Kubernetes là gì? Cùng tìm hiểu cách hoạt động của K8s

Trong thời đại công nghệ ngày nay, việc quản lý và triển khai các ứng dụng phức tạp trên môi trường đám mây đã trở thành một thách thức lớn đối với các doanh nghiệp và nhà phát triển. Để đáp ứng nhu cầu này, nhiều công cụ và nền tảng đã ra đời, nhưng không gì nổi bật và phổ biến hơn Kubernetes. Được phát triển bởi Google và hiện nay là một dự án mã nguồn mở được cộng đồng quốc tế đón nhận rộng rãi, Kubernetes đã trở thành tiêu chuẩn vàng cho việc quản lý container. Vậy Kubernetes là gì? Nó hoạt động như thế nào để giúp các tổ chức đơn giản hóa việc quản lý hạ tầng ứng dụng? Hãy cùng chúng tôi khám phá trong bài viết này.

Kubernetes là gì?

Kubernetes (k8s) là một nền tảng mã nguồn mở tự động hoá việc quản lý, scaling và triển khai ứng dụng dưới dạng container hay còn gọi là Container orchestration engine. Nó loại bỏ rất nhiều các quy trình thủ công liên quan đến việc triển khai và mở rộng các containerized applications.

Gần đây, nhiều ứng dụng đã thực hiện container hoá bằng cách sử dụng docker và sử dụng nó như là môi trường production ngày càng tăng. Trên môi trường production, Vì việc cấu trúc hệ thống chạy bằng container chỉ sử dụng docker là rất khó khăn. Cho nên việc sử dụng một nền tảng Container orchestration engine như là k8s thì khá phổ biến hiện nay.

Kubernetes orchestration cho phép bạn xây dựng các dịch vụ ứng dụng mở rộng nhiều containers. Nó lên lịch các containers đó trên một cụm, mở rộng các containers và quản lý tình trạng của các containers theo thời gian.

Các ứng dụng production thực tế mở rộng nhiều containers. Các containers đó phải được triển khai trên nhiều server hosts. Kubernetes cung cấp khả năng phối hợp và quản lý cần thiết để triển khai các containers theo quy mô cho các workloads đó.

Kubernetes ban đầu được phát triển và thiết kế bởi các kỹ sư tại Google. Đây cũng là công nghệ đằng sau các dịch vụ đám mây của Google. Google đã và đang tạo ra hơn 2 tỷ container deployments mỗi tuần và tất cả đều được hỗ trợ bởi nền tảng nội bộ: Borg.

Nên sử dụng Kubernetes khi nào?

• Các doanh nghiệp lớn, có nhu cầu thực sự phải scaling hệ thống nhanh chóng, và đã sử dụng container (Docker).
• Các dự án cần chạy >= 5 container cùng loại cho 1 dịch vụ. (Ví dụ dùng >=5 máy cùng để chạy code website TopDev).
• Các startup tân tiến, chịu đầu tư vào công nghệ để dễ dàng auto scale về sau.

Kubernetes giải quyết vấn đề gì?

Bằng việc sử dụng docker, trên 1 host bạn có thể tạo ra nhiều container. Tuy nhiên nếu bạn có ý định sử dụng trên môi trường production thì phải bắt buộc phải nghĩ đến những vấn đề dưới đây:

• Việc quản lý hàng loạt docker host
• Container Scheduling
• Rolling update
• Scaling/Auto Scaling
• Monitor vòng đời và tình trạng sống chết của container.
• Self-hearing trong trường hợp có lỗi xãy ra. (Có khả năng phát hiện và tự correct lỗi)
• Service discovery
• Load balancing
• Quản lý data, work node, log
• Infrastructure as Code
• Sự liên kết và mở rộng với các hệ thống khác

Bằng việc sử dụng một Container orchestration engine như K8s có thể giải quyết được nhưng vấn đề trên đây. Trong trường hợp không sử dụng k8s, Thì sẽ phải cần thiết tạo ra cơ chế tự động hoá cho những cái kể trên, như thế thì cực kỳ tốn thời gian và không khả thi.

K8s quản lý thực thi các container sử dụng YAML để viết các Manifest.

Sau khái niệm kubernetes là gì chúng ta hãy đến với chức năng của nó. Kubernetes quản lý các docker host và cấu trúc container cluster. Ngoài ra, khi thực thi các container trên K8s, bằng cách thực hiện replicas (tạo ra nhiều container giống nhau) làm cho hệ thống có sức chịu lỗi cao và tự động thực hiện load balancing. Thông qua cơ chế load balancing, chúng ta có thể tăng giảm số lượng container replica (auto scaling).

 

Khi thực hiện phân chia container vào các Node (docker host), dựa trên các loại docker host kiểu như “Disk SSD” hay “số lượng clock của CPU cao”… Hoặc dựa trên loại Workload kiểu như “Disk I/O quá nhiều”, “Băng thông đến một container chỉ định quá nhiều” … K8s sẽ ý thức được việc affinity hay anti-affinity và thực hiện Scheduling một cách hợp lý cho chúng ta.

Trong trường hợp không được chỉ định host cụ thể, K8s sẽ thực hiện scheduling tuỳ thuộc vào tình trạng CPU, memmory của docker host có trống hay không. Vì vậy, chúng ta không cần quan tâm đến việc quản lý bố trí container vào các docker host như thế nào.

Hơn nữa, trường hợp resource không đủ, thì việc auto scheduling của K8s cluster cũng sẽ được thực hiện tự động.

Được xây dựng theo quan điểm tính chịu lỗi cao, K8s thực hiện monitor các container theo tiêu chuẩn. Trong trường hợp bất ngờ nào đó, khi một container process bị dừng, K8s sẽ thực hiện Self-hearing bằng cách scheduling một container nữa.

Self-hearing là một khái niệm cự kỳ quan trọng trong k8s, nếu trường hợp có một node nào đó trong cluster xảy ra vấn đề ví dụ có thể là bị die, hay node đó được di chuyển đi. Cơ chế self-hearing sẽ tự động phục hồi mà không ảnh hưởng đến service.

Thêm nữa, ngoài việc monitor hệ thống, k8s còn có khả năng thiết lập health check bằng HTTP/TCP script.

Trường hợp sau khi auto scaling, phát sinh một vấn đề của endpoint đến container. Trong trường hợp sử dụng máy ảo, bằng việc setting load balancing endpoint sẽ được sử dụng như một VIP.

K8s cũng có một chức năng tương tự như vậy đó là Service. Service của k8s cung cấp chức năng load balancing cho hàng loạt các container được chỉ định. Việc tự động thêm, xoá container thời điểm scale là điều hiển nhiên, khi một container xảy ra sự cố thì tự động cách ly.

Khi thực hiện rolling update container thì việc đầu tiên k8s sẽ làm là cách ly container cho chúng ta, vì vậy k8s có thể đảm nhận việc quản lý các endpoint ở mức SLA cao.

Trong trường hợp cấu trúc một hệ thống sử dụng docker, nên phân tách nhỏ các chức năng trong kiến trúc Microservice.

Trong kiến trúc Microservice, để sử dụng các image container được tạo ra tương ứng với từng chức năng và deploy chúng thì chức năng Service discovery thực sự cần thiết.

K8s là một Platform nhưng có khả năng liên kết tốt với các hệ sinh thái bên ngoài, có nhiều middleware chạy trên các service của k8s, trong tương lai chắc chắn sẽ còn nhiều hơn nữa.

• Ansible: Deploy container tới Kubernetes
• Apache Ignite: Sử dụng Service Discovery của Kubernetes, tự động tạo và scaling k8s clkuster
• Fluentd: gửi log của container trong Kubernetes
• Jenkins: Deploy container đến Kubernetes
• OpenStack：Cấu trúc k8s liên kết với Cloud
• Prometheus: Monitor Kubernetes
• Spark: Thực thi native job trên Kubernetes(thay thế cho YARN)
• Spinnaker：Deploy container đến Kubernetes

Thêm nữa, K8s chuẩn bị một vài cơ thế để có thể mở rộng, thực thi chức năng độc lập, nó có thể sử dụng platform như là một framework. Bằng cách sử dụng khả năng mở rộng, chúng ta có thể thực hiện release một ReplicaSet mà k8s cung cấp.

>> Xem thêm: Top 25+ câu hỏi phỏng vấn Kubernetes mọi cấp độ (P1)

Những khái niệm cơ bản trong Kubernetes

Master node

Là server điều khiển các máy Worker chạy ứng dụng. Master node bao gồm 4 thành phần chính:

• Kubernetes API Server: là thành phần giúp các thành phần khác liên lạc nói chuyện với nhau. Lập trình viên khi triển khai ứng dụng sẽ gọi API Kubernetes API Server này.
• Scheduler: Thành phần này lập lịch triển khai cho các ứng dụng, ưng dụng được đặt vào Worker nào để chạy
• Controler Manager: Thành phần đảm nhiệm phần quản lý các Worker, kiểm tra các Worker sống hay chết, đảm nhận việc nhân bản ứng dụng…
• Etcd: Đây là cơ sở dữ liệu của Kubernetes, tất cả các thông tin của Kubernetes được lưu trữ cố định vào đây.

Worker node

Là server chạy ứng dụng trên đó. Bao gồm 3 thành phần chính:

• Container runtime: Là thành phần giúp chạy các ứng dụng dưới dạng Container. Thông thường người ta sử dụng Docker.
• Kubelet: đây là thành phần giao tiếp với Kubernetes API Server, và cũng quản lý các container
• Kubernetes Service Proxy: Thành phần này đảm nhận việc phân tải giữa các ứng dụng

kubectl

Tool quản trị Kubernetes, được cài đặt trên các máy trạm, cho phép các lập trình viên đẩy các ứng dụng mô tả triển khai vào cụm Kubernetes, cũng như là cho phép các quản trị viên có thể quản trị được cụm Kubernetes.

Pod

Pod là khái niệm cơ bản và quan trọng nhất trên Kubernetes. Bản thân Pod có thể chứa 1 hoặc nhiều hơn 1 container. Pod chính là nơi ứng dụng được chạy trong đó. Pod là các tiến trình nằm trên các Worker Node. Bản thân Pod có tài nguyên riêng về file system, cpu, ram, volumes, địa chỉ network…

Image

Là phần mềm chạy ứng dụng đã được gói lại thành một chương trình để có thể chạy dưới dạng container. Các Pod sẽ sử dụng các Image để chạy.

Các Image này thông thường quản lý ở một nơi lưu trữ tập trung, ví dụ chúng ta có Docker Hub là nơi chứa Images của nhiều ứng dụng phổ biến như nginx, mysql, wordpress…

Deployment

Là cách thức để giúp triển khai, cập nhật, quản trị Pod.

Replicas Controller

Là thành phần quản trị bản sao của Pod, giúp nhân bản hoặc giảm số lượng Pod.

Service

Là phần mạng (network) của Kubernetes giúp cho các Pod gọi nhau ổn định hơn, hoặc để Load Balancing giữa nhiều bản sao của Pod, và có thể dùng để dẫn traffic từ người dùng vào ứng dụng (Pod), giúp người dùng có thể sử dụng được ứng dụng.

Label

Label ra đời để phân loại và quản lý Pod,. Ví dụ chúng ta có thể đánh nhãn các Pod chạy ở theo chức năng frontend, backend, chạy ở môi trường dev, qc, uat, production…

Thực hành Kubernetes

Phần thực hành sẽ giúp luyện tập với những khái niệm cơ bản ở phía trên của Kubernetes. Nội dùng phần này bao gồm việc cài đặt cụm Kubernetes gồm Master và Node thông qua Minikube.

Việc triển khai ứng dụng vào Kubernetes thông qua Deployment, sử dụng Service để giúp người dùng truy cập ứng dụng từ bên ngoài vào trong Kubernetes, và các thao tác quản trị như tăng giảm số bản sao của ứng dụng cũng như cập nhật phiên bản của ứng dụng.

Cài đặt Kubernetes bằng Minikube

Trong bài viết này, chúng tôi sử dụng chương trình Minikube, là chương trình thiết kế để giúp cho người mới tiếp cận được những khái niệm cơ bản nhất của Kubernetes. Minikube không được sử dụng cho môi trường chạy sản phẩm thật.

Ở trên đây là những khái niệm cơ bản nhất chúng tôi muốn đưa vào để giới thiệu cho bạn đọc. Kubernetes còn nhiều những khái niệm khác, dần dần chúng ta sẽ làm quen với các khái niệm này sau. Đây là link để các bạn follow cài đặt và chạy thử: https://kubernetes.io/docs/tutorials/hello-minikube/

Hiện nay các AWS, Azure hay Google Cloud cũng đang sử dụng rộng rãi Kubernetes vì tính ưu việt của nó, còn bạn đã thử chưa?

Tài liệu tham khảo kubernetes là gì

• https://thenewstack.io/kubernetes-an-overview/
• https://medium.com/google-cloud/kubernetes-101-pods-nodes-containers-and-clusters-c1509e409e16
• https://thinkit.co.jp/article/13289

Xem thêm Top Việc làm IT trên TopDev