Kubernetes là gì?

Trung Nguyen
17/03/2021
10 min read

Nội dung chính của bài viết

Kubernetes là gì?

Kubernetes là một nền tảng open source, portable, có thể mở rộng để quản lý các ứng dụng được đóng gói và các service, giúp thuận lợi trong việc cấu hình và tự động hoá việc triển khai ứng dụng. Kubernetes là một hệ sinh thái lớn và phát triển nhanh chóng. Các dịch vụ, sự hỗ trợ và công cụ có sẵn rộng rãi.

Tên gọi Kubernetes có nguồn gốc từ tiếng Hy Lạp, có ý nghĩa là người lái tàu hoặc hoa tiêu. Google mở mã nguồn Kubernetes từ năm 2014. Kubernetes xây dựng dựa trên một thập kỷ rưỡi kinh nghiệm mà Google có được với việc vận hành một khối lượng lớn workload trong thực tế, kết hợp với các ý tưởng và thực tiễn tốt nhất từ cộng đồng.

Lịch sử triển khai ứng dụng

Hãy xem hình ảnh bên dưới để thấy được những thay đổi trong triển khai ứng dụng qua thời gian.

Traditional Deployment: Các ứng dụng được chạy trên các máy chủ vật lý. Không có cách nào để xác định ranh giới tài nguyên cho các ứng dụng trong máy chủ vật lý và điều này gây ra sự cố phân bổ tài nguyên.

Ví dụ, nếu nhiều ứng dụng cùng chạy trên một máy chủ vật lý, có thể có những trường hợp một ứng dụng sẽ chiếm phần lớn tài nguyên hơn và kết quả là các ứng dụng khác sẽ hoạt động kém đi.

Một giải pháp cho điều này sẽ là chạy từng ứng dụng trên một máy chủ vật lý khác nhau. Nhưng giải pháp này không tối ưu vì tài nguyên không được sử dụng đúng mức và rất tốn kém cho các tổ chức để có thể duy trì nhiều máy chủ vật lý như vậy.

Virtualized Deployment: Nó cho phép bạn chạy nhiều Máy ảo (Virtual Machine - VM) trên CPU của một máy chủ vật lý. Ảo hóa cho phép các ứng dụng được cô lập giữa các VM và cung cấp mức độ bảo mật vì thông tin của một ứng dụng không thể được truy cập tự do bởi một ứng dụng khác.

Ảo hóa cho phép sử dụng tốt hơn các tài nguyên trong một máy chủ vật lý và cho phép khả năng mở rộng tốt hơn vì một ứng dụng có thể được thêm hoặc cập nhật dễ dàng, giảm chi phí phần cứng và hơn thế nữa. Với ảo hóa, bạn có thể có một tập hợp các tài nguyên vật lý dưới dạng một cụm các máy ảo sẵn dùng.

Mỗi VM là một máy tính chạy tất cả các thành phần, bao gồm cả hệ điều hành riêng của nó, bên trên phần cứng được ảo hóa.

Container Deployment: Các container tương tự như VM, nhưng chúng có tính cô lập để chia sẻ Hệ điều hành (HĐH) giữa các ứng dụng. Do đó, container được coi là nhẹ (lightweight). Tương tự như VM, một container có hệ thống tệp (filesystem), CPU, bộ nhớ, process space, v.v. Khi chúng được tách rời khỏi cơ sở hạ tầng bên dưới, chúng có thể portable trên cloud hoặc các bản phân phối Hệ điều hành.

Các container đã trở nên phổ biến vì chúng có nhiều lợi ích, chẳng hạn như:

Tạo mới và triển khai ứng dụng Agile: gia tăng tính dễ dàng và hiệu quả của việc tạo các container image so với việc sử dụng VM image.
Phát triển, tích hợp và triển khai liên tục: cung cấp khả năng build và triển khai container image thường xuyên và đáng tin cậy với việc rollbacks dễ dàng, nhanh chóng.
Phân biệt giữa Dev và Ops: tạo các images của các application container tại thời điểm build/release thay vì thời gian triển khai, do đó phân tách các ứng dụng khỏi hạ tầng.
Khả năng quan sát không chỉ hiển thị thông tin và các metric ở mức Hệ điều hành, mà còn cả application health và các tín hiệu khác.
Tính nhất quán về môi trường trong suốt quá trình phát triển, testing và trong production: Chạy tương tự trên laptop như trên cloud.
Tính portable trên cloud và các bản phân phối HĐH: Chạy trên Ubuntu, RHEL, CoreOS, on-premises, Google Kubernetes Engine và bất kì nơi nào khác.
Quản lý tập trung ứng dụng: Tăng mức độ trừu tượng từ việc chạy một Hệ điều hành trên phần cứng ảo hóa sang chạy một ứng dụng trên một HĐH bằng logical resources.
Các microservices phân tán, elastic: ứng dụng được phân tách thành các phần nhỏ hơn, độc lập và thể được triển khai và quản lý một cách linh hoạt - chứ không phải một app nguyên khối (monolithic).
Cô lập các tài nguyên: dự đoán hiệu năng ứng dụng.
Sử dụng tài nguyên hiệu quả.

Kubernetes giải quyết vấn đề gì?

Các container là một cách tốt để đóng gói và chạy các ứng dụng của bạn. Trong môi trường production, bạn cần quản lý các container chạy các ứng dụng và đảm bảo rằng không có khoảng thời gian downtime. Ví dụ, nếu một container bị tắt đi, một container khác cần phải khởi động lên. Điều này sẽ dễ dàng hơn nếu được xử lý bởi một hệ thống.

Đó là cách Kubernetes đến với chúng ta. Kubernetes cung cấp cho bạn một framework để chạy các hệ thống phân tán một cách mạnh mẽ. Nó đảm nhiệm việc scale và chuyển đổi dự phòng cho ứng dụng của bạn, cung cấp các mẫu deployment và hơn thế nữa. Ví dụ, Kubernetes có thể dễ dàng quản lý một triển khai canary cho hệ thống của bạn.

Kubernetes cung cấp cho bạn:

Service discovery và cân bằng tải
Kubernetes có thể expose một container sử dụng DNS hoặc địa chỉ IP của riêng nó. Nếu lượng traffic truy cập đến một container cao, Kubernetes có thể cân bằng tải và phân phối lưu lượng mạng (network traffic) để việc triển khai được ổn định.
Điều phối bộ nhớ
Kubernetes cho phép bạn tự động mount một hệ thống lưu trữ mà bạn chọn, như local storages, public cloud providers, v.v.
Tự động rollouts và rollbacks
Bạn có thể mô tả trạng thái mong muốn cho các container được triển khai dùng Kubernetes và nó có thể thay đổi trạng thái thực tế sang trạng thái mong muốn với tần suất được kiểm soát. Ví dụ, bạn có thể tự động hoá Kubernetes để tạo mới các container cho việc triển khai của bạn, xoá các container hiện có và áp dụng tất cả các resource của chúng vào container mới.
Đóng gói tự động
Bạn cung cấp cho Kubernetes một cluster gồm các node mà nó có thể sử dụng để chạy các tác vụ được đóng gói (containerized task). Bạn cho Kubernetes biết mỗi container cần bao nhiêu CPU và bộ nhớ (RAM). Kubernetes có thể điều phối các container đến các node để tận dụng tốt nhất các resource của bạn.
Tự phục hồi
Kubernetes khởi động lại các containers bị lỗi, thay thế các container, xoá các container không phản hồi lại cấu hình health check do người dùng xác định và không cho các client biết đến chúng cho đến khi chúng sẵn sàng hoạt động.
Quản lý cấu hình và bảo mật
Kubernetes cho phép bạn lưu trữ và quản lý các thông tin nhạy cảm như: password, OAuth token và SSH key. Bạn có thể triển khai và cập nhật lại secret và cấu hình ứng dụng mà không cần build lại các container image và không để lộ secret trong cấu hình stack của bạn.

Kubernetes không phải là gì?

Kubernetes không phải là một hệ thống PaaS (Platform as a Service - Nền tảng như một Dịch vụ) truyền thống, toàn diện. Do Kubernetes hoạt động ở tầng container chứ không phải ở tầng phần cứng, nó cung cấp một số tính năng thường áp dụng chung cho các dịch vụ PaaS, như triển khai, nhân rộng, cân bằng tải, ghi nhật ký và giám sát. Tuy nhiên, Kubernetes không phải là cấu trúc nguyên khối và các giải pháp mặc định này là tùy chọn và có thể gắn vào được (pluggable).

Kubernetes:

Không giới hạn các loại ứng dụng được hỗ trợ. Kubernetes nhằm mục đích hỗ trợ một khối lượng công việc cực kỳ đa dạng, bao gồm cả stateless, stateful và xử lý dữ liệu. Nếu một ứng dụng có thể chạy trong một container, nó sẽ chạy rất tốt trên Kubernetes.
Không triển khai mã nguồn và không build ứng dụng của bạn. Quy trình CI/CD được xác định bởi tổ chức cũng như các yêu cầu kỹ thuật.
Không cung cấp các service ở mức ứng dụng, như middleware (ví dụ, các message bus), các framework xử lý dữ liệu (ví dụ, Spark), cơ sở dữ liệu (ví dụ, MySQL), bộ nhớ cache, cũng như hệ thống lưu trữ của cluster (ví dụ, Ceph). Các thành phần như vậy có thể chạy trên Kubernetes và/hoặc có thể được truy cập bởi các ứng dụng chạy trên Kubernetes thông qua các cơ chế di động, chẳng hạn như Open Service Broker.
Không bắt buộc các giải pháp ghi lại nhật ký (logging), giám sát (monitoring) hoặc cảnh báo (alerting). Nó cung cấp một số sự tích hợp như proof-of-concept, và cơ chế để thu thập và xuất các số liệu.
Không cung cấp, không bắt buộc một cấu hình ngôn ngữ/hệ thống (ví dụ: Jsonnet). Nó cung cấp một API khai báo có thể được targeted bởi các hình thức khai báo tùy ý.
Không cung cấp cũng như áp dụng bất kỳ cấu hình toàn diện, bảo trì, quản lý hoặc hệ thống tự phục hồi.
Ngoài ra, Kubernetes không phải là một hệ thống điều phối đơn thuần. Trong thực tế, nó loại bỏ sự cần thiết của việc điều phối. Định nghĩa kỹ thuật của điều phối là việc thực thi một quy trình công việc được xác định: đầu tiên làm việc A, sau đó là B rồi sau chót là C. Ngược lại, Kubernetes bao gồm một tập các quy trình kiểm soát độc lập, có thể kết hợp, liên tục điều khiển trạng thái hiện tại theo trạng thái mong muốn đã cho. Nó không phải là vấn đề làm thế nào bạn có thể đi được từ A đến C. Kiểm soát tập trung cũng không bắt buộc. Điều này dẫn đến một hệ thống dễ sử dụng hơn, mạnh mẽ hơn, linh hoạt hơn và có thể mở rộng.

Các thành phần của Kubernetes

Khi bạn triển khai Kubernetes, bạn sẽ nhận được một cluster (cụm).

Một cluster Kubernetes bao gồm một tập hợp các máy worker, được gọi là node, chạy các ứng dụng được đóng gói. Mỗi cluster có ít nhất một node.

(Các) node lưu trữ các Pod - là các thành phần của application workload. Các control plane quản lý các node và các Pod trong cluster. Trong môi trường production, control plane thường chạy trên nhiều máy tính và một cluster thường chạy nhiều node, mang lại khả năng chịu lỗi và tính sẵn sàng cao.

Đây là sơ đồ của một cụm Kubernetes với tất cả các thành phần được gắn với nhau.