Kubernetes для чайников: что это, как работает и зачем он нужен

В современной вычислительной инфраструктуре контейнеры стали главным стандартом для упаковки и доставки приложений. Однако когда количество контейнеров исчисляется десятками или сотнями, ручное управление ими превращается в сложную, почти невыполнимую задачу. Именно здесь на сцену выходит инструмент под названием Kubernetes, который стал незаменимой системой для развертывания и управления масштабируемыми приложениями. В этой статье простыми словами разберёмся, что такое Kubernetes, как он работает и почему он стал основным инструментом для запуска современных приложений в виртуальных рабочих пространствах.

Kubernetes (также известный как K8s) — это платформа с открытым исходным кодом, используемая для оркестрации контейнеризорованных приложений. Kubernetes, будто дирижер в настоящем оркестре, не играет на инструментах, но ловко манипулирует музыкантами, чтобы их игра звучала слаженно и гармонично. Система Kubernetes изначально была разработана команда Google для личных нужд, однако в 2014 году компания передала код своего инструмента сообществу. До этого момента разработчики и операторы сталкивались с серьезными проблемами при работе с контейнерами, поскольку им приходилось управлять десятками контейнеров вручную, настраивать их взаимодействие друг с другом, балансировать нагрузку, восстанавливать их после сбоев и выполнять массу других сложных задач. Kubernetes устранил все эти проблемы, став самым эффективным инструментом для управления множеством контейнеров, распределяя их по серверам, следя за их состоянием и масштабируя их работу под нагрузкой. Важно понимать, что Kubernetes не может запускать контейнеры самостоятельно. Эту работу выполняют так называемые контейнерные рантаймы (например, Docker, containerd или CRI-O), а Kubernetes только управляет уже готовыми контейнерами. 

Вся магия Kubernetes происходит внутри кластера физических или виртуальных машины, которые объединены в единую систему для выполнения различных задач. Эти машины делятся на две роли:

• Мастер-узел — запускает контейнеры, отслеживает состояние кластера и реагирует на события (например, отключение контейнера).
• Рабочие ноды — системы для развертывания и работы с приложениями в виде контейнеров.

Каждый тип машин кластера имеет свой внушительный пул компонентов, отвечающих за те или иные аспекты работы с контейнерами. Взаимодействуя друг с другом, эти элементы обеспечивают корректную работу приложений, автоматически распределяя их по серверам, перезапуская при сбоях и масштабируя под нагрузку.

Помимо основных компонентов Kubernetes, в его архитектуру также входит множество других подсистем, которые отвечают за хранение данных, безопасность, возможности масштабирования, сетевые операции и другие задачи. Более подробно об архитектуре Kubernetes и роли каждого компонента мы расскажем вам в нашей следующей статье.

Мы разобрались, что же входит в систему Kubernetes и на каких принципах основана его работа, однако не объяснили, зачем это все нужно. На самом деле, Kubernetes предлагает набор полезных возможностей, которые делают жизнь разработчиков и системных администраторов значительно проще.

• Декларативный подход. Вместо написания скриптов с последовательностью действий вы описываете желаемое состояние системы в YAML-манифестах. Kubernetes постоянно сравнивает фактическое состояние с желаемым и автоматически вносит коррективы.
• Самовосстановление. Система автоматически перезапускает упавшие контейнеры, заменяет и переносит поды при сбоях узлов, а также устраняет контейнеры, не отвечающие на запросы мониторинга жизнеспособности. Все это происходит без вмешательства оператора.
• Горизонтальное масштабирование. Kubernetes автоматически масштабирует приложения на основе загрузки процессора или пользовательских метрик, добавляя новые экземпляры по мере необходимости. Когда пик нагрузки прошел — Kubernetes убирает лишние копии, экономя ресурсы.
• Обнаружение сервисов и балансировка нагрузки. Kubernetes автоматически назначает контейнерам IP-адреса и DNS-имена, а также распределяет сетевой трафик между ними для балансировки нагрузки.
• Автоматизация деплоя. Вы можете легко разворачивать новые версии вашего приложения без простоя, используя разные стратегии обновления (например, постепенно заменяя старые контейнеры на новые).

Именно эти возможности сделали Kubernetes стандартом для компаний любого масштаба — от небольших стартапов до крупных корпораций в сфере SaaS, электронной коммерции и стриминговых сервисов, где надежность и масштабируемость являются критически важными факторами.

У Kubernetes есть два основных сценария применения:

• Облачный Kubernetes. Все крупные cloud-провайдеры (Amazon, Google, Microsoft) предлагают свои сервисы для использования Kubernetes (EKS, GKE и AKS). Вы пользуетесь мощью Kubernetes, не заботясь об аппаратном обеспечении, поддержке и обновлении мастер-узлов. Это идеальный вариант для стартапов и команд, которые хотят сосредоточиться на разработке приложения, а не на развертывании мощной вычислительной инфраструктуры.
• Локальный Kubernetes. Компании с собственной серверной инфраструктурой или строгими требованиями к безопасности могут развернуть кластер Kubernetes на своем желез». Это дает полный контроль над контейнерами, но требует наличия необходимого аппаратного обеспечения и экспертного опыта для поддержки Kubernetes.

Kubernetes подходит для любого приложения, которому требуется высокая доступность, отказоустойчивость и возможность легко масштабироваться.

Чтобы попробовать Kubernetes в действии, вам понадобится минимальный набор инструментов. Для локального развертывания необходимо выстроить тестовый стенд — на одну виртуальную машину обычно хватает 2 ГБ оперативной памяти и 2 ядер CPU. 

Затем необходимо подготовить операционную систему. Для большинства дистрибутивов Linux требуется отключение swap-раздела, так как Kubernetes не может работать с включенным подкачиванием памяти. Необходимо убедиться, что на всех узлах будущего кластера установлены одинаковые версии системных пакетов и настроена синхронизация времени.

Основным инструментом для развертывания кластера является kubeadm — утилита, которая автоматизирует процесс инициализации и присоединения рабочих узлов. Перед установкой необходимо настроить container runtime, обычно containerd или CRI-O, который будет управлять жизненным циклом контейнеров. Также требуется установка сетевых плагинов и настройка правил firewall для обеспечения корректного взаимодействия между компонентами.

Процесс установки начинается с инициализации control plane на master-узле командой kubeadm init. Эта команда генерирует токены для присоединения рабочих узлов и настраивает основные компоненты: etcd, api-server, controller-manager и scheduler. После успешной инициализации необходимо настроить kubectl — клиентскую утилиту для управления кластером, скопировав конфигурационный файл в домашнюю директорию пользователя.

Для добавления рабочих узлов выполняется команда kubeadm join с указанием адреса master-узла и токена аутентификации. После присоединения всех узлов устанавливается сетевой плагин (CNI), например, Calico или Flannel, который обеспечивает сетевое взаимодействие между подами на разных узлах. Завершающим этапом является проверка состояния кластера командой kubectl get nodes и верификация работы всех компонентов системы.

Kubernetes — это фундаментальный инструмент для автоматизации управления контейнеризированными приложениями. Он экономит время системных администраторов, снижает риск ошибок при работе с кластерами, а также обеспечивает высокую доступность и масштабируемость ваших сервисов. Чтобы глубже понять внутреннее устройство этой системы, в следующем материале мы подробно разберем архитектуру Kubernetes, а именно из чего состоит кластер, какие конкретные задачи выполняют мастер и ноды, и как эти ключевые компоненты взаимодействуют друг с другом.