Kubernetes: Giới thiệu, kiến trúc và cách thức hoạt động

Kubernetes, hoặc 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, 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 thegioimaychu.vn ).
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.

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 instance 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.

Thông tin tham khảo:

____
Bài viết liên quan