Как установить и начать работать в Kubernetes

Консультация эксперта

Рассказали в статье историю создания Kubernetes, что это и как устроен, для чего нужен. Из каких компонентов состоит, отметили основные преимущества и как установить.

Содержание

• История создания Kubernetes
• Что такое Kubernetes, как устроен и для чего нужен
• Для чего нужен Kubernetes?
• Из каких компонентов состоит архитектура Kubernetes
• Преимущества Kubernetes
• Подготовка к установке Kubernetes
• Как установить и развернуть Kubernetes
• Заключение

Kubernetes давно перестал быть «экзотикой для крупных компаний»: по данным ежегодного опроса CNCF 91% организаций уже используют контейнеры в продаже. На этом фоне Kubernetes стал фактически стандартом и имеет значение и для локального кластера, и для продакшена в облаке, и для его железа. В отчете отмечается, что использование CI/CD в продакшене выросло на 31%, а 29% организаций выкатывают изменения несколько раз в день. В отчёте Portworx указано, что 54% ​​уже запускают AI/ML-нагрузки на Kubernetes, 72% — базы данных , 67% — аналитику, а 80 % планируют создать большинство новых приложений на облачных платформах в ближайшие 5 лет.

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.

Не знаете с чего начать разработку приложения?

Расскажите нам о своей идее, а мы поможем воплотить её в жизнь и предложим оптимальное решение. 

Консультация эксперта

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.

Услуги мобильной разработки

Узнайте цену

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.

Наш кейс: автоматизация складского учета

Мобильные приложения, web-версия, синхронизированные промышленные весы, таблички с QR-кодом

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.

Найдем лучшее решение вашей задачи

Возможно, вам подойдёт

Больше услуг тут

Разработка приложений на Swift

Разработка мобильных приложений на Kotlin

Разработка приложений на Flutter