Как работает Kubernetes: разбор архитектуры и ключевых компонентов

Kubernetes — это современная open-source-платформа, созданная для эффективного управления контейнеризованными приложениями. С ее помощью можно автоматизировать деплой, динамическое масштабирование и оркестрацию контейнеров в распределенных средах.

Несмотря на гибкость и широкие возможности, самостоятельное развертывание и поддержка Kubernetes-кластера требуют глубоких знаний и значительных ресурсов. Настройка, обеспечение отказоустойчивости, обновление компонентов и интеграция с другими сервисами — всё это ложится на плечи администраторов. 

Эту проблему решают управляемые Kubernetes-сервисы, такие как Managed Kubernetes от Timeweb Cloud. Они предоставляют готовую инфраструктуру, избавляя пользователей от рутинных задач. 

В статье мы пошагово разберем, как Kubernetes обеспечивает работу контейнеров, изучим внутреннюю архитектуру и практические механизмы управления.

kube

Архитектура Kubernetes

Архитектура Kubernetes следует классической клиент-серверной схеме. Кластер разделен на управляющий слой (Control Plane), который принимает решения и управляет состоянием системы, и рабочие узлы (Nodes), на которых фактически развертываются контейнеры. Control Plane выступает в роли «мозга» кластера, а Nodes — это «мышцы», обеспечивающие выполнение задач.

Компоненты Control Plane

В состав Control Plane входят следующие компоненты:

• API-сервер: Центральная точка взаимодействия и «мозг» кластера. Принимает запросы от пользователей и компонентов.
• etcd: Распределенная база данных типа «ключ-значение», которая хранит состояние кластера.
• Scheduler: Определяет, на какой рабочей ноде запускать поды.
• Controller Manager: Следит за состоянием кластера, синхронизируя желаемое состояние с текущим.

Компоненты Worker Node

На рабочих узлах присутствуют следующие компоненты:

• Kubelet: Агент, запущенный на каждой ноде, взаимодействует с API-сервером и управляет контейнерами через контейнерный движок (runtime).
• Kube-proxy: Управляет сетевыми правилами для связи между подами и внешними сервисами.
• Container Runtime: Компонент для запуска контейнеров (например, containerd, CRI-O или Docker).

Процесс запуска контейнеров: шаг за шагом

Разберем поэтапно, как происходит запуск контейнеров в Kubernetes на примере манифеста с объектом Deployment.

Шаг 1: Создание манифеста

Запуск контейнера в Kubernetes начинается с определения его конфигурации в манифесте формата YAML или JSON, в котором описывается желаемое состояние приложения. Например, манифест объекта Deployment задает такие параметры, как количество подов, образ контейнера, порты, переменные окружения и т. д. Пример манифеста:

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: demo-deployment-with-nginx
spec:
  replicas: 4
  selector:
    matchLabels:
      app: web-server
  template:
    metadata:
      labels:
        app: web-server
    spec:
      containers:
      - name: web-nginx
        image: nginx:1.24
        ports:
        - containerPort: 80

Шаг 2: Отправка манифеста в API Server

Пользователь отправляет манифест с помощью команд kubectl apply, kubectl create или напрямую через HTTP-запрос к API-серверу. API-сервер аутентифицирует и авторизует запрос, проверяет валидность манифеста и сохраняет его в базу данных etcd в виде объекта.

Шаг 3: Взаимодействие с Controller Manager

Deployment Controller (часть Controller Manager) обнаруживает новый объект Deployment в etcd через API-сервер. Контроллер создает объект ReplicaSet, который отвечает за поддержание заданного количества подов (указано в параметре replicas).

Шаг 4: Использование планировщика (Scheduler)

Компонент Kube-scheduler отслеживает новые поды, у которых не указана нода. Для выбора подходящей ноды Scheduler учитывает следующие факторы:

• Ресурсы ноды (CPU, память).
• Требования пода (например, nodeSelector, affinity/anti-affinity rules).
• Текущую нагрузку на ноды.
• Политики размещения (например, taints и tolerations).

Scheduler выбирает подходящую ноду и обновляет объект под в etcd, добавляя в него поле spec.nodeName с именем выбранной ноды.

Шаг 5: Запуск пода на рабочей ноде

Компонент Kubelet на выбранной ноде через API-сервер отслеживает новые поды, назначенные этой ноде. Kubelet запрашивает у API-сервера полную спецификацию пода, включая образ контейнера, переменные окружения, тома и т. д. Kubelet также следит за состоянием контейнеров (например, Running, CrashLoopBackOff) и отправляет обновления в API-сервер, который сохраняет их в etcd.

Шаг 6: Взаимодействие с Container Runtime

Kubelet передает спецификацию пода в Container Runtime (например, containerd или CRI-O). Container Runtime загружает образ контейнера из реестра (например, Docker Hub), создает контейнеры внутри пода, настраивает их (например, сетевые пространства имен, тома) и запускает.

Шаг 7: Настройка сетевого взаимодействия

Компонент Kube-proxy настраивает сетевые маршруты для обеспечения доступа к поду через его IP или объект Service. Важную роль в организации сетевой составляющей играет CNI-плагин (например, Flannel, Calico), который назначает поду уникальный IP-адрес в кластере и настраивает сетевые пространства имен для контейнеров внутри пода.

Пример жизненного цикла пода

1. С помощью команды kubectl apply пользователь отправляет манифест c типом Deployment в кластер Kubernetes.
2. API-сервер сохраняет объект в etcd.
3. Deployment Controller создает ReplicaSet, который создает поды.
4. Scheduler назначает поды на ноды.
5. Kubelet на ноде загружает образы контейнеров через Container Runtime, настраивает окружение и запускает контейнеры.
6. Kube-proxy настраивает сеть для доступа к подам.
7. Kubelet отслеживает состояние контейнеров, отправляя обновления в API-сервер.
8. Если под падает, ReplicaSet Controller создает новый под, и процесс повторяется.

Заключение

В данной статье мы разобрали, как Kubernetes работает изнутри. Платформа запускает контейнеры через скоординированную работу компонентов Control Plane и Worker Node. API-сервер принимает запросы, Scheduler распределяет поды, Kubelet и Container Runtime запускают контейнеры, а Kube-proxy обеспечивает сетевую связность. Постоянная синхронизация между желаемым и текущим состоянием гарантирует надежность и масштабируемость приложений.