Was ist Kubernetes?

Der Erfolg Ihres Unternehmens hängt heute in immer stärkerem Maße von den Anwendungen ab, die auf Ihrer IT-Infrastruktur ausgeführt werden. So wie die beste Symphonie, die je geschaffen wurde, um ihr Publikum zu begeistern und zu fesseln, einen exzellenten Dirigenten benötigt, um das Beste aus jedem Mitglied des Orchesters herauszuholen, erkennen die dynamischsten Unternehmen den Wert von Kubernetes, um nicht nur die heutigen containerisierten Anwendungen zu verwalten, die Solisten in der Aufführung und das Lebenselixier für den Wert und den Ruf eines Unternehmens, sondern auch alle Musiker, die die vielfältige, unterstützende Infrastruktur darstellen. Kubernetes ist ein hochentwickeltes Tool zur Orchestrierung all Ihrer Anwendungen, mit automatischer Bereitstellung und Kontrolle, unabhängig davon, ob Sie öffentliche Clouds, On-Prem- oder Edge-Infrastrukturen sowie eine beliebige Kombination dieser Systeme nutzen. Es ist der Verteilungsmanager für Workloads in einem Cluster und passt automatisch die dynamischen Netzwerkanforderungen für alle Container an. Kubernetes, oft auch als "k8s" bezeichnet, verwaltet auch die Zuweisung von Speicher und persistenten Volumes und automatisiert die Skalierung, um maximale Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit zu gewährleisten.

Kubernetes-Cluster sind im Grunde eine Gruppe von Knoten, auf denen Anwendungen ausgeführt werden, die in Containern gespeichert wurden, und die alle für die Anwendung erforderlichen Dienste und Abhängigkeiten enthalten. Mit Kubernetes-Clustern können containerisierte Anwendungen in jeder virtuellen, physischen, Cloud-basierten oder lokalen Umgebung oder einer Kombination davon verwaltet werden. 

Ein Kubernetes-Cluster besteht aus einem so genannten Master-Knoten und Worker-Knoten, bei denen es sich um virtuelle oder physische Maschinen handelt.

Der Masterknoten dient als Steuerebene des Clusters und verwaltet ständig den Ist-Zustand des Clusters bis zum definierten, gewünschten Zustand. Der Masterknoten koordiniert alle Aufgaben, einschließlich der Planung und Skalierung von Anwendungen, der Ausführung von Aktualisierungen und der automatischen Aufrechterhaltung des gewünschten Zustands des Clusters.

Die Arbeitsknoten hosten die Komponenten, die für die Bereitstellung und Ausführung der containerisierten Anwendung erforderlich sind. Sie werden Worker Nodes genannt, weil sie die ihnen vom Master Node zugewiesenen Aufgaben ausführen. 

Ein funktionsfähiger Kubernetes-Cluster besteht aus mindestens einem Master- und einem Worker-Knoten.  

Darüber hinaus können Nutzer sogenannte Namespaces einsetzen, um mehrere Cluster in einem einzigen physischen Cluster anzuordnen. Namespaces sind Kubernetes-Objekte, die Kubernetes-Cluster in mehrere virtuelle Cluster aufteilen, wodurch Benutzer bestimmten Teams oder Projekten Ressourcenquoten zuweisen können.

Bei der Kubernetes-Cluster-Verwaltung handelt es sich um einen Prozess zur Verwaltung und Orchestrierung mehrerer Container über ein Netzwerk oder einen Cluster von Maschinen. Dies ermöglicht Entwicklern die einfache Bereitstellung und Verwaltung ihrer containerisierten Anwendungen. Mit Kubernetes können Sie Anwendungen und Dienste über dieselbe Infrastruktur ausführen und skalieren, was die Verwaltung und Wartung erleichtert. Darüber hinaus bietet Kubernetes Funktionen wie automatische Skalierung, Lastausgleich und Selbstheilung, was es zu einer äußerst effizienten und zuverlässigen Plattform für die Verwaltung von Container-Clustern macht.

Die Kubernetes-Cluster-Verwaltung ermöglicht es Entwicklern, Anwendungen und Dienste auf einfache Weise effizienter und automatisierter bereitzustellen, zu verwalten und zu skalieren. Es vereinfacht den komplexen Prozess der Verwaltung von Containern, was letztendlich die Produktivität erhöht und die Betriebskosten senkt.

Kubernetes ist eine Open-Source-Plattform, die Container verwaltet, so dass Anwendungen rund um die Uhr verfügbar sind und neue Versionen jederzeit ohne Ausfallzeiten bereitgestellt werden können, und zwar überall und jederzeit mit den Ressourcen und Tools, die für die Erledigung der Aufgabe erforderlich sind.

Seine zahlreichen Funktionen umfassen:

Flexible, automatische Skalierung

Über den Befehl der Benutzeroberfläche oder automatisch, basierend auf der CPU-Auslastung, um die vorhandenen Ressourcen optimal zu nutzen.

Verfügbarkeit/Selbstheilung

Container werden automatisch neu gestartet, wenn sie ausfallen, und deaktiviert, wenn sie nicht mit den bestehenden Gesundheitsprüfungen übereinstimmen. Nicht funktionierende Knoten werden automatisch ersetzt und neu geplant, um maximale Ausfallsicherheit zu gewährleisten.

Speicher-Orchestrierung

Kubernetes ermöglicht es Ihnen, das Speichersystem Ihrer Wahl automatisch hinzuzufügen, einschließlich lokalem Speicher, öffentlichen Cloud-Anbietern und vielen anderen.

Dienstsuche und Lastausgleich

Die Erkennung von Diensten ist unerlässlich, wenn Sie eine Microservice-Architektur betreiben. Kubernetes weist jedem Pod eine IP-Adresse und jeder Gruppe von Pods einen DNS-Namen zu, sodass Sie Ihre Dienste leicht finden können. Wenn ein Container zu viel Datenverkehr hat, kann Kubernetes die Last ausgleichen und Ihnen eine höhere Stabilität bieten.

Ursprünglich von Google-Ingenieuren entwickelt und konzipiert, hat sich Kubernetes dank seiner wirklich quelloffenen Plattform zum beliebtesten Container-Management-System entwickelt. Dies hat auch zu bedeutenden, kontinuierlichen Beiträgen der Open-Source-Community und der Cloud Native Computing Foundation geführt, die das Projekt derzeit pflegt.

Ein Kubernetes Cluster hat:

• eine Steuerebene, die als Master-Knoten bezeichnet wird,
• einen oder mehrere Arbeitsknoten, auf denen containerisierte Anwendungen laufen.  

Der Master-Knoten ist das Zentrum des K8s-Clusters, verwaltet ihn und bietet Zugriff auf die API. Er enthält den cloud-controller-manager, etcd, den kube-controller-manager, den kube-api server und den kube-scheduler.

Control Plane / Master Cluster Komponenten

Cloud-Controller-Manager

Der Cloud-Controller-Manager steuert die Cloud-spezifische Logik. Er verbindet Ihre Cluster mit der API Ihres Cloud-Anbieters und sorgt dafür, dass die richtigen Komponenten mit der zugrunde liegenden Cloud-Infrastruktur interagieren.  

Etcd

Der Sicherungsspeicher für alle Clusterdaten ist etcd, ein Schlüsselwertspeicher, der auch den Zustand des Kubernetes-Clusters repliziert. Sobald Sie einen Kubernetes-Cluster erstellt und das Kommandozeilen-Tool für die Kommunikation mit ihm konfiguriert haben, können Sie etcd ausführen; Sie müssen nur den zusätzlichen Schritt machen und einen Sicherungsplan für diese Daten erstellen.

Kube-controller-manager

Diese Komponente ist Teil der Steuerungsebene, die die Steuerungsprozesse verwaltet. Die Steuergeräte sind in einem einzigen Binärprogramm organisiert, so dass sie in einem einfachen Prozess ausgeführt werden, obwohl streng genommen jedes Steuergerät ein separater und eigenständiger Prozess ist.

Zu den Controllern innerhalb dieses Managers gehören:

• Node Controller: steuert die Aktivitäten der Knotenpunkte
• Endpoints Controller: Verbindet Dienste und Pods durch das Auffüllen von Endpoints-Objekten
• Job-Controller: Überwacht einmalige Aufgaben und generiert Pods, um sie zu erledigen
• Replikationscontroller: verwaltet Objektreplikationen im Cluster
• Dienstkonto- und Token-Controller: Bereitstellung von Standardkonten und API-Zugangstoken bei der Erstellung eines Namensraums

Kube-apiserver

Der Kube-Apiserver stellt die Kubernetes-API zur Verfügung. Er lässt sich horizontal skalieren, indem zusätzliche Instanzen erstellt werden, und wenn Sie mehrere Instanzen haben, kann der Datenverkehr zwischen ihnen verwaltet werden. 

Kube-Scheduler

Jeder Pod, der ohne einen zugewiesenen Knoten erstellt wurde, wird von Kube-scheduler erkannt, der dann einen für diesen Pod bestimmt und auswählt.

Diese Entscheidung wird auf der Grundlage mehrerer Kriterien getroffen, einschließlich der Arbeitsbelastung, der politischen Einschränkungen, der Fristen und der erforderlichen Ressourcen.

Knotenpunkte

Ein Knoten ist entweder ein physischer oder ein virtueller Computer, der die für die Ausführung von Pods erforderlichen Komponenten enthält und von der Steuerungsebene verwaltet wird. Es gibt zwei verschiedene Arten von Knoten in Kubernetes: Master und Worker.

Masterknoten unterstützen die Steuerelemente eines Clusters, verwalten Arbeitsknoten und sind für API-Endpunkte für Benutzer und die Zeitplanung für Pods über die verfügbaren Ressourcen hinweg zuständig. Die Verteilung der Arbeitslast und der Zustand des Clusters werden vom Masterknoten verwaltet.

Arbeiterknoten werden für die Ausführung von Containern und die Durchführung der vom Masterknoten zugewiesenen Aufgaben verwendet. Sie verarbeiten die gespeicherten Daten und kommunizieren mit dem Master über Ressourcen.

Kubelet

Das Kubelet ist eine Knotenkomponente, die den Betrieb aller Zyklen jedes Knotens innerhalb jedes Pods überwacht. Es kümmert sich um den Zustand jedes Pods, indem es neue oder geänderte Spezifikationen, die von den Master-Knoten erstellt wurden, überprüft und sicherstellt, dass sein Zustand mit seinen Spezifikationen übereinstimmt.

Kube-Proxy

Auf jedem Knoten läuft Kube-proxy, ein Netzwerk-Proxy, der die Regeln für die Kommunikationssitzungen mit Pods innerhalb oder außerhalb eines Clusters verfolgt. Er wird für den Lastausgleich und zum Erreichen von Kubernetes-Diensten verwendet.

Kubernetes ist ein Open-Source-System, das Container verwaltet, um die Bereitstellung, Skalierung und Verwaltung von Anwendungen zu beschleunigen. Es erstellt eine Reihe von Komponenten, die diese Aktivitäten entweder auf der Grundlage von Speicher, CPU oder speziell entwickelten Messungen bereitstellen. Alle Elemente, die Teil von Kubernetes sind oder auf Kubernetes laufen, sind mit der Kubernetes-API verbunden. Die Plattform steuert Rechen- und Speicherressourcen, indem sie diese als Objekte klassifiziert und verwaltet. 

Ein grundlegendes Konzept von Kubernetes besteht darin, dass es ständig versucht, den Zustand, in dem Ihre Container tatsächlich laufen, mit dem gewünschten Zustand abzugleichen. Dieser Ansatz, der auf der Deklaration des gewünschten Zustands und der Fähigkeit von Kubernetes, diesen kontinuierlich zu überwachen und zu korrigieren, basiert, ist der Grund, warum Kubernetes bei DevOps für die Verwaltung des Anwendungslebenszyklus so beliebt ist.

Es gibt mehrere Kubernetes-Verwaltungsstrategien, mit denen Sie eine hohe Skalierbarkeit für Ihre Anwendungen erreichen können:

1. Horizontale Pod-Autoskalierung: Bei dieser Strategie skaliert Kubernetes die Anzahl der Pods automatisch auf der Grundlage der CPU-Auslastung und stellt so sicher, dass Ihre Anwendung die steigende Benutzernachfrage bewältigen kann. Dies hilft dabei, ein Gleichgewicht zwischen Kosten und Leistung aufrechtzuerhalten.

2. Automatische Cluster-Skalierung: Mit dieser Strategie kann Kubernetes die Anzahl der Knoten in einem Cluster je nach Ressourcenauslastung skalieren. Dies ist besonders nützlich für Anwendungen, die variable Arbeitslastmuster aufweisen.

3. Automatische Skalierung des vertikalen Pods: Diese Strategie passt die einem Pod zugewiesenen CPU- und Speicherressourcen auf der Grundlage seiner tatsächlichen Ressourcennutzung an und ermöglicht so eine bessere Ressourcennutzung und eine verbesserte Anwendungsleistung.

4. Rollende Updates: Mit Kubernetes können Sie Ihre Anwendung ohne Ausfallzeiten aktualisieren, indem Sie die Aktualisierungen schrittweise auf jeweils einen einzelnen Pod ausrollen. Dadurch wird sichergestellt, dass Ihre Anwendung verfügbar bleibt und während der Aktualisierungen einen hohen Datenverkehr bewältigen kann.

5. Fehlertoleranz: Durch den Einsatz von Kubernetes-Funktionen wie ReplicaSets und Selbstheilungsmechanismen können Sie sicherstellen, dass Ihre Anwendung auch dann verfügbar bleibt, wenn einige Pods ausfallen.

6. Mehrere Cluster: Eine weitere Strategie besteht darin, mehrere Cluster für Ihre Anwendung zu betreiben, so dass Sie verschiedene Teile Ihrer Anwendung isolieren und separat skalieren können. Dies kann Ihnen helfen, hochkomplexe und umfangreiche Anwendungen effizienter zu handhaben.

Durch die Umsetzung dieser Strategien können Sie eine hohe Skalierbarkeit für Ihre auf Kubernetes ausgeführten Anwendungen sicherstellen. Es ist wichtig, die Leistung Ihrer Anwendung regelmäßig zu überwachen und zu analysieren, um potenzielle Engpässe zu erkennen und Ihre Kubernetes-Einrichtung für eine noch bessere Skalierbarkeit zu optimieren.