Предположим, вы создали отличное приложение. Сначала им пользуются десять человек, потом сто, а затем тысячи. Ваш единственный сервер перестает справляться с нагрузкой. Вы добавляете новые серверы, но теперь возникает другая проблема: как управлять приложением, которое разбросано по нескольким машинам? Как обновлять его, следить, чтобы все части работали, и быстро исправлять сбои?
Делать все это вручную — путь к хаосу. Для решения таких задач и был придуман Kubernetes (часто сокращают до K8s).
Для чего используется Kubernetes?
Kubernetes — это бесплатный инструмент, который автоматически развертывает, масштабирует и помогает управлять программами в контейнерах.Он как «дирижер» для оркестра из программных компонентов. Kubernetes не пишет код, но следит, чтобы все части приложения работали слаженно.
Для каких задач он нужен:
Запуск веб-сайтов и сервисов, которые должны быть доступны 24/7.
Управление сложными приложениями, состоящими из множества маленьких частей (микросервисов).
Автоматическое масштабирование программ под нагрузками (как пример, распродажа в интернет-магазине).
Грамотное распределение серверных ресурсов без простоев.
Как работает Kubernetes
Чтобы понять принципы работы Kubernetes, сначала нужно разобраться с его главным строительным блоком — контейнером. Часто бывает так, что приложение работает корректно на компьютере разработчика, но дает сбои при переносе на сервер из-за различий в настройках, версиях библиотек или операционных системах.
Контейнеризация приложений решает эту проблему и устраняет разницу между окружениями разработки и продакшена. Приложение, упакованное в контейнер — изолированный «ящик», получает все необходимые зависимости: код, библиотеки, конфигурации и системные утилиты. Благодаря этому контейнер обеспечивает портативность окружения — приложение будет одинаково работать на любом сервере, локально или в облаке.
Основное программное обеспечение для создания контейнеров — Docker. Контейнеры приложения обладают несколькими ключевыми преимуществами:
портативность окружения — контейнер будет работать одинаково на ноутбуке разработчика, на сервере компании и в любом облаке.
изоляция — контейнеры приложения изолированы друг от друга: проблемы одного не затронут другие.
высокая скорость запуска — контейнеры запускаются за секунды и потребляют меньше ресурсов по сравнению с виртуальными машинами.
Когда контейнеров становится много — десятки, сотни или тысячи — ручное управление становится неэффективным. В этом случае используется Kubernetes — система, которая автоматизирует развертывание, масштабирование и управление контейнерами.
Основные принципы работы Kubernetes
Kubernetes управляет не отдельными серверами, а кластером — совокупностью физических или виртуальных машин, объединенных в единую инфраструктуру. Пользователь задает желаемое состояние системы, а Kubernetes поддерживает его автоматически.
Функционирование Kubernetes строится на нескольких ключевых принципах.
Декларативный подход. Пользователь описывает, каким должно быть состояние системы. Например: «Нужно, чтобы всегда работало 3 копии моего веб-сайта, и они были доступны из интернета». Kubernetes самостоятельно определяет, как достичь этого состояния и как реагировать на изменения.
Постоянный контроль и самовосстановление. Kubernetes постоянно сравнивает текущее состояние системы с желаемым. Если один из контейнеров внезапно перестанет работать, Kubernetes это заметит и немедленно запустит новый экземпляр.
Если удалить один из контейнеров вручную, Kubernetes увидит несоответствие и запустит недостающий экземпляр. Он буквально «лечит» систему.
Автоматизация задач. Kubernetes выполняет большое количество рутинных и инфраструктурных операций без участия пользователя:
размещает контейнеры на доступных серверах;
масштабирует приложения в зависимости от нагрузки;
распределяет сетевой трафик (балансировка);
позволяет обновлять программное обеспечение без остановки.
Благодаря этим функциям Kubernetes обеспечивает стабильность, гибкость и непрерывность работы приложений, значительно снижая нагрузку на команды разработки и администрирования.
Архитектура Kubernetes
Кластер Kubernetes состоит из двух основных частей: управляющей плоскости (Control Plane) и рабочих узлов (Nodes).
Управляющая плоскость (Control Plane)
Это центр принятия решений, «нервная система» всего кластера. Control Plane не запускает приложения напрямую. Его задача — следить за всем, что происходит в кластере, принимать глобальные решения и гарантировать, что текущее состояние системы всегда соответствует заданному.
Управляющая плоскость (Control Plane) работает на отдельных серверах, которые называют узлами Control Plane. На этих узлах размещаются основные компоненты, отвечающие за управление кластером:
API-сервер (kube-apiserver) ― основной интерфейс взаимодействия с кластером. Все команды и запросы к Kubernetes проходят через API-сервер, который проверяет корректность запросов и передает их другим компонентам.
etcd ― распределенная база данных кластера, его «память». В etcd хранится вся конфигурация сервисов и информация о состоянии кластера: какие приложения должны быть запущены, на каких узлах они работают, какие у них настройки и так далее.
Планировщик (kube-scheduler) ― определяет, на каком из рабочих узлов запускать новые поды — то есть дополнительные экземпляры приложения в контейнерах, которые работают параллельно. Чем больше подов, тем выше общая пропускная способность сервиса. При этом планировщик анализирует: сколько ресурсов требует приложение, какие узлы сейчас свободны, есть ли какие-то особые требования, например, наличие видеокарты.
Менеджер контроллеров (kube-controller-manager) ― набор контроллеров, которые отслеживают соответствие текущего состояния системы желаемому. Если число реплик уменьшилось или узел недоступен, контроллеры инициируют восстановление и перераспределение.
Рабочие узлы (Nodes)
Рабочие узлы (или ноды) — это физические или виртуальные компьютеры, на которых запускаются и работают контейнеры приложения. В кластере может быть от одного узла до нескольких тысяч.
На каждом узле работают следующие компоненты:
Kubelet ― агент Control Plane на узлах. Он получает инструкции от управляющей плоскости, запускает контейнеры и контролирует их состояние.
Kube-proxy ― сетевой компонент, который управляет правилами маршрутизации и обеспечивает доступ сервисов друг к другу и к внешним сетям.
Среда выполнения контейнеров (Container Runtime) ― программное обеспечение для запуска контейнеров приложения. Kubernetes может использовать различные среды выполнения, такие как Docker, containerd или CRI-O.
Ключевые объекты: язык описания состояния кластера
Пользователь управляет Kubernetes через конфигурационные объекты, которые описывают желаемое состояние.
Основные объекты:
Pod (Под) ― минимальная единица развертывания. Под объединяет один или несколько контейнеров, которые работают совместно и используют общие ресурсы.
Service (Сервис) ― объект, который предоставляет стабильный сетевой доступ к группе подов. Он также работает как балансировщик нагрузки, распределяя трафик между всеми доступными копиями приложения.
Deployment (Развертывание) ― объект более высокого уровня, описывающий, как должно выглядеть приложение: какой образ контейнера использовать, сколько копий (реплик) запустить, как проводить обновления.
Архитектура Kubernetes построена на разделении ролей: Control Plane управляет кластером, а Nodes выполняют контейнеры приложения. Это обеспечивает масштабируемость, устойчивость и автоматизацию управления современными инфраструктурами.
Возможности Kubernetes
Масштабирование. Предположим, интернет-магазин готовится к «черной пятнице». С помощью Kubernetes можно быстро увеличить количество подов приложения с трех до тридцати, а система сама распределит их по свободным узлам кластера. Когда нагрузка спадет, количество подов можно так же легко уменьшить до исходного уровня.
Кроме ручного масштабирования, Kubernetes поддерживает автоматическое масштабирование: он может следить за нагрузкой, добавлять или убирать поды по мере необходимости.
Управление нагрузкой (балансировка). Если приложение запущено в нескольких подах, Kubernetes (через объект Service) автоматически распределяет входящий сетевой трафик между ними. Это исключает перегрузку отдельных подов и обеспечивает стабильную доступность приложения.
Бесшовные обновления и откаты. Kubernetes позволяет обновлять приложение до новой версии без остановки его работы. При «плавном обновлении» (rolling update) новые поды с обновленной версией запускаются постепенно, после проверки их работоспособности старые поды отключаются. Так, постепенно, он заменяет все поды.
Если обновление вызывает ошибку, система позволяет быстро выполнить откат к предыдущей версии.
Автоматизация и самовосстановление. Kubernetes — «неутомимый страж», он постоянно следит за состоянием приложения. Если под перестает отвечать на запросы, Kubernetes автоматически его перезапускает. Если выходит из строя целый узел (сервер), поды с него переносятся на другие узлы кластера.
Таким образом система поддерживает заданное состояние без необходимости вмешательства администратора.
Преимущества и недостатки Kubernetes
Как и любой мощный инструмент, Kubernetes имеет не только сильные стороны, но и особенности, которые важно учитывать. Это не универсальное решение для всех задач, а инструмент, оптимальный для определенного круга сценариев.
Преимущества
Надежность и доступность. Главное преимущество — способность системы к самовосстановлению. Kubernetes автоматически перезапускает сбойные приложения и перераспределяет нагрузку, если выходит из строя целый сервер. Это позволяет создавать действительно отказоустойчивые системы, работающие 24/7.
Масштабируемость. Kubernetes позволяет мгновенно реагировать на изменение нагрузки, добавляя или убирая ресурсы. Это дает бизнесу гибкость и помогает экономить на инфраструктуре, используя только необходимые мощности.
Свобода от поставщика (No Vendor Lock-in). Kubernetes — открытый стандарт, и приложения, упакованные для работы в нем, можно запустить практически где угодно: на своих серверах, в облаках Amazon, Google, Microsoft или Яндекса. Это дает свободу выбора и защищает от зависимости от одного облачного провайдера.
Развитая экосистема. Вокруг Kubernetes сформировалось большое open-source сообщество и множество дополнительных инструментов для мониторинга логов, безопасности, управления сетями и хранения данных. Практически для любой задачи уже существует готовое решение, которое легко интегрировать.
Недостатки и ограничения
Сложность. Kubernetes — сложная система с высоким порогом входа. Чтобы эффективно им управлять, нужно понимать его архитектуру, объекты и принципы работы. Часто для этого в компаниях есть отдельные специалисты или целые команды (DevOps).
Избыточность для простых задач. Использование Kubernetes для простого сайта-визитки или маленького блога может быть излишним. Настройка кластера требует ресурсов и может занять больше времени, чем разработка приложения.
Конфигурация. Все настройки кластера описываются в текстовых файлах формата YAML. Для большого приложения их могут быть десятки или сотни, и управление ими требует внимательности, контроля версий и навыков.
Безопасность. Kubernetes предоставляет инструменты для защиты приложений, но система не безопасна «из коробки». Ошибки в конфигурации могут привести к уязвимостям. Безопасность требует постоянного контроля и экспертного подхода.
Где используется Kubernetes
Сегодня Kubernetes является де-факто стандартным инструментом для работы с приложениями в контейнерах. Его используют как небольшие стартапы, так и крупнейшие мировые корпорации. Вот список компаний, которые применяют эту систему для своих проектов:
Google — создатели Kubernetes, используют его для запуска своих сервисов, включая Поиск, Gmail и другие.
Spotify — музыкальный стриминговый сервис управляет тысячами микросервисов через Kubernetes.
Российские компании — крупные технологические компании, такие как Ozon, Avito, T-Банк, Сбер, активно применяют Kubernetes для своих ключевых сервисов.
Для чего используется Kubernetes?
Микросервисные приложения ― классический сценарий. Kubernetes лучше всего подходит для управления сложными приложениями, разбитыми на множество небольших, независимых сервисов.
CI/CD конвейеры (непрерывная интеграция и доставка) ― код автоматически контейнеризуется, проверяется и запускается, что позволяет выпускать обновления несколько раз в день.
Машинное обучение и анализ данных ― K8s позволяет запускать ресурсоемкие задачи, например, обучение нейронных сетей, с гибким выделением ресурсов и последующим их освобождением.
Гибридные и мультиоблачные решения — распределение приложений между собственными дата-центрами и несколькими публичными облаками с единым управлением через Kubernetes.
Инфраструктуры
Запустить Kubernetes можно практически где угодно.
В публичных облаках ― провайдеры (Amazon, Google, Yandex Cloud) предлагают «управляемый Kubernetes», беря на себя настройку и поддержку Control Plane.
На собственных серверах (On-Premise) ― для компаний, которым важна безопасность данных или есть собственные дата-центры.
На локальном компьютере ― для обучения и разработки доступны специальные дистрибутивы вроде Minikube или Docker Desktop, которые позволяют запустить маленький кластер Kubernetes на ноутбуке.
Альтернативы и риски
Несмотря на всю свою мощь, Kubernetes не решает все задачи. Иногда его использование может принести больше проблем, чем пользы.
Kubernetes не подходит для простых приложений. Это может быть сайт-визитка, небольшой блог или приложение, состоящее из одного компонента (монолит), которое не требует сложного масштабирования. Вы потратите больше времени на его настройку, чем на разработку самого продукта.
Kubernetes не подойдет маленьким командам без DevOps-опыта. Управление им требует специальных знаний. Без этого поддержка кластера может отнять много времени и ресурсов, которые можно потратить на развитие продукта.
Нет нужды в Kubernetes, когда допустим простой. Если проект не требует высокой доступности, более простые решения (виртуальные серверы, Heroku, Docker Swarm) могут быть эффективнее и дешевле.
Главный риск — сложность. Неправильная конфигурация может привести к уязвимостям, неэффективному использованию ресурсов и лишним затратам на серверы.
Заключение
Kubernetes — это мощный стандарт для управления сложными приложениями. Он превращает хаос из сотен контейнеров и серверов в управляемую, надежную и самовосстанавливающуюся систему.
Что важно помнить:
Kubernetes — инструмент для решения конкретных задач: управления сложными, масштабируемыми и отказоустойчивыми системами.
Его сила — в автоматизации и декларативном подходе: вы описываете желаемое состояние, а система выполняет работу.
Для эффективного использования требуются знания и опыт.
Когда стоит использовать Kubernetes:
Приложение состоит из множества микросервисов.
Нужна высокая доступность и автоматическое восстановление после сбоев.
Ожидается рост нагрузки и необходимо масштабировать систему.
Планируется гибкая инфраструктура без привязки к одному облачному провайдеру.
Путь в мир современных ИТ-решений, включая Kubernetes, может показаться сложным, но он открывает огромные возможности. Важно иметь прочный фундамент, чтобы уверенно двигаться вперед. И здесь на помощь приходят курсы ProductStar, которые помогают освоить востребованные навыки и профессии с нуля. Программы по программированию позволяют не только освоить основы написания кода, но и понять, как приложения функционируют после запуска, а это уже оптимальная база для дальнейшего изучения стандартов DevOps.
