Orchestrace Budoucnosti: Úvod do Kubernetes (K8s)

V rychle se vyvíjejícím světě vývoje a nasazování softwaru jste pravděpodobně slyšeli termín „Kubernetes“ (často zkracovaný jako K8s). Stal se základní technologií pro správu moderních, kontejnerizovaných aplikací ve velkém měřítku. Ale co přesně Kubernetes je a proč je tak důležitý? Pojďme si rozebrat základy.

Před Kubernetes: Vzestup Kontejnerů

Abychom pochopili Kubernetes, musíme nejprve porozumět kontejnerům. Představte si kontejner (jako ty vytvořené pomocí Dockeru) jako lehký, samostatný, spustitelný balíček softwaru, který obsahuje vše potřebné k běhu aplikace: kód, runtime, systémové nástroje, systémové knihovny a nastavení.

Kontejnery řeší problém „na mém stroji to funguje“ tím, že poskytují konzistentní prostředí pro aplikace napříč různými infrastrukturami. Umožňují rychlejší vývoj, snadnější nasazení a lepší využití zdrojů ve srovnání s tradičními virtuálními stroji.

Jak však počet kontejnerů roste, jejich ruční správa se stává významnou výzvou. Jak:

• Nasadit nové verze vaší aplikace bez výpadku?
• Škálovat vaši aplikaci nahoru nebo dolů podle poptávky?
• Zajistit, aby se vaše aplikace automaticky zotavila z chyb?
• Spravovat sítě a úložiště pro vaše kontejnery?

Zde přichází na řadu orchestrace kontejnerů, a konkrétně Kubernetes.

Co je Kubernetes?

Kubernetes (K8s) je open-source platforma pro orchestraci kontejnerů navržená k automatizaci nasazování, škálování a správy kontejnerizovaných aplikací. Původně vyvinutý společností Google a nyní spravovaný Cloud Native Computing Foundation (CNCF), Kubernetes poskytuje robustní rámec pro spolehlivý běh distribuovaných systémů.

Jednodušeji řečeno, Kubernetes je jako „dirigent“ orchestru kontejnerů. Říká každému kontejneru, co má dělat, kde má běžet, jak komunikovat s ostatními kontejnery a co dělat, když se něco pokazí.

Základní Koncepty Kubernetes

Porozumění Kubernetes zahrnuje pochopení několika klíčových konceptů:

1. Cluster

Kubernetes cluster je sada strojů, nazývaných uzly (nodes), které spouštějí kontejnerizované aplikace. Cluster má alespoň jeden hlavní uzel (master node nebo řídicí rovina) a jeden nebo více pracovních uzlů (worker nodes).

• Hlavní uzel (Control Plane): Toto je mozek clusteru. Spravuje pracovní uzly a Pody (viz níže) v clusteru. Klíčové komponenty hlavního uzlu zahrnují API server (pro správu clusteru), etcd (konzistentní a vysoce dostupné úložiště klíč-hodnota pro všechna data clusteru), scheduler (přiřazuje Pody uzlům) a controller manager (spouští procesy kontrolerů).
• Pracovní uzly: Jsou to stroje (virtuální nebo fyzické), kde vaše aplikace (v kontejnerech) skutečně běží. Každý pracovní uzel spouští Kubelet (agent pro správu uzlu a komunikaci s hlavním uzlem) a kontejnerový runtime (jako Docker).

2. Pody (Pods)

Pod je nejmenší a nejjednodušší nasaditelná jednotka v Kubernetes. Pod představuje jednu instanci běžícího procesu ve vašem clusteru. Důležité je, že Pod může obsahovat jeden nebo více kontejnerů (např. aplikační kontejner a pomocný/sidecar kontejner), které sdílejí úložiště, síťové prostředky a specifikaci, jak kontejnery spouštět. Kontejnery ve stejném Podu jsou vždy umístěny a plánovány společně na stejném pracovním uzlu.

3. Služby (Services)

Pody jsou dočasné – mohou být vytvořeny a zničeny. To znamená, že jejich IP adresy se mohou měnit. Služba poskytuje stabilní IP adresu a DNS název pro sadu Podů, což umožňuje ostatním aplikacím uvnitř nebo vně clusteru se k nim spolehlivě připojit. Služby fungují jako load balancer a abstrahují jednotlivé IP adresy Podů.

Běžné typy Služeb zahrnují ClusterIP (interní přístup), NodePort (zpřístupňuje službu na IP adrese každého uzlu na statickém portu) a LoadBalancer (zpřístupňuje službu externě pomocí load balanceru cloudového poskytovatele).

4. Deploymenty (Deployments)

Deployment poskytuje deklarativní aktualizace pro Pody a ReplicaSety (které zajišťují běh zadaného počtu replik Podů). V Deploymentu popíšete požadovaný stav a Deployment Controller změní skutečný stav na požadovaný stav kontrolovanou rychlostí. To umožňuje snadné aktualizace aplikací (rolling updates), návraty k předchozím verzím (rollbacks) a škálování.

5. ReplicaSety a ReplicationControllery

ReplicaSet zajišťuje, že v daném okamžiku běží zadaný počet replik Podů. Pokud Pod selže, ReplicaSet spustí nový. Deploymenty spravují ReplicaSety a jsou doporučeným způsobem správy replikovaných Podů.

6. Jmenné Prostory (Namespaces)

Jmenné prostory poskytují způsob, jak rozdělit zdroje clusteru mezi více uživatelů nebo týmů. Vytvářejí virtuální clustery v rámci fyzického clusteru, což umožňuje kvóty zdrojů a logické oddělení.

7. ConfigMapy a Tajemství (Secrets)

• ConfigMapy se používají k ukládání nedůvěrných konfiguračních dat (jako nastavení aplikací) ve formě párů klíč-hodnota. Pody mohou tato data konzumovat jako proměnné prostředí, argumenty příkazového řádku nebo konfigurační soubory.
• Tajemství jsou podobná ConfigMapám, ale používají se k ukládání citlivých informací, jako jsou hesla, OAuth tokeny a SSH klíče. Kubernetes ukládá Tajemství šifrovaně (v klidu) a mohou být připojena do Podů jako soubory nebo zpřístupněna jako proměnné prostředí (ačkoli připojení jako soubory je obecně bezpečnější).

8. Svazky (Volumes)

Kontejnery v Podu mají dočasný souborový systém. Když kontejner selže, veškerá data zapsaná do jeho souborového systému jsou ztracena. Svazky poskytují trvalé úložiště pro Pody, což umožňuje datům přežít restarty kontejnerů. Kubernetes podporuje různé typy svazků, včetně lokálního úložiště na uzlech, síťového úložiště (jako NFS nebo iSCSI) a úložiště specifického pro cloudové poskytovatele (jako AWS EBS nebo Google Persistent Disk).

Proč Používat Kubernetes? Klíčové Výhody

• Škálovatelnost: Snadno škálujte své aplikace nahoru nebo dolů podle poptávky, buď ručně, nebo automaticky (Horizontal Pod Autoscaler).
• Vysoká Dostupnost a Samooprava: Kubernetes automaticky restartuje selhané kontejnery, nahrazuje a přeplánovává Pody, když uzly selžou, a ukončuje kontejnery, které nereagují na kontroly stavu.
• Automatizované Vydávání a Návraty k Předchozím Verzem: Nasazujte nové verze vaší aplikace postupně, monitorujte jejich stav a automaticky se vraťte k předchozí verzi, pokud se něco pokazí.
• Objevování Služeb a Vyvažování Zátěže: Poskytuje stabilní koncové body pro přístup k vašim aplikacím a distribuuje síťový provoz mezi Pody.
• Orchestrace Úložišť: Automaticky připojuje úložné systémy podle vašeho výběru, ať už lokální, síťové nebo cloudové.
• Optimalizace Zdrojů: Efektivnější využití podkladových hardwarových zdrojů díky hustšímu balení kontejnerů.
• Přenositelnost: Běží on-premises, ve veřejných cloudech (AWS, Azure, GCP všechny nabízejí spravované služby Kubernetes) nebo v hybridních prostředích.
• Velká a Aktivní Komunita: Rozsáhlá dokumentace, obrovský ekosystém nástrojů a silná komunitní podpora.

Výzvy Kubernetes

Ačkoli je Kubernetes mocný, má také strmou křivku učení a může být složitý na nastavení a správu, zejména pro menší týmy nebo jednodušší aplikace. Proto jsou spravované služby Kubernetes od cloudových poskytovatelů (jako GKE, EKS, AKS) velmi populární, protože zvládají velkou část složitosti správy podkladového clusteru.

Závěr

Kubernetes se stal de facto standardem pro orchestraci kontejnerů, umožňující vývojářům a provozním týmům spravovat složité, distribuované aplikace s větší efektivitou, odolností a škálovatelností. Ačkoli zavádí nové koncepty a určitou míru složitosti, jeho přínosy při správě moderních mikroslužeb a cloud-native aplikací jsou nepopiratelné. Porozumění jeho základním principům se stává stále důležitějším pro každého, kdo se zabývá vývojem softwaru, DevOps nebo cloudovou infrastrukturou.