Как установить и начать работать в Kubernetes

Содержание

История создания Kubernetes

Возникновение проблемы: как Google управлял своими сервисами?

В начале 2000-х годов компания Google активно развивала свои онлайн-сервисы: Поиск, Gmail, YouTube, Google Maps и другие. Масштаб этих сервисов быстро рос, что приводило к серьёзным проблемам с управлением инфраструктурой. Основные трудности, с которыми столкнулись инженеры Google:

1. Ручное управление серверами – на тот момент не существовало удобного способа централизованного управления тысячами серверов.
2. Сложности в масштабировании – потребность в мощностях постоянно менялась, но распределение нагрузки оставалось статичным.
3. Отказоустойчивость сервисов – при сбоях оборудования требовалось оперативно восстанавливать работоспособность сервисов.
4. Высокая загрузка серверов – многие машины работали неэффективно, так как использовались лишь частично.

Для решения этих проблем инженеры Google начали разрабатывать внутреннюю систему управления рабочими нагрузками, которая автоматизирует развёртывание ПО, их балансировку, мониторинг и самовосстановление.

Borg – первая система оркестрации контейнеров

Так появилась система Borg, которая стала первым масштабным решением Google для управления контейнеризированными приложениями. Borg позволил:

• Объединять тысячи серверов в единый кластер и управлять ими как одной системой.
• Запускать и останавливать приложения автоматически без необходимости вмешательства инженеров.
• Масштабировать приложения в зависимости от нагрузки.
• Перезапускать упавшие процессы в автоматическом режиме.
• Повышать плотность размещения приложений за счёт эффективного использования ресурсов.

Borg стал революционным решением для Google, но его код оставался закрытым и недоступным для разработчиков вне компании. В течение многих лет Google хранил эту технологию в секрете, пока в 2013 году не было принято решение создать открытую альтернативу Borg для всего IT-сообщества.

Начало работы над Kubernetes

В 2013 году ведущие инженеры Google начали работать над новой системой управления контейнерами, которая вобрала в себя лучшие идеи Borg, но при этом стала бы простым, гибким и доступным инструментом для разработчиков по всему миру.

Ключевые цели проекта:

• Создать открытый проект с открытым исходным кодом.
• Сделать систему непривязанной к конкретному облачному провайдеру.
• Обеспечить простоту управления контейнерами и их автоматизацию.

Первые версии Kubernetes

• 10 июня 2014 года – Google официально представил Kubernetes как проект с открытым исходным кодом.
• 21 июля 2015 года – вышла первая стабильная версия Kubernetes 1.0.
• В этот же день Google передал Kubernetes в CNCF – организации, занимающейся развитием облачных технологий.

Развитие Kubernetes и его роль сегодня

После передачи проекта CNCF, Kubernetes начал стремительно развиваться благодаря участию множества компаний и сообщества разработчиков. Сегодня Kubernetes поддерживают:

• Google Cloud
• Microsoft Azure
• Amazon Web Services (AWS)
• Red Hat OpenShift
• IBM Cloud
• VMware Tanzu

Благодаря широкому сообществу и активной разработке, Kubernetes стал основным стандартом для управления контейнеризированными приложениями и неотъемлемой частью DevOps-практик во всём мире.

Что такое Kubernetes, как устроен и для чего нужен

Kubernetes (K8s) – это платформа для автоматизации развертывания, управления и масштабирования контейнеризированных приложений. Она позволяет разработчикам и администраторам управлять инфраструктурой без необходимости вручную управлять серверами и балансировкой нагрузки.

Как устроен Kubernetes?

K8s основан на кластерной архитектуре, где несколько серверов объединяются в единый вычислительный ресурс. Основные компоненты Kubernetes:

1. Control Plane (Плоскость управления)

Управляет всем кластером и включает в себя несколько ключевых сервисов:

• API Server (kube-apiserver) – точка входа для всех команд в кластер, взаимодействие с Kubernetes осуществляется через API.
• Scheduler (kube-scheduler) – определяет, на каком узле запустить новое приложение, исходя из доступных ресурсов.
• Controller Manager (kube-controller-manager) – следит за состоянием кластера и корректирует его.
• etcd – хранилище данных, где хранится текущее состояние кластера.

2. Рабочие узлы

Worker Nodes – это серверы, на которых выполняются контейнеризированные приложения. Они включают:

• Kubelet – агент, который управляет контейнерами на узле, получая команды Control Plane.
• Kube-proxy – обеспечивает маршрутизацию трафика между сервисами.
• Container Runtime (Docker, containerd, CRI-O) – запуск и управление контейнерами.

3. Основные объекты Kubernetes

• Pod – минимальная единица развертывания в Kubernetes, содержащая один или несколько контейнеров.
• Service – создаёт стабильную точку доступа к группе Pod-ов, обеспечивая балансировку нагрузки.
• Deployment – управляет развертыванием и обновлением приложений, обеспечивая отказоустойчивость.
• ConfigMap и Secret – хранят конфигурационные файлы и секретные данные (пароли, API-ключи).

Для чего нужен Kubernetes?

K8s решает сразу несколько ключевых задач:

1. Приложения разворачиваются на серверах автоматически, без ручного вмешательства.
2. Самовосстановление – при сбое приложения Kubernetes автоматически перезапустит контейнер или переместит его на другой узел.
3. Гибкое масштабирование – Kubernetes увеличивает или уменьшает количество экземпляров приложения в зависимости от нагрузки.
4. Оптимизация ресурсов – обеспечивает равномерное распределение нагрузки между серверами.
5. Многооблачность и гибкость – Kubernetes работает как в облаках (AWS, Google Cloud, Azure), так и на физических серверах.

Из каких компонентов состоит архитектура Kubernetes

Control Plane (Плоскость управления)

Control Plane – это центральная часть, которая управляет кластером и следит за тем, чтобы все приложения работали в нужном состоянии. 

API Server – это главный интерфейс взаимодействия с Kubernetes. Он принимает команды от пользователей и передаёт их другим компонентам системы.

• Обрабатывает команды kubectl, REST API-запросы и взаимодействует с другими сервисами.
• Работает с хранилищем etcd, получая и записывая данные о состоянии кластера.

Остальные компоненты K8s взаимодействуют друг с другом исключительно через API Server.

etcd – это ключ-значение хранилище, в котором сохраняются данные о кластере:

• Текущие состояния узлов и приложений.
• Настройки сети и конфигурации.
• Информацию о развернутых объектах Kubernetes.

Почему etcd важен?

• Если etcd выйдет из строя, кластер потеряет всю информацию о своих состояниях.
• Kubernetes использует etcd для отслеживания изменений в инфраструктуре.

Controller Manager отвечает за автоматическое управление кластером. Он включает в себя несколько контроллеров, которые следят за состоянием системы и предпринимают корректирующие действия.

• Node Controller – отслеживает работоспособность узлов и заменяет вышедшие из строя.
• Replication Controller – следит за количеством работающих Pod-ов и восстанавливает их при сбоях.
• Service Account Controller – управляет учётными записями и правами доступа в кластере.

Scheduler отвечает за выбор узла (Worker Node), на котором будет запущен новый Pod.

1. Получает информацию о доступных ресурсах узлов.
2. Анализирует требования Pod-а (ресурсы CPU, RAM, сеть).
3. Назначает Pod на наиболее подходящий узел.

Если ресурсов недостаточно, K8s может отложить запуск Pod-а, пока не освободятся необходимые мощности.

Worker Nodes (Рабочие узлы)

Worker Node – это сервер, на котором запускаются контейнеризированные приложения. В кластере может быть несколько узлов, что позволяет Kubernetes равномерно распределять нагрузку.

Каждый Worker Node содержит несколько критически важных компонентов:

Kubelet – это агент, работающий на каждом узле. Он получает команды от Control Plane и управляет контейнерами.

• Запускает и останавливает контейнеры.
• Следит за состоянием Pod-ов.
• Обменивается данными с API Server.

Если Pod неожиданно завершает работу, Kubelet автоматически его перезапускает.

Kube-proxy – сетевой компонент, отвечающий за маршрутизацию трафика между Pod-ами.

• Настраивает правила NAT для связи сервисов между собой.
• Обеспечивает балансировку нагрузки внутри кластера.
• Позволяет Pod-ам и сервисам взаимодействовать через внутреннюю сеть Kubernetes.

Container Runtime – это ПО, которое запускает и управляет контейнерами.

Поддерживаемые среды выполнения контейнеров:

• Docker – самый популярный вариант.
• containerd – официальное решение, рекомендованное Kubernetes.
• CRI-O – легковесный runtime, оптимизированный для Kubernetes.

Без Container Runtime Kubernetes не сможет запускать приложения.

Основные объекты Kubernetes

Помимо архитектурных компонентов, K8s управляет следующими объектами:

Pod – это основная единица развертывания в Kubernetes. Он может содержать один или несколько контейнеров, работающих вместе.

Pod-ы могут взаимодействовать друг с другом и обмениваться данными через общие тома.

Service – это объект, обеспечивающий доступ к группе Pod-ов. Создаёт виртуальный IP-адрес, позволяя клиентам подключаться к сервису независимо от того, на каком узле запущены Pod-ы.

Deployment – это объект, который управляет развертыванием и обновлением приложений.

• Гарантирует, что всегда запущено нужное количество Pod-ов.
• Позволяет выполнять обновления без простоев (Rolling Updates).
• Поддерживает автоматический откат на предыдущую версию.

Преимущества Kubernetes

1. K8s поддерживает горизонтальное и вертикальное масштабирование в зависимости от нагрузки:

• Горизонтальное масштабирование (HPA – Horizontal Pod Autoscaler)
• Вертикальное масштабирование (VPA – Vertical Pod Autoscaler)
• Cluster Autoscaler – добавляет или удаляет Worker Nodes в зависимости от нагрузки на кластер.

Преимущество: Экономия ресурсов и возможность адаптации к изменяющейся нагрузке без ручного вмешательства.

2. K8s автоматически следит за состоянием запущенных приложений и узлов, обеспечивая:

• Перезапуск контейнеров в случае сбоя.
• Замена упавших узлов.
• Проверку работоспособности (Liveness и Readiness Probes).

Преимущество: Гарантированная доступность сервисов и минимальное время простоя.

3. K8s позволяет без простоев обновлять версии приложений, используя:

• Rolling Updates
• Canary Deployments.
• Blue-Green Deployments.

Преимущество: Надёжное обновление сервисов без простоев и потери данных.

4. Kubernetes поддерживает работу в различных средах:

• Облачные платформы: AWS, Google Cloud, Microsoft Azure.
• Локальные серверы и дата-центры.
• Гибридные и мультиоблачные среды, что позволяет комбинировать ресурсы нескольких облачных провайдеров.

Преимущество: Возможность развертывания приложений в любой среде без привязки к конкретному провайдеру.

Подготовка к установке Kubernetes

• Обновить систему и установить необходимые зависимости (Docker, kubeadm, kubelet, kubectl).
• Настроить сеть и firewall для корректной работы кластера.
• Обеспечить поддержку контейнеризации на хост-машинах.

Перед установкой Kubernetes необходимо определить, где будет развернут кластер. Доступны несколько вариантов:

1. Локальный кластер
2. Облачный кластер
3. On-Premise кластер 

Если Kubernetes устанавливается впервые, лучше начать с Minikube для локального тестирования или использовать облачные сервисы для упрощенной настройки.

Перед установкой Kubernetes необходимо установить контейнерный рантайм (Docker или его альтернативы), а также ключевые утилиты kubectl, kubeadm и kubelet.

Настройка сети для Kubernetes

Kubernetes требует настройки сетевых параметров и выбора сетевого плагина для организации взаимодействия между контейнерами.

Выбор сетевого плагина (CNI)

Для связи между Pod-ами Kubernetes использует плагины CNI. Среди популярных решений можно выделить:

• Calico – поддерживает Network Policies и использует BGP для маршрутизации.
• Flannel – легковесный, подходит для небольших кластеров.
• WeaveNet – поддерживает шифрование трафика.

Если требуется простая установка, лучше выбрать Flannel. Для продакшн-сред с высокой безопасностью рекомендуется Calico.

Как установить и развернуть Kubernetes

1. Minikube (локально):

   - Установите Docker.

   - Установите Minikube:

curl -LO https://storage.googleapis.com/minikube/releases/latest/minikube-linux-amd64
sudo install minikube-linux-amd64 /usr/local/bin/minikube

   - Запустите Minikube:

 minikube start

   - Установите kubectl:

curl -LO "https://dl.k8s.io/release/$(curl -L -s https://dl.k8s.io/release/stable.txt)/bin/linux/amd64/kubectl"
sudo install -o root -g root -m 0755 kubectl /usr/local/bin/kubectl

   - Проверка:

kubectl get nodes

2. В облаке (GKE):

   - Установите Google Cloud SDK.

   - Создайте кластер:

 gcloud container clusters create my-cluster --num-nodes=3

   - Настройте kubectl:

gcloud container clusters get-credentials my-cluster

   - Проверка:

kubectl get nodes

3. На серверах (kubeadm):

   - Установите Docker, kubeadm, kubelet, kubectl.

   - Инициализируйте мастер:

sudo kubeadm init

   - Настройте kubectl:

mkdir -p $HOME/.kube
sudo cp -i /etc/kubernetes/admin.conf $HOME/.kube/config
sudo chown $(id -u):$(id -g) $HOME/.kube/config

   - Установите сетевой плагин (например, Calico):

kubectl apply -f https://docs.projectcalico.org/manifests/calico.yaml

   - Присоедините рабочие узлы:

kubeadm join <master-ip>:<master-port> --token <token> --discovery-token-ca-cert-hash sha256:<hash>

   - Проверка:

kubectl get nodes

Заключение

Kubernetes — мощный инструмент для управления контейнеризированными приложениями, который обеспечивает гибкость, надежность и масштабируемость. Его установка и настройка требуют определенных знаний, но в результате вы получите эффективную систему для управления вашими сервисами.