические виртуальные машины становятся главной опорой для контейнеров и их развёртывания.

Основные задачи Kubernetes

Их не так много, но важна каждая:

• В процессе запуска балансируют контейнерами в большом количестве. Для этого используется API. Инструмент помогает логически сгруппировать контейнеры. Их легче определить по пулам и задать определённое размещение. Важно проследить за тем, чтобы равномерно распределялась нагрузка.
• Масштабирование контейнеров, их запуск на большом количестве хостов.
• Развёртывание контейнеров. Программа должна выполнять все операции, необходимые для запуска соответствующей конфигурации (например, перезапуск контейнеров после освобождения, перемещение для выделения ресурсов на новые контейнеры, другие виды действий).

Преимущества k8s

Это самый удобный инструмент для решения соответствующих задач. Вот лишь некоторые положительные стороны:

1. При появлении сбоя система умеет самовосстанавливаться. Она самостоятельно опознаёт повреждённые контейнеры или те, что перестали отвечать на запросы. Особые метрики и тесты помогают определить правильный вариант. Остаётся создать контейнеры заново, перезапустить на том же поде.
2. Управление паролями и настройками, даже если их много. Приложение допустимо использовать, чтобы безопасно обрабатывать любую конфиденциальную информацию, включая пароли и токены, ключи. При обновлении настроек не требуется создавать контейнер заново.
3. Ресурсы распределяются в автоматическом режиме. Это касается пространства и оперативной памяти, которые выделяются из кластера для получения всего необходимого в работе.
4. Откат изменений, их внедрение тоже полностью автоматические. Текущую конфигурацию контейнеров можно изменить по собственному усмотрению. Если при развёртывании стабильность нарушится, изменения сами откатятся до старых версий, которые работали более стабильно.
5. Управление хранилищами в автоматическом режиме. Владельцы только выбирают, какой из элементов применяется на практике по умолчанию. Оно бывает от внешнего облачного провайдера, либо внутреннее. Но встречаются и другие варианты.
6. Балансировка нагрузок, обнаружение сервисов. Работа ведётся по собственным IP-адресам контейнеров, или целой группе задают общее имя DNS. При развёртывании и работе важна стабильность, что предполагает регулирование и распределение сетевого трафика соответствующим образом.

ИНТЕРЕСНО: Basecamp: основные функции, преимущества и недостатки системы

Виды контроллеров

Контроллерами называются средства управления, которые следят за кластером, поддерживают его состояние. Существует несколько типов приспособлений в этой группе:

1. Job или задания. Организуются однократные запуски подов, завершение их работы. Есть CronJob — разновидность, которая запускает группу заданий в зависимости от существующего расписания.
2. DaemonSet – совокупность фоновых программ, которые работают без прямого взаимодействия с пользователями. Они нужны, чтобы запускать реплику выбранного Пода для каждого отдельного узла (т.е, поды добавляются в кластер по мере того, как увеличивается количество узлов).
3. StatefulSet или набор состояния. Контроллер управляет приложениями и отслеживает их состояние. Использует постоянное хранилище.
4. ReplicaSet. Он создаёт описание, управляет работой нескольких подов на кластере. Устойчивость системы к отказам выше, если количество реплик увеличивают. Это способствует улучшению и упрощению масштабирования для приложений.
5. Deployment или развёртывание. Это алгоритмы и директивы, которые дают полное описание. В него входит информация о самих подах и количестве их экземпляров, при необходимости — о порядке замены на случай, когда корректировки вносятся и в характеристики. Разработчику это помогает заранее указать, как меняться ноды, наборы реплик (один из самых популярных вариантов для тех, кто ищет подходящий способ размещения приложений).

Пример настройки кластера

Сначала пользователь указывает, на каком сервере установлено ПО. Это первичный инструмент, с помощью которого запускаются остальные операции. Потом выполняется инициализация.

Лучше использовать функцию -pod-network-cidr. Она помогает задать адрес виртуальной сети. Может быть разной в зависимости от того, какой сетевой плагин используется в том или ином случае.

Один из самых распространённых плагинов — Flannel. Для него характерно использование сети 10.244.0.0/16. Всегда есть вероятность, что появятся предупреждения или ошибки, когда в консоли выполняется команда. Главное — как можно быстрее всё исправлять. Только предупреждения можно оставить без внимания.

sudo kubeadm init —pod-network-cidr=10.244.0.0/16

Если всё правильно, то на экране на следующем этапе появляется команда, которая позволяет соединить остальные ноды кластера и первичный хост. Построение кластера в конкретном случае влияет на то, как выглядят команды. Информацию сохраняют на будущее.

Когда команда будет выполнена, в системе появится примерный результат. После этого пользователь выполняет от своего имени некоторые дополнительные команды.

Сетевой интерфейс контейнера требуется настроить отдельно перед тем, как начать запускать приложения. Это нужно, чтобы внутри кластера легко было управлять всеми элементами, чтобы взаимодействие между ними проходило должным образом.

mkdir -p $HOME/.kube

sudo cp -i /etc/kubernetes/admin.conf $HOME/.kube/config

sudo chown $(id -u):$(id -g) $HOME/.kube/config

Для создания правильных CNI выпускается большое количество плагинов. Flannel — одно из самых простых и проверенных решений. Но есть другие разновидности плагинов, включая Calico, Weave Net. Они часто отличаются более широким функционалом и возможностями для сетевых настроек.

kubectl apply -f https://raw.githubusercontent.com/coreos/flannel/master/Documentation/kube-flannel.yml

Запуск тестового сервера

Сервисы в Kubernets, по сути, абстракция. Она определяет логический набор подов и политику доступа к ним. Иногда такие наборы с подами ещё называют микросервисами. Сам набор подов можно легко корректировать под себя, в том числе, присваивая определённые метки и селекторы.

Например: команды backend предполагают создание трёх реплик подов, которые занимаются обработкой изображений. С функциональной точки зрения все элементы идентичны друг другу, они реплики. Поэтому во frontend не беспокоятся о том, какой элемент попадает под запрос.

Чаще всего сервисы используются, чтобы получить доступ к подам в кластере, но можно использовать их и в другой сфере:

• Часть того, что запущено вне кластера.
• Совершенно иной сервис.
• Внешний кластер.

Kubernetes может работать с разными системами виртуализации.

В случае с операционными системами вроде Linux нужно использовать несколько разновидностей команд. Команда создания кластера запускается отдельно. Если всё прошло нормально, то запуск проходит без дополнительных ошибок. Главная особенность этого процесса – практически всё пользователь пишет сам, используя командные строки и другие подобные инструменты. Обычно поды включают один или несколько контейнеров, поэтому важно указывать, какой образ используется для их создания. Можно указывать любые существующие образы. Volume — так называется общая папка между хостом и контейнером (для неё тоже нужны дополнительные настройки).

Зачем ещё нужен Kubernetes, что он делает?

Контейнеры становятся отличным способом не только для связи приложений друг с другом, но и запуска их. Это отличный вариант для организации управления. Он поможет сделать так, что простои будут отсутствовать.

Главное – помнить, что у этого инструмента есть определённые возможности, которые можно назвать общеприменимыми. Главное преимущество в том, что пользователь может выбирать настройки сам там, где ему это необходимо.

Дополнительные особенности этого решения:

• Не ограничиваются типы приложений, поддерживаемые на постоянной основе. Правило распространяется на рабочие нагрузки, допустима обработка данных, отслеживание состояний либо отсутствие функций. Kubernetes сочетается с приложениями, работающими в контейнере.
• Отсутствует развёртывание кодов и сбор приложений за счёт ПО. Только технические требования, культура и предпочтения организации определяют, как будут проходить рабочие процессы по интеграции, доставке и развёртыванию.
• Для обработки информации и баз с ней не применяют дополнительные платформы, промежуточные разновидности программных приложений. Но их можно включить через соответствующие переносные механизмы.
• Внутри программы не ведётся журнал, отсутствуют функции для мониторинга или оповещения. Можно обеспечить только некоторые интеграции в этом плане.
• Настройка языка или системы не указываются с самого начала, по ним отсутствуют дополнительные требования. Разработчик выбирает сам, как ему вводить настройки.
• Комплексные системы конфигурации тоже отсутствуют.

В Kubernetes есть только рабочий процесс. Сначала совершается одно действие, потом другое, за ним следующее. Есть только набор из независимых процессов управления. Не важно, как именно будут добираться от одной точки к другой. Централизованный доступ тоже отсутствует, поэтому система удобна в использовании, более мощная и надёжная по сравнению с другими вариантами.

Какие ещё полезные компоненты есть у программы?

Есть компоненты, которые не обязательны для правильного функционирования, но и могут быть полезными:

1. Система с доменными именами.В Kubernetes есть свой механизм для обнаружения сервисов между подами с помощью DNS. Этот сервер может быть дополнением для любых других серверов, которые уже входят в инфраструктуру.
2. Журнал с кластерными уровнями. Любые инструменты журналирования можно интегрировать с этой системы. Там будут показаны стандартные коды ошибок, проще отслеживать общее состояние. Но место для хранения журналов будет отсутствовать первоначально. Пользователи выбирают его сами.
3. Пакетный менеджер Helm в качестве диспетчера приложений. Это прикладные ресурсы программной среды, которые можно загружать, разворачивать на других объектах.

Дополнительная информация по установке

Основным инструментом в этом процессе становится скрипт. Рекомендуется опираться на официальные инструкции, главное — подстроить их к своим дистрибутивам. Это не сложная работа, нужно просто быть внимательны. Но инструкции из сети работают не всегда. Ведь разные версии дистрибутивов отличаются по действиям.

Существуют специфические проблемы. По мере дальнейшего развития технологий сам процесс развёртывания тоже меняется, как и параметры из конфигурационных файлов.
Всегда можно найти архив с примерами и готовыми настройками для разных конфигураций. Достаточно найти свой вариант, а потом запустить установочный скрипт. Надо указать конфигурацию сети. Для этого используют данные, полученные после выполнения команды ipconfig.

containerd config default>/etc/containerd/config.toml

Если всё правильно, скрипт автоматически скачивает, устанавливает компоненты на ноды, которые были прописаны пользователями. Отдельно ставят пароль для управления узлом. Когда процесс завершится, получается сообщение об успешной работе.

Самый простой вариант использовать Kubernetes — установка программы Docker Desktop. Дополнительно ставят ПО kubectl. Для запуска и установки программ используют командные строки, прописывая разные параметры.

apt-get update

apt-get install -y docker.io

Часто pod становится минимальной единицей для развёртывания. В одном поде может содержаться один контейнер, но встречаются ситуации, когда их сразу несколько. Тогда они разворачиваются вместе с помощью одной физической машины. Никогда не происходит так, чтобы одна половина пода развернулась на одной машине, а вторая на второй.
Большинство команд выполняются примерно по одному и тому же алгоритму.

Полезно знать: Изнутри контейнеров можно получить всю необходимую информацию о сервисах. Но есть и один нюанс: сервис должен существовать к моменту, когда контейнер запущен. Можно сделать так, чтобы снаружи никто не мог получить доступа ко внутреннему содержимому.

О дополнительных настройках и проверке работоспособности

Мастер нода не запускает контейнеры, если речь о дефолтной конфигурации. Большая часть ресурсов тратится на отслеживание того, в каком состоянии находится кластер. Немало времени уходит на перераспределение ресурсов. Нужно ввести специальную команду, чтобы контейнеры запускались на мастере. То же самое касается проверки работоспособности программы. После всех проверок и контроля установку считают завершённой.

В программе Docker код работает отдельно от современных устройств. Именно поэтому запуск приложений без проблем проходит в любых системах. Пакетная работа обычно включает несколько основных действий:

• Группировка.
• Управление.
• Настройка.
• Одновременный запуск на большом количестве виртуальных машин.

Чем больше сервисов в распоряжении владельца, тем больше экономится времени.

Что ещё нужно учесть, работая с программой?

Ноды или серверы в кластеры достаточно требовательны к ресурсам. Им необходимо приличное количество компонентов. Минимальная сборка для хорошей работы требует минимум 6 серверов с процессорами в 2 ядра и памятью RAM в 4 ГБ. Если нагрузка высокая, то оперативную память увеличивают до 8 ГБ. Но есть новые дистрибутивы, которые применяются для разработки. Они помогут в ситуациях, когда технические показания у серверов явно не доходят до минимальных требований классического ПО.

K3S — пример такой программы, которая, по словам разработчиков, сжимается в пять раз (т.е. приложение без проблем запускается даже на старых и слабых компьютерах).
Если отказаться от Docker, а использовать его элемент под названием Containerd — дистрибутив получится ещё легче.

sudo apt update
sudo apt install containerd.io -y

В результате создаётся та же исполняемая среда, через которую запускают контейнеры. Сохранение надёжности и масштабируемости при упрощении всех функций — главная цель разработчиков. При этом можно вернуть использование Docker, когда это необходимо.

Необходимо уже в самом начале думать о том, как проект будет масштабироваться. Контейнеризация делает этот процесс лёгким и простым, насколько вообще возможно. Kubernetese сейчас продолжает стремительно развиваться, поэтому доступен на всех облачных сервисах, включая самые известные.

Например, масштабирование может быть:

• Вертикальным.
• Горизонтальным.

Первый метод более сложный. Можно одновременно использовать оба решения. Здесь всё зависит от конкретной компании. Главное — правильно выбрать, заказать характеристики машин.

Подведение итогов

Kubernetese полагается на другие проекты, способные обеспечить все возможности. Например, допустимо развивать автоматизацию, безопасность и телеметрию, сети, собственные реестры.

С основами Docker и Kubernetes полезно будет познакомиться любому специалисту, менеджеру по продукту, разработчику программного обеспечения, специалисту по данным. Эти технологии помогают наладить удобное сотрудничество с другими, развёртывать проекты и повышать ценность для работодателей.

Есть и множество дополнительных настроек, которые полезны для всех сервисов. Это сертификаты и доступ к приложению, межконтейнерное взаимодействие и мониторинг, надёжность в критических ситуациях, хранение секретов, постоянное хранилище.

Kubernetes поможет управлять сложными кластерами, состоящими из множества виртуальных машин. Не составит труда развернуть свои сервисы и приложения в этой среде, масштабировать всё под разные виды нагрузок. Есть много инструментов, ускоряющих работы, обеспечивающих стабильную рабочую инфраструктуру.