Enthüllung der Kubernetes-Architektur: Konzepte und bewährte Praktiken

Eine Einführung in Kubernetes

Kubernetes ist eine Plattform, die die Verwaltung, Bereitstellung und Skalierung von Containeranwendungen automatisiert. Diese Open-Source-Software wurde von Google entwickelt, wird aber derzeit von der CNCF gepflegt. Viele Unternehmen entscheiden sich für diese Software, weil Kubernetes die effizienteste und leistungsfähigste Methode zur Containerwartung ist.  

Kernkonzepte und Terminologie

Um die Grundlagen von Kubernetes zu verstehen, sollten wir uns zunächst mit den wichtigsten Begriffen und Kernkonzepten befassen.

Das erste, was man verstehen muss, ist Pod. Dieser Begriff wird verwendet, um die kleinste Bereitstellungseinheit zu bezeichnen. Er charakterisiert die Instanz des laufenden Prozesses. Pods stellen Speichervolumen und auch Konfigurationsdaten bereit, die für die Ausführung der Container im jeweiligen Pod erforderlich sind.

Ein weiterer wichtiger Punkt in Kubernetes sind ReplicaSets. Diese Sets garantieren, dass eine bestimmte Anzahl von Pod-Kopien zu einem bestimmten Zeitpunkt funktionsfähig ist. Im Falle der Beendigung oder des Ausfalls eines Pods erstellt das ReplicaSet automatisch ein Replikat, um das beendete zu ersetzen.

Die Abstraktionen auf höherer Ebene werden als Deployments bezeichnet. Sie bieten Rollbacks und rollende Updates für die App. Sie helfen dabei, den Zustand der App zu definieren, und die Software bestimmt alle erforderlichen Details, um den Zustand zu erreichen.

Mit Diensten stellen Sie die App anderen oder sogar anderen Pods zur Verfügung. Die Dienste fungieren als Load Balancer, der den Datenverkehr aufteilt und an die benötigten Pods weiterleitet.

Hier wurden nur ein paar wichtige Kubernetes-Begriffe genannt, natürlich gibt es noch so viel mehr zu diesem Thema zu lernen und zu erforschen.   

Die Vorteile der Nutzung von Kubernetes

Die Nutzung von Kubernetes für die Container-Orchestrierung bietet viele Vorteile. Um Sie nicht mit jedem kleinen Detail zu überwältigen, lassen Sie uns nur die wichtigsten Vorteile erörtern, nämlich die folgenden:

• Verfügbarkeit. Durch den Einsatz von Kubernetes ist es möglich, Anwendungen durch eine Reihe automatisierter Prozesse hochverfügbar zu machen, z. B. durch einen Neustart der ausgefallenen Pods oder eine Neuplanung auf gesunden Knoten. Außerdem ist gewährleistet, dass die Anwendung während der Bereitstellung der neuen Version aufgrund von Rollbacks und Rolling Updates keine Ausfallzeiten hat.
•  Skalierbarkeit. Mit Kubernetes ist es sehr einfach, die Anwendung zu skalieren, und zwar durch das Löschen oder Hinzufügen von Pods je nach Bedarf. Darüber hinaus ist es möglich, eine automatische Skalierung zu verwenden, die anhand von Merkmalen wie beispielsweise der CPU-Auslastung bestimmt wird.
•  Portabilität. Mit Kubernetes haben die Nutzer Zugang zu einer portablen Plattform für die Verwaltung und Bereitstellung von Anwendungen. Sie kann in verschiedenen Umgebungen wie öffentlichen Clouds, Rechenzentren und hybriden Konfigurationen eingesetzt werden. Außerdem ermöglicht die Portabilität, die Anwendungen zwischen verschiedenen Plattformen zu verschieben.

 Effizienz der Ressource. Die Optimierung der Ressource besteht in der Zusammenfassung mehrerer Pods in jedem Knoten. Es ist auch möglich, Funktionen wie Begrenzungen der Ressourcen und Anfragen für die Kontrolle zu verwenden, wie viel Speicher und CPU jeder Pod verwenden kann.

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Dekonstruktion von Kubernetes: Seine Architektur und Kernkomponenten

Hier sind einige Elemente, die zum Verständnis der Funktionsweise von Kubernetes beitragen können. Die erste wichtige Komponente ist der Masterknoten. Diese Art von Knoten wird für die Gesamtsteuerung des Systems und die Verwaltung des Clusters verwendet. Der Master-Knoten besteht aus mehreren Kernelementen wie einem Controller-Manager, einem API-Server und einem Scheduler.

Der nächste untrennbare Teil der Kubernetes-Architektur sind die Arbeitsknoten. Diese Knoten sind für die Erledigung der Aufgaben zuständig, die vom Master-Knoten an die Worker-Knoten gesendet wurden. Auf jedem dieser Knoten läuft eine Container-Laufzeitumgebung, die die Ausführung der Container verwaltet.

Ein weiteres wichtiges Element von Kubernetes ist Kubelet. Es ist ein spezieller Agent, der auf dem Arbeitsknoten arbeitet und für die Verwaltung der Container und Pods auf dem Knoten verantwortlich ist. Kubelet interagiert mit dem Master-Knoten, um den Status des Knotens zu übermitteln und Anweisungen zu erhalten.

etcd ist ein Wert, der die Konfigurationsdaten eines Clusters speichert. Er hilft bei der ordnungsgemäßen Synchronisierung und Koordination zwischen den Worker- und Master-Knoten.

Dies sind nur einige der Elemente, die zur Architektur von Kubernetes gehören. Es ist jedoch von entscheidender Bedeutung, sie zu kennen und zu verstehen, wie sie innerhalb des Systems zusammenwirken.     

​Anwendungsbereitstellung

Allgemein gesprochen besteht das Anwendungs-Deployment aus Schritten wie der Angabe des benötigten Anwendungsstatus, woraufhin Kubernetes versucht, diesen Status zu erreichen. Die Anwendungsbereitstellung kann je nach den Präferenzen und Anforderungen der Benutzer unterschiedlich sein.

Das Bereitstellungsobjekt in Kubernetes gibt den benötigten Zustand an und alles funktioniert so, dass der gewünschte Zustand erreicht wird. So müssen die Benutzer Anwendungen nicht mehr manuell bereitstellen und aktualisieren. Das spart viel Zeit und kann den menschlichen Faktor Fehler ausschließen.

Die grundlegenden Strategien, die von Haus aus verfügbar sind, sind "Rolling Update" und "Recreate". Wenn etwas mit den Standardoptionen nicht funktioniert, kann es mit den folgenden Bereitstellungsstrategien wie "Canary", "Green" und "Blue Deployment" leicht angepasst werden.

Ein ReplicaSet ist ein Objekt, das für das Funktionieren mehrerer Instanzen eines Pods verantwortlich ist und garantiert, dass eine bestimmte Anzahl von Pods zu jeder Zeit funktionsfähig ist. Es soll sicherstellen, dass die in den Pods laufenden Anwendungen keine Ausfallzeiten haben und über alle erforderlichen Ressourcen verfügen. Dies ist besonders wichtig, wenn ein oder mehrere Pods ausfallen. Bei einem solchen Ausfall erstellt ReplicaSet eine neue Pod-Instanz. Das System prüft regelmäßig, ob die Anzahl der laufenden Instanzen nicht mit einer bestimmten Anzahl übereinstimmt, und erstellt dann sofort eine weitere Instanz. Im Falle einer zusätzlichen Instanz löscht das System diese unnötige Instanz. Deployment ist der High-Level-Standard, der ReplicaSets verwaltet und bei deklarativen Updates und vielen anderen Funktionen hilft. In allen Anleitungen wird empfohlen, dass die Benutzer nicht direkt mit ReplicaSets arbeiten sollten.

Eine weitere großartige Option ist Helm. Dieser Paketmanager hilft bei der Definition der App als eine Reihe von Diagrammen oder versionierten und wiederverwendbaren Komponenten. Diese Diagramme sind aufgrund der Möglichkeit, Anwendungen zu verteilen und zu verpacken, äußerst praktisch. Sie sind in der Regel einfach zu installieren und auf jedem Cluster gemeinsam zu nutzen.

Darüber hinaus haben die Nutzer die Möglichkeit, DaemonSets für die Ausführung einer Pod-Kopie, StatefulSets für die Bereitstellung von Stateful-Anwendungen und Jobs zu verwenden. Diese Vielfalt an flexiblen Optionen kann den unterschiedlichen Anforderungen von Anwendungen gerecht werden.     

Verwaltung von Anwendungen

Der größte Vorteil von Kubernetes ist die Möglichkeit der horizontalen Skalierung von Anwendungen. Das bedeutet, dass Benutzer Pod-Replikate löschen und hinzufügen können, um den bestehenden Anforderungen gerecht zu werden. In Kubernetes stehen mehrere Mechanismen zur Verfügung, um Anwendungen auf die effektivste Weise zu verwalten und zu skalieren.

Es ist möglich, alles manuell anzupassen, indem die Anzahl der Replikate geändert wird. Wenn ein Benutzer beispielsweise eine Bereitstellung mit 4 Replikaten hat und plant, sie auf 6 zu skalieren, kann dies einfach durch Ändern der Replikatzahl geschehen, und die zusätzlichen Replikate werden erstellt.

Außerdem gibt es eine großartige Option der automatischen Skalierung, die die Anzahl der Replikate automatisch in Abhängigkeit von Daten wie der CPU-Auslastung ändert. Benutzer können die automatische Skalierung einfach verwalten, indem sie die maximale und minimale Anzahl von Replikaten und die Zielauslastung angeben. Auf diese Weise erkennt Kubernetes die Daten und skaliert Anwendungen entsprechend dieser Metriken.

Abgesehen von der Skalierungsoption können Benutzer verschiedene Funktionen und Tools für die Verwaltung des Prozesses ausprobieren. Die einfachste Art der Verwaltung ist die Verwendung von Selektoren und Labels, um die Ressourcen zu gruppieren. Für die Verwaltung sensibler Informationen werden secrets und configMaps empfohlen.   

Überwachung und Fehlersuche in Kubernetes

Diese Container-Orchestrierungsplattform legt den Schwerpunkt auf Fehlerbehebung und Überwachung, da dies für die bessere Leistung und den Zustand der Anwendungen sehr wichtig ist. Mit Kubernetes können Benutzer mehrere Tools nutzen, die bei der effektiven Fehlersuche und Überwachung der Anwendungen helfen.

Eines der wichtigsten Tools ist kubectl. Diese Befehlszeile ist hilfreich für die Erkennung der Anzeige der Protokolle, die Inspektion des Cluster-Status und die Ausführung von Befehlen innerhalb der Container. Mit diesem Tool können Benutzer Daten über die App sammeln und so die Probleme diagnostizieren.

Außerdem ist Kubernetes in mehrere großartige Überwachungslösungen wie Elasticsearch und Prometheus integriert. Diese Tools sind für fortgeschrittene Analysen von Vorteil, sodass Benutzer Daten visualisieren/erfassen, Warnmeldungen einrichten und natürlich die Fehlerbehebung bei Leistungsproblemen durchführen können.

Was die Methoden zur Überprüfung des Zustands von Apps betrifft, so bietet Kubernetes Optionen wie Readiness Probes und Liveness Probes. Readiness-Probes sind dafür zuständig, zu erkennen, ob die App für die Annahme des Datenverkehrs bereit ist, und Liveness-Probes erkennen, ob die App korrekt funktioniert.    

Zusammenfassend: Wichtige Erkenntnisse

Eine der leistungsstärksten Container-Orchestrierung ist Kubernetes. Dieser Anwendungscontainer bietet Verwaltung, Bereitstellung und Skalierung. Mit der Variabilität der verfügbaren Funktionen wird diese Container-Lösung zu einer perfekten Variante für Unternehmen, die Cloud-natives Computing einsetzen.

In diesem Artikel haben wir die Überwachung, Fehlerbehebung, Verwaltung und Bereitstellung von Anwendungen, die Kubernetes-Architektur und einige der wichtigsten Vorteile besprochen. Darüber hinaus haben wir einige hilfreiche Terminologie für Anfänger geteilt.   

Sobald Sie die wichtigsten Konzepte und Prinzipien der Funktionsweise von Kubernetes verstanden haben, können Sie tiefer in das Thema einsteigen und spezifischere Informationen erkunden. Das Experimentieren mit dieser großartigen Plattform wird sowohl Anfängern als auch erfahrenen Nutzern viel Potenzial eröffnen.