Kubernetes что это и как работает

Введение

Kubernetes часто называют "операционной системой" для контейнеризированных приложений. Если вам приходилось запускать приложения в Docker-контейнерах, вы наверняка сталкивались с необходимостью масштабировать их, обновлять без прерывания сервиса, балансировать нагрузку, автоматически восстанавливать при сбоях. Одно контейнерное приложение запустить просто, но что делать, когда инфраструктура разрастается до десятков и сотен контейнеров? Именно для решения этих задач был создан Kubernetes.

Kubernetes (или "k8s") - это открытая платформа для автоматизации развертывания, масштабирования и управления контейнеризированными приложениями. Она помогает разработчикам и системным администраторам избавиться от рутины, связанной с ручным управлением контейнерами, и дает удобные инструменты для организации сложной облачной инфраструктуры.

Давайте подробно разберем, из чего состоит Kubernetes, как он работает, а также рассмотрим основные концепции, архитектуру и практические примеры запуска приложений.

Архитектура Kubernetes

Основные компоненты

Kubernetes устроен по принципу клиент-серверной архитектуры — центральная часть (Kubernetes Control Plane) управляет рабочими узлами (Nodes), на которых запускаются ваши контейнеры.

Краткое описание ключевых компонентов:

• Control Plane (Плоскость управления) — мозг Kubernetes-кластера. Состоит из набора компонентов, определяющих, какие приложения и где должны работать.
• Nodes (Узлы) — физические или виртуальные серверы, где фактически исполняются ваши контейнеры.
• Pod — минимальная, неделимая единица развертывания в Kubernetes. В каждом Pod может быть один или несколько контейнеров, которые делят между собой хранилище, сеть и некоторые настройки.

Распределение ролей

Обратите внимание, как происходит взаимодействие компонентов:

• Вы создаете описание приложения и желаемого состояния в формате YAML/JSON.
• Контроллеры на стороне Control Plane следят за состоянием кластера — они должны привести его к заданному описанию.
• Рабочие узлы исполняют контейнеры, разворачивают Pods, передают информацию о состоянии в Control Plane.

Детальный разбор компонентов Control Plane

API Server

Это центральная точка входа в кластер. Все команды, изменения и обращения к Kubernetes проходят через API Server.

# Пример обращения к API Server через команду kubectl
kubectl get pods

Scheduler

Решает, на какой Node разместить новый Pod с учетом загрузки, ограничений по ресурсам, политик.

Controller Manager

Следит за текущим состоянием и запускает контроллеры — процессы, которые выполняют различные задачи: создание реплик, обработка сбоев, автомасштабирование.

Etcd

Это распределенное хранилище ключ-значение, где Kubernetes сохраняет все данные о своем состоянии (например, текущие настройки, состояние кластера, имена Pods и т.д.).

Kubelet

Агент на каждом узле. Следит за тем, чтобы контейнеры, которые должны быть запущены на этом узле, действительно работали.

Kube Proxy

Отвечает за сетевое взаимодействие: реализует правила маршрутизации, обеспечивает доступ к сервисам снаружи и внутри кластера.

Основные объекты и концепции Kubernetes

Pods

Pod — это наименьшая "единица развертывания" в Kubernetes. Обычно в Pod находится один контейнер, но иногда встречаются и "multi-container Pods" (например, дополнительные sidecar-контейнеры для логирования или проксирования).

Пример YAML-файла для Pod:

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: my-pod
spec:
  containers:
    - name: my-container
      image: nginx:1.25
# Этот Pod развернет один контейнер NGINX версии 1.25

ReplicaSets и Deployments

Когда вам нужно не один экземпляр приложения, а несколько (например, для устойчивости к сбоям), используются ReplicaSet и Deployment.

• ReplicaSet следит за числом идентичных Pod-ов.
• Deployment управляет процессом обновления, отката, масштабирования ReplicaSet.

Пример Deployment, который содержит 3 реплики nginx:

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: nginx-deployment
spec:
  replicas: 3 # Количество подов
  selector:
    matchLabels:
      app: nginx
  template:
    metadata:
      labels:
        app: nginx
    spec:
      containers:
      - name: nginx
        image: nginx:1.25

Такое описание Deployment автоматически создаст и будет поддерживать три одновременных работающих Pod с NGINX.

Сервисы (Services)

Pod-ы динамически создаются и удаляются, их IP-адреса не постоянны. Чтобы организовать стабильный доступ, в Kubernetes используются сервисы.

Service — объект, который обеспечивает постоянный IP-адрес и DNS-имя для группы Pod-ов.

Пример сервиса для доступа к нашим Pod-ам:

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: nginx-service
spec:
  selector:
    app: nginx # Указывает, к каким Pod обращаться
  ports:
    - protocol: TCP
      port: 80
      targetPort: 80
  type: ClusterIP # Сервис доступен только внутри кластера

Namespaces

Namespaces позволяют разделять ресурсы кластера между разными командами, проектами или средами (dev, staging, production). Это очень удобно для командной работы или изоляции.

Пример создания Namespace:

apiVersion: v1
kind: Namespace
metadata:
  name: dev-environment

Теперь вы можете создавать объекты (Pod, Service) внутри этого Namespace.

Volumes и Storage

По умолчанию данные в контейнере не сохраняются между перезапусками. Для хранения данных между Pod-ами и их перезапусками используются Kubernetes Volumes.

Пример использования volume:

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: pod-with-volume
spec:
  containers:
    - name: busybox
      image: busybox
      command: ["sleep", "3600"]
      volumeMounts:
        - mountPath: "/data"
          name: my-storage
  volumes:
    - name: my-storage
      emptyDir: {}
# Здесь /data будет точкой монтирования временного хранилища для этого Pod

Вы также можете подключать внешние хранилища — например, файловые системы облачных провайдеров.

ConfigMap и Secret

ConfigMap — хранит текстовые конфигурации, которые можно подключать к Pod-ам, не встраивая в контейнер.

Secret — похоже на ConfigMap, но применяется для хранения чувствительных данных (например, паролей), содержимое кодируется в base64.

Пример ConfigMap:

apiVersion: v1
kind: ConfigMap
metadata:
  name: example-config
data:
  APP_ENV: production

Автоматизация задач с помощью Controllers

Controllers — это процессы, которые работают в Control Plane и обеспечивают желаемое состояние объектов. Например, если Deployment должен содержать 3 Pod-а, а один из них неожиданно завершился — контроллер тут же создаст новый.

Масштабирование и обновления

Kubernetes позволяет масштабировать приложения в одну команду:

kubectl scale deployment/nginx-deployment --replicas=6
# Теперь работает 6 экземпляров приложения

А обновлять контейнеры можно к атомарно с помощью:

kubectl set image deployment/nginx-deployment nginx=nginx:1.26
# Начнется rolling update — поочередная замена старых Pod на новые

Как Kubernetes orchestrates (управляет) контейнерами

Смотрите, весь оркестратор работает по принципу "указание желаемого состояния". Вы объявляете, что "у меня должно быть 5 экземляров приложения X", а Kubernetes сам поддерживает это состояние: размещает, перемещает, перезапускает контейнеры по мере необходимости.

• Если узел "упал" — контейнеры переедут на другие узлы.
• Если нагрузка выросла — можно легко добавить еще копий.
• Если нужно доставить обновление — оно проходит поочередно, чтобы сохранялась доступность сервиса.

Контроллеры реагируют на события и изменения состояния, делают автолечение (self-healing), масштабируют приложения, обеспечивают балансировку, и все это происходит автоматически.

Практические примеры запуска приложения в Kubernetes

1. Запуск Pod с помощью манифеста

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: hello-pod
spec:
  containers:
  - name: hello
    image: busybox
    command: ['sh', '-c', 'echo "Hello, Kubernetes!" && sleep 3600']
# Этот Pod выведет сообщение и заснет на час

Создайте файл hello-pod.yaml и запустите:

kubectl apply -f hello-pod.yaml

2. Запуск Deployment

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: app-deployment
spec:
  replicas: 2
  selector:
    matchLabels:
      app: myapp
  template:
    metadata:
      labels:
        app: myapp
    spec:
      containers:
      - name: myapp
        image: yourname/yourapp:latest

Показываю вам пример описания деплоймента сразу с двумя репликами.

3. Просмотр и управление объектами Kubernetes

kubectl get pods # Список подов
kubectl get deployments # Список деплойментов
kubectl get services # Сервисы
kubectl describe pod hello-pod # Детальное описание пода

kubectl delete pod hello-pod # Удалить под

4. Масштабирование приложения

kubectl scale deployment/app-deployment --replicas=5
# Масштабируем до пяти экземпляров

5. Взаимодействие между Pod-ами

Часто возникает вопрос: как один Pod может общаться с другим? Обычно через сервисы. Kubernetes автоматически создает для сервиса DNS-имя — просто обращайтесь к нему по имени сервиса, например, http://nginx-service.

6. Обновление приложения без простоя

Kubernetes поддерживает rolling updates. Вот как это выглядит:

kubectl set image deployment/app-deployment myapp=yourname/yourapp:v2
# Обновится образ контейнера - новые поды развернутся поочередно

Безопасность и ограничения прав

Kubernetes реализует гибкую RBAC (Role-Based Access Control). С ее помощью можно разделять права между пользователями и сервисными аккаунтами, выдавая только необходимые полномочия. Также можно изолировать ресурсы через Namespaces.

Интеграция с экосистемой DevOps

Kubernetes легко интегрируется с CI/CD пайплайнами, системами логирования (например, ELK или Loki), мониторингом (Prometheus, Grafana) и инструментами для обнаружения сервисов. С его помощью автоматизируется практически весь цикл разработки и эксплуатации приложений.

Заключение

Kubernetes сегодня — это ключевой инструмент для организации масштабируемой, гибкой и автоматизированной ИТ-инфраструктуры в облаке или на собственных серверах. Он позволяет запускать приложения в изолированных контейнерах, динамически распределять нагрузку между ними, автоматически масштабировать и обновлять сервисы без прерывания работы системы. Вы описываете, как должен выглядеть ваш сервис — Kubernetes берет на себя всю рутину по поддержанию этого состояния.

Если вы хотите работать с современными распределенными системами, ускорить процесс разработки и повысить надежность своих приложений — Kubernetes станет для вас отличным помощником.

Частозадаваемые технические вопросы по Kubernetes

Как получить доступ к Pod для отладки и посмотреть его логи?

Используйте следующие команды:

kubectl logs my-pod
# Просмотр логов контейнера

kubectl exec -it my-pod -- /bin/sh
# Запустить shell внутри контейнера для отладки

Как ограничить использование ресурсов (CPU, RAM) для пода?

В манифесте Pod или Deployment добавьте секцию ресурсов:

resources:
  requests:
    memory: "128Mi"
    cpu: "250m"
  limits:
    memory: "256Mi"
    cpu: "500m"
# Здесь указаны минимальные и максимальные значения для памяти и процессора

Как удалять неиспользуемые ресурсы (pod, service, deployment)?

Удаление осуществляется так:

kubectl delete pod имя-пода
kubectl delete deployment имя-деплоймента
kubectl delete service имя-сервиса

Как быстро проверить работоспособность всех компонентов кластера?

Проверьте статусы всех узлов и компонентов:

kubectl get nodes
kubectl get pods --all-namespaces
kubectl get componentstatus

Как создать свой Docker-образ и запустить его в Kubernetes?

1. Создайте Dockerfile и соберите образ:
   docker build -t yourname/yourapp:v1 .
2. Отправьте образ в Docker Hub или другую реестру: docker push yourname/yourapp:v1
3. Используйте этот образ в вашм манифесте Deployment, например: yaml containers: - name: myapp image: yourname/yourapp:v1
4. Примените манифест через kubectl apply.

Эти инструкции помогут быстрее разобраться с распространенными задачами при работе с Kubernetes.