Was ist Kubernetes?
Kubernetes ist ein DevOps-Tool zur Containerisierung. Als Open-Source-Tool bewerkstelligt das Kubernetes-Container-Orchestierungs-Tool die Bereitstellung, Skalierung und Verwaltung von containerisierten Anwendungen.
Damit sind die Kubernetes-Tools unverzichtbare DevOps-Tools für die Cloud.
Kubernetes – Container-Orchestrierung mit Kubernetes-Container-Tools
Wie funktioniert Kubernetes?
Kubernetes verwaltet Container-Einheiten in Clustern, dabei spielt das Node-Konzept eine zentrale Rolle für das Clustering von Container-Anwendungen:
Nodes – die kleinste Einheit im Kubernetes-Cluster
Ein node (Knoten) ist in Kubernetes die kleinste Einheit der im Cluster vertretenen Computerhardware. Der Knoten, egal ob es sich um eine physische Maschine oder eine VM handelt, wird in eine Reihe von CPU- und RAM-Ressourcen abstrahiert, die genutzt werden können.
Es gibt zwei verschiedene Arten von Nodes, die den Kubernetes-Cluster bilden.
Worker-Nodes
Der Worker-Node , in der Terminologie nur als Node bezeichnet, ist der Ort, an dem die containerisierten Anwendungen ausgeführt werden.
Master-Node
Der Master-Knoten, auch Control-Plane genannt, ist derjenige, der den Zustand des Clusters verwaltet. Zusammen bilden sie eine Master-Slave-Architektur.
Kubernetes-Pods
Containerisierte Anwendungen werden in übergeordnete Objekte, so genannte Pods, verpackt.
Ein Pod kann mehrere Container kapseln, um Rechen-, Speicher- und Netzwerkressourcen gemeinsam zu nutzen. Die Pods fungieren als Einheiten von Replikationen und können daher durch die Bereitstellung neuer Replikate skaliert werden. Pods skalieren jedoch als Einheiten und nicht als einzelne Container und sollten daher nur eng gekoppelte Container enthalten.
Ephemeral Container – Die flüchtige Eigenschaft von containerisierten Anwendungen
Pods sind sterblich und sollten als flüchtig betrachtet werden, d. h. sie können unerwartet beendet und auf einem anderen Knoten neu bereitgestellt werden. Rolling Updates können bei Pods ohne Ausfallzeit durchgeführt werden. Dies wird erreicht, indem jeder Pod inkrementell aktualisiert wird und die neuen Pods auf verfügbaren Knoten eingeplant werden.
Deployments als übergeordnete Architektur-Layer der Container-Deployments
Pods werden in der Regel durch eine übergeordnete Abstraktion namens Deployments verwaltet, um Selbstheilung, Skalierbarkeit, Rolling Updates und Rollbacks zu ermöglichen.
YAML-Konfiguration von Container-Anwendungen
Ein Deployment wird als YAML-Konfigurationsdatei definiert, die beschreibt, wie der Pod zu behandeln ist. Das Deployment verwendet ReplicaSets, um die Selbstheilung und Skalierung der Pods zu gewährleisten. Wenn beispielsweise ein von einem Deployment verwalteter Pod ausfällt, wird er durch einen neuen ersetzt, und wenn die Last steigt, können weitere Pods bereitgestellt werden, um die Last zu bewältigen.
Kubernetes-Pods und dynamische IP-Adressen
Pods verfügen über eine eigene dynamische IP-Adresse, auf die man sich jedoch wegen ihrer Unbeständigkeit nicht verlassen kann und die auch nicht außerhalb des Clusters offengelegt wird.
API-Service-Objekte von Kubernetes-Clustern
Kubernetes bietet API-Service-Objekte, die eine Abstraktion mit logischen Informationen sind, um mit einer Reihe von Pods im Cluster zu kommunizieren.
Es gibt verschiedene Arten, einen Dienst zu definieren:
ClusterIP
Die ClusterIP zeigt den Dienst intern im Cluster mit einer IP-Adresse an.
NodePort
Der NodePort stellt den Dienst auf allen Knoten mit einem bestimmten Port zur Verfügung, der den gesamten Datenverkehr an die automatisch erstellte ClusterIP weiterleitet. Der NodePort-Dienst kann auch außerhalb des Clusters zugänglich sein.
Load-Balancer
Der LoadBalancer stellt den Dienst mit dem Load Balancer eines Cloud-Anbieters zur Verfügung. NodePort und ClusterIP werden automatisch erstellt, an die der Load Balancer dann den Verkehr weiterleitet.
Kubernetes & Ingress
Ingress ist ein weiteres Objekt, um einen Dienst außerhalb des Clusters mit Lastausgleich und SSL-Terminierung bereitzustellen. Der Ingress-Controller ist für die Erfüllung der Ingress-Konfiguration verantwortlich und es gibt viele verschiedene Controller, um dies zu erreichen.
Der Ingress funktioniert durch die Bereitstellung einer URL, um externe HTTP- oder HTTPS-Anfragen an Dienste innerhalb des Clusters weiterzuleiten.
Kubernetes-Auto-Scaling Funktionen
Kubernetes bietet mehrere Ebenen von Autoscaling-Funktionen wie Horizontal Pod Autoscaler (HPA), Vertical Pod Autoscaler (VPA) und Cluster Autoscaler (CA).
Horizontal Pod Autoscaler (HPA)
Der Horizontal Pod Autoscaler skaliert automatisch die Anzahl der ReplicaSets in einer Bereitstellung auf der Grundlage von Metriken wie CPU, Speicher oder anderen benutzerdefinierten Metriken. HPA ist als Controller implementiert, der in regelmäßigen Abständen die angegebene Ressourcennutzung mit der von der Metrik-API angegebenen Metrik, dem sogenannten Metrik-Server, abfragt.
Der Zielwert der Metrik wird dann mit dem abgefragten Auslastungswert als Prozentsatz in jedem Container in den Pods verglichen. Der Controller nimmt den Mittelwert des ermittelten Wertes über alle Pods und erstellt ein Verhältnis zur Skalierung der Anzahl der Pods.
Kubernetes stellt nur CPU und Speicher als Standardmetriken zur Verfügung. Zur Skalierung anhand eines von der Anwendung bereitgestellten benutzerdefinierten Metrikwerts muss ein anderer unterstützter Metrikserver installiert und konfiguriert werden.
Vertical Pod Autoscaler (VPA)
Der Vertical Pod Autoscaler weist den vorhandenen Pods mehr oder weniger CPU- und Speicherressourcen zu. Der Metrikwert kann bei der Erstellung des Pods initialisiert werden oder während der Lebensdauer des Pods überwacht und skaliert werden.
Der VPA ändert die vorhandenen Ressourcen der laufenden Pods nicht. Stattdessen prüft er, ob die verwalteten Pods über die richtigen Ressourcen verfügen, und wenn nicht, beendet er den Pod. Die Pods werden dann auf verfügbaren Knoten mit den neu eingestellten Ressourcen neu eingeplant.
Cluster-Autoscaler (CA)
Cluster-Autoscaler skaliert die Anzahl der Knoten im Cluster basierend auf der Gesamtzahl der ausstehenden Pods. Er prüft, wie viele ausstehende Pods vorhanden sind, und fügt dem Cluster neue Knoten hinzu, um die Bereitstellung dieser ausstehenden Pods zu ermöglichen. CA deallokiert auch ungenutzte Knoten, um die Clustergröße zu optimieren. Diese Funktion kann durch Schnittstellen zu Cloud-Anbietern leicht in den Cluster integriert werden.
Wie sieht die Kubernetes-Architektur aus?
Die Kubernetes-Architektur besteht aus flexiblen und lose gekoppelten Komponenten, aus denen sich der Cluster zusammensetzt. Normalerweise besteht ein Kubernetes-Cluster aus mindestens einem Master und mehreren Arbeitsknoten.
Master Node
Der Masterknoten ist für die Bereitstellung der API, die Planung der Einsätze und die Erkennung von und Reaktion auf Ereignisse im Cluster zuständig. Der Master wird auch als Control-Plane bezeichnet und besteht aus den folgenden Hauptkomponenten.
kube-API-Server
Der API-Server ist die zentrale Komponente, die die Kubernetes-API offenlegt. Jede Komponente in Kubernetes kommuniziert mit dem Server über eine REST-Anfrage. Der API-Server ist für die Authentifizierung und Autorisierung verantwortlich, um die Legitimität der Anfrage zu überprüfen.
Der API-Server implementiert auch einen Überwachungsmechanismus, damit andere Komponenten mit ihm interagieren können.
Etcd
Etcd ist ein Key-Value-Store, der für die Speicherung der Konfigurationsdaten des Kubernetes-Clusters verwendet wird. Das heißt, er speichert die wesentlichen Informationen über die Kubernetes-Objekte, wie laufende Knoten und Pods. Mit Etcd kann ein Sicherungsplan konfiguriert werden, um den Cluster im Falle eines Ausfalls wiederherzustellen.
Kube-Controller-Manager
Der Kubernetes-Controller-Manager beobachtet den Zustand des Clusters über die Watch-Funktion auf dem API-Server. Wenn ein Ereignis eintritt, wird der Controller benachrichtigt und führt die erforderlichen Änderungen durch, um den aktuellen Zustand in den gewünschten Zustand zu überführen.
Kube-Scheduler
Der kube-scheduler wartet auf Schedule-Ereignisse und plant Pods auf gesunden Knoten ein. Jeder Pod, den der Scheduler entdeckt, führt eine Berechnung durch, um den besten Knoten in Abhängigkeit von den erforderlichen Ressourcen und QoS-Anforderungen des Pods zu finden.
Working node
Jeder Cluster verfügt über mindestens einen Arbeitsknoten, in der Regel jedoch über mehrere. Jeder Arbeitsknoten hostet geplante Pods und steuert alle laufenden Anwendungs-Workloads. Der Arbeitsknoten stellt Kubernetes-Laufzeitumgebungen bereit und kommuniziert mit dem Masterknoten, um den gewünschten Zustand der laufenden Pods zu gewährleisten. Jeder Arbeitsknoten besteht aus den folgenden Hauptkomponenten.
Kubelet
Das Kubelet ist ein Agent, der dafür verantwortlich ist, dass die Container wie erwartet auf dem Knoten ausgeführt werden. Es kommuniziert mit dem Master-Knoten, um die Arbeitsaufgaben zu erhalten und sendet Informationen über den Status der laufenden Container.
Kube-Proxy
Der Kube-Proxy ist eine Komponente, die die Kommunikation zwischen Pods und Diensten ermöglicht. Er hilft bei der Weiterleitung der Anfrage und führt einen Lastausgleich für gesunde Pods durch.
Der häufigste Proxy-Modus ist iptables. Der Iptables-Modus beobachtet den Master auf hinzugefügte oder entfernte Dienstobjekte und wendet iptables-Regeln an, um den Verkehr zur IP-Adresse des virtuellen Dienstes abzufangen und ihn an einen zufälligen Pod weiterzuleiten.
Es gibt noch andere Proxy-Modi wie Userspace und IPVS, die jeweils unterschiedliche Implementierungen und Lastausgleich-Algorithmen aufweisen.
Container-runtime
Jeder Knoten benötigt eine Container-Runtime, um in dieser Betriebsumgebung Container auszuführen. Kubernetes wird sehr häufig mit Docker als Container-Laufzeitumgebung verwendet, unterstützt aber auch andere OCI-Laufzeiten.
Warum ist Kubernetes so beliebt?
Kubernetes laut aktueller Cloud Native Computing Foundation (CNCF)-Umfrage das beliebteste Container-Orchestrierungstool, das heute in einer Produktionsumgebung eingesetzt wird.
Doch warum genau ist Kubernetes so beliebt? Die Antwort liegt in seiner Flexibilität, Skalierbarkeit und umfassenden Funktionalität, die es Entwicklern und Unternehmen ermöglicht, moderne Anwendungen effizient zu verwalten.
1. Skalierbarkeit und Automatisierung
Kubernetes bietet eine automatische Skalierung von Containern, sowohl horizontal als auch vertikal. Unternehmen können Arbeitslasten effizient verteilen und neue Instanzen bei Bedarf hochfahren, was besonders in dynamischen Umgebungen und für große Anwendungen mit schwankendem Traffic entscheidend ist. Die Fähigkeit, Ressourcen automatisch zu optimieren, spart Kosten und verbessert die Performance.
2. Plattformunabhängigkeit
Einer der größten Vorteile von Kubernetes ist seine Plattformunabhängigkeit. Es funktioniert auf allen gängigen Cloud-Anbietern wie AWS, Google Cloud, Microsoft Azure sowie in On-Premises-Umgebungen. Dadurch können Unternehmen ihre Infrastruktur flexibel gestalten, ohne an einen bestimmten Anbieter gebunden zu sein. Diese Interoperabilität reduziert das Risiko eines Vendor Lock-Ins erheblich.
3. Modularität und Erweiterbarkeit
Kubernetes ist modular aufgebaut und bietet Entwicklern die Möglichkeit, ihre Infrastruktur mit einer Vielzahl von Erweiterungen und Plugins anzupassen. Dank des offenen Ökosystems können Tools wie Istio für Service-Meshes oder Helm für Paketverwaltung einfach integriert werden. Dies macht Kubernetes zur idealen Plattform für komplexe, mikroservicebasierte Architekturen.
4. Community und Open Source
Die starke Unterstützung durch eine globale Open-Source-Community macht Kubernetes zu einer ständig wachsenden und verbesserten Technologie. Die Community trägt regelmäßig neue Features, Sicherheitsupdates und Integrationen bei, wodurch Kubernetes nicht nur innovativ bleibt, sondern auch langfristig stabil und zuverlässig ist.
5. Standardisierung und Zukunftssicherheit
Durch seine weit verbreitete Akzeptanz hat Kubernetes de facto Standards für Container-Orchestrierung gesetzt. Unternehmen, die Kubernetes nutzen, investieren in eine Technologie, die mit hoher Wahrscheinlichkeit auch in Zukunft relevant bleiben wird. Dies macht Kubernetes zu einer sicheren Wahl für Unternehmen, die in moderne und zukunftsfähige IT-Infrastrukturen investieren möchten.
6. Nahtlose Integration mit DevOps
Kubernetes ist perfekt auf moderne DevOps-Praktiken abgestimmt. Es erleichtert die Einführung von Continuous Integration/Continuous Deployment (CI/CD)-Pipelines und automatisiert den gesamten Software-Lebenszyklus. Entwicklerteams können dadurch schneller arbeiten, Releases effizienter umsetzen und die Qualität ihrer Anwendungen steigern.
7. Management komplexer Anwendungen
Kubernetes ermöglicht es Unternehmen, hochkomplexe Anwendungen mit vielen Services und Abhängigkeiten zu verwalten. Funktionen wie Self-Healing (automatische Neustarts fehlerhafter Container), Rolling Updates und Canary Deployments machen Kubernetes zu einem unverzichtbaren Tool für die Verwaltung moderner Anwendungen.
Fazit: Kubernetes als Game-Changer
Die Beliebtheit von Kubernetes ist kein Zufall. Seine robuste Architektur, breite Unterstützung und zukunftssichere Ausrichtung machen es zu einem unverzichtbaren Bestandteil der modernen Softwareentwicklung. Unternehmen, die Kubernetes einsetzen, profitieren von gesteigerter Effizienz, Kosteneinsparungen und einer skalierbaren Infrastruktur, die mit den Anforderungen wachsender Anwendungen Schritt halten kann.
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