Kubernetes: tudo o que você precisa saber sobre esse conceito

Kubernetes — ou K8s — é uma plataforma de código aberto pioneira do Google, que começou como uma ferramenta simples de orquestração de contêineres, mas cresceu para uma plataforma nativa da nuvem.

É um dos avanços mais significativos em TI desde que a nuvem pública surgiu em 2009, e tem uma taxa de crescimento de 30% em 5 anos sem paralelo, tanto na receita do mercado quanto na adoção geral.

Se você ainda não tem uma estratégia baseada em Kubernetes, vale a pena ler este guia completo sobre o assunto!

O que é kubernetes?

O Kubernetes é uma plataforma de código aberto que automatiza as operações de contêineres, eliminando os processos manuais envolvidos na implantação e dimensionamento de aplicativos.

Ele permite que os desenvolvedores organizem contêineres que hospedam microsserviços em clusters, lidam com dimensionamento e automatizam procedimentos de failover. Em essência, ele simplifica o trabalho necessário para gerenciar contêineres, além de fornecer a capacidade de executar sistemas distribuídos com alto nível de resiliência.

Como ele surgiu?

Antes de o Kubernetes se tornar um padrão de fato para implantação e orquestração de aplicativos, era um projeto do Google. No início dos anos 2000, o gigante da tecnologia tinha um grande problema: embora dominassem a maior parte do mundo digital, ainda estavam discutindo como poderiam gerar receita com sua robusta lista de serviços gratuitos. Isso incluía utilitários populares como:

• Gmail;
• pesquisa do Google;
• Youtube.

Para isso, eles tiveram que repensar completamente a infraestrutura e arquitetura de aplicativos. O resultado foi um novo sistema de orquestração de aplicativos que o Google chamou de “Borg”. Tratava-se do sistema de gerenciamento de cluster que o Google precisava para acompanhar os milhões de usuários de seus serviços.

Ele até antecedeu os recursos do kernel do Linux, como grupos de controle, que agora vemos como elementos fundamentais de aplicativos em contêiner.

Nessa época, o projeto borg ainda estava em segredo. Porém, outra startup de tecnologia estava criando algumas abordagens para o desenvolvimento de aplicativos. Por volta de 2013, o Docker foi a empresa que popularizou o gerenciamento de contêineres.

Vendo a ascensão dos contêineres como uma maneira escalável e eficiente de gerenciar cargas de trabalho massivas, vários membros do Projeto Borg do Google decidiram avançar com a ideia. Joe Beda, Brendan Burns e Craig McLuckie analisaram a popularidade dos contêineres do Docker e viram um caminho a seguir para alguns dos elementos mais úteis do Borg.

Com o projeto Borg — e seu sucessor, Omega — o Google era capaz de desenvolver uma plataforma de orquestração em contêiner utilizável e escalável, mas para preencher a lacuna entre interno e externo precisava da ajuda de desenvolvedores em todo o mundo — e a única maneira de fazer isso era tornar todo o projeto de código aberto.

Assim nasceu o Kubernetes, e os componentes básicos da arquitetura que conhecemos hoje se tornaram parte do mundo da tecnologia. Mas não pense que é o fim da história. Desde a introdução do Kubernetes v1.0.0 em julho de 2015, só vimos o cluster Kubernetes crescer, e o futuro da plataforma parece ser mais brilhante do que nunca.

Como é a estrutura do kubernetes?

Com a implantação do Kubernetes, você obtém um cluster. Esse cluster é uma combinação de vários componentes que funcionam juntos para executar com êxito seus aplicativos em contêiner. Para entender um pouco mais sobre o Kubernetes, vamos detalhar alguns dos componentes que compõem um cluster.

Pods

Um Pod é uma unidade de computação que pode hospedar um ou mais contêineres que podem compartilhar recursos como armazenamento e rede. Isso significa que ele pode executar um único contêiner, mas também pode executar vários que precisam trabalhar juntos. Em outras palavras, o Kubernetes usa Pods para gerenciar e interagir com contêineres. Os pods podem solicitar recursos de computação e memória, dependendo da tarefa que precisa ser feita.

Os pods são vinculados às máquinas onde são criados e permanecem lá até serem destruídos. No entanto, você pode ter réplicas do mesmo Pod em máquinas diferentes.

O Kubernetes usa um DaemonSet para garantir que todas ou algumas de suas máquinas executem uma cópia de um Pod. À medida que você adicionar máquinas ao cluster, os pods são adicionados a essas máquinas. Da mesma forma, se uma máquina for removida, o DaemonSet garante que os pods associados a essa máquina também sejam destruídos.

A característica de um Pod que vale a pena notar é que eles são efêmeros, o que significa que eles têm uma vida útil curta. Quando um pod falha, o Kubernetes pode replicá-lo sem interromper o fluxo de trabalho.

Como os pods são efêmeros, você pode perder arquivos quando um contêiner falha ou pode encontrar problemas ao tentar compartilhar arquivos entre contêineres que trabalham no mesmo pod. Uma solução para isso é o uso de volumes e volumes persistentes.

Nós

Os nós são máquinas de trabalho que podem ser físicas ou virtuais. Os nós geralmente contêm vários pods e possuem todos os serviços necessários para executar esses pods. Em suma, os nós são responsáveis ​​por executar seus aplicativos em contêiner. Para você entender mais sobre os nós, é importante compreender dois componentes-chave: kubelet e kube-proxy.

kubelet

O kubelet é um agente responsável por agendar e garantir que os aplicativos sejam executados corretamente em um nó. Ele é responsável pela comunicação com o plano de controle (falamos mais sobre isso a seguir).

Se os Pods falharem, o kubelet segue as instruções do plano de controle e pode criar ou destruir um Pod de acordo. O kubelet também fornece informações sobre a saúde do nó para o plano de controle.

kube-proxy

O kube-proxy é um proxy de rede que permite que o tráfego de rede seja redirecionado para os pods no Node. O kube-proxy permite a comunicação de rede dentro e fora de um cluster Kubernetes.

Suponha que você tenha um Pod que execute uma página da Web e outro que execute seu banco de dados. Se sua página da web precisa se comunicar com o banco de dados, o kube-proxy é responsável por tornar essa comunicação bem-sucedida.

Plano de controle

O plano de controle contém vários componentes responsáveis por controlar e gerenciar todos os serviços do Kubernetes necessários para executar e implantar um aplicativo com sucesso.

Ele gerencia todos os Pods e garante que o estado desejado seja alcançado. Também garante que todos os requisitos de recursos sejam atendidos. Os principais componentes no plano de controle são:

• kube-apiservice: expõe a API do Kubernetes e permite que você interaja com seu cluster;
• etcd: contém todos os dados importantes usados pelo Kubernetes;
• kube-scheduler: decide quando e onde executar um Pod. O agendador determina em qual nó um pod deve ser executado com base na disponibilidade de recursos do nó;
• kube-controller-manager: responsável por manipular os serviços do controlador em seu cluster. Os controladores ajudam seu cluster a atingir o estado do cluster desejado, fazendo ou solicitando alterações para atingir tal estado;
• cloud-controller-manager: permite conectar seu cluster Kubernetes a provedores de nuvem.

Todos esses componentes trabalham juntos para simplificar uma implantação em contêiner e garantir que ela seja bem-sucedida.

Como funciona o kubernetes?

O Kubernetes é independente de fornecedor e compatível com a maioria das principais soluções de servidor e nuvem, incluindo Azure Container Service, Amazon EC2 e IBM Software. Ele também funciona com configurações bare-metal usando CoreOS e soluções semelhantes, bem como máquinas virtuais baseadas em kernel vSphere, Docker, libvirt e Linux.

Mas o que exatamente o Kubernetes faz? Bem, grandes empresas baseadas em contêiner geralmente precisam de várias instâncias de contêiner Linux para sustentar todas as suas necessidades de aplicativos. Isso se torna especialmente necessário à medida que os aplicativos aumentam em complexidade, por exemplo, adotando microsserviços para suas necessidades de comunicação.

Gerenciar contêineres individuais torna-se uma tarefa árdua à medida que a infraestrutura de contêineres de uma organização aumenta. Os desenvolvedores devem agendar a implantação de contêiner para máquinas específicas, gerenciar a rede, aumentar a alocação de recursos de acordo com a carga de trabalho e muito mais. É aí que entra o Kubernetes!

Esse sistema de orquestração de contêineres permite que os engenheiros gerenciem o ciclo de vida do aplicativo em contêineres em toda a frota. Esse metaprocesso permite que os usuários automatizem simultaneamente o dimensionamento e a implantação para vários contêineres. O Kubernetes oferece visibilidade aos contêineres usando endereços DNS ou IP.

Além disso, o Kubernetes agrupa os contêineres que executam o mesmo aplicativo. Os contêineres replicam a funcionalidade uns dos outros e equilibram a carga de solicitações recebidas entre si. A carga em contêineres de alto tráfego é balanceada e o tráfego de rede é distribuído para garantir uma implantação estável.

Os grupos de contêineres são gerenciados pelo Kubernetes, que trabalha para garantir operações perfeitas. Esse processo automatizado funciona como um administrador que supervisiona as operações de grupos de aplicativos em contêineres. Os orquestradores, como o Kubernetes, cuidam de vários processos, como reiniciar um contêiner ou aumentar sua taxa de transferência.

O Kubernetes funciona como um cluster em vários nós, tornando as aplicações mais robustas . Essa estrutura também suporta dimensionamento estático e dinâmico automatizado. O redimensionamento automático do número de replicações com base na utilização da memória e da CPU também é suportado.

Depois que uma porcentagem de limite específica é ultrapassada, o Kubernetes cria um novo pod para garantir o balanceamento de carga otimizado. A orquestração de armazenamento é outra função do Kubernetes. Isso permite que os usuários automatizem a montagem de seu sistema de armazenamento preferido, incluindo nuvens locais e públicas.

Com o Kubernetes, os usuários podem definir o estado preferencial para contêineres implantados. A estrutura então adota uma abordagem controlada para modificar o estado real para o estado desejado. Simplificando, o Kubernetes pode automatizar implementações e reversões. Por exemplo, ele pode ser automatizado para formar novos contêineres, remover os existentes e adotar recursos para um contêiner recém-criado.

O Kubernetes também é usado para gerenciar segredos e configurações, permitindo o armazenamento e o gerenciamento de dados confidenciais. Isso inclui senhas, chaves SSH e tokens OAuth. Com o Kubernetes, é possível implantar e atualizar configurações e segredos de aplicativos sem a necessidade de reconstruir imagens de contêiner.

Essa disposição também evita que os segredos sejam expostos na configuração da pilha. Por fim, o empacotamento automático de caixas e a autorrecuperação são dois outros recursos importantes do Kubernetes.

No caso do primeiro, o usuário precisa fornecer um cluster de nós que a plataforma possa aproveitar para executar tarefas em contêiner. Depois que as especificações de CPU e memória de cada contêiner são adicionadas ao Kubernetes, ele cria os contêineres nos nós fornecidos para garantir o consumo otimizado de recursos.

No último, a estrutura pode reiniciar contêineres com falha, encerrar contêineres que não respondem favoravelmente a uma verificação de integridade definida pelo usuário, substituir contêineres conforme necessário e manter contêineres ocultos dos clientes antes que estejam prontos.

Quais são as funcionalidades do kubernetes?

O Kubernetes tem muitos funcionalidades incríveis. Mas aqui estão algumas das mais importantes:

• auto-recuperação: o Kubernetes permite a eliminação e a reinicialização de contêineres que falham nas verificações de integridade definidas pelo usuário, isolando-os da acessibilidade dos usuários finais até que estejam prontos para receber tráfego;
• rollouts e rollbacks automatizados: as alterações em um aplicativo de contêiner são implementadas progressivamente durante o monitoramento da integridade do aplicativo para garantir que ele não mate todas as suas instâncias simultaneamente. Se algo der errado, o Kubernetes reverterá as alterações;
• descoberta de serviço: o Kubernetes pode expor um contêiner usando o nome DNS ou seu próprio endereço IP. Ele também pode gerenciar automaticamente os registros DNS especificando e transferindo serviços para os hosts necessários;
• balanceamento de carga: o Kubernetes equilibra a carga e distribui o tráfego de rede para contêineres para manter a implantação estável;
• dimensionamento: o Kubernetes dimensiona seu aplicativo para cima e para baixo (aplicativo com estado) ou para dentro e para fora (aplicativos sem estado) por meio de comandos da CLI, uma interface do usuário da Web ou métrica de desempenho;
• monitoramento e registro de recursos: o Kubernetes monitora o estado dos recursos dentro do cluster e registra suas operações;
• gerenciamento de configuração e segredo: o Kubernetes permite que os desenvolvedores armazenem e gerenciem informações confidenciais (senhas, tokens OAuth e chaves SSH) sem reconstruir imagens de contêiner e expor segredos em sua configuração de pilha.

Quais são as aplicações práticas desse conceito?

O Kubernetes tem muitos aplicativos no setor de TI, negócios e ciência. Mas, vamos citar aqui algumas das principais aplicações práticas da tecnologia.

Entrega Contínua (CI/CD)

O Kubernetes pode desempenhar um papel crucial na implantação contínua (CD) do pipeline DevOps CI/CD. À medida que os desenvolvedores criam código usando o servidor CI, o Kubernetes automatiza as implantações. Servidores de CI populares, como o GitLab, vêm com um registro de contêiner integrado que aproveita a plataforma Kubernetes em pipelines de CI/CD.

Automação de infraestrutura

Em uma arquitetura de microsserviços com tecnologia DevOps, o Kubernetes é um forte argumento no gerenciamento de cargas de trabalho. Ele ajuda os administradores na automação de infraestrutura em que os aplicativos podem ser facilmente implantados e gerenciados em diferentes ambientes.

A capacidade de dimensionar componentes ou serviços selecionados sem afetar o aplicativo de forma alguma permite que as organizações dimensionem aplicativos enquanto otimizam os custos. Da mesma forma, o controle de versão de implantações ajuda a monitorar e reverter contêineres, se necessário.

Migração para a nuvem

As organizações que planejam migrar seus data centers locais para a nuvem usando o método “Lift and Shift” podem migrar o aplicativo inteiro para grandes pods do Kubernetes e, em seguida, dividi-los em componentes menores assim que você pegar o jeito da nuvem. Ele reduz os riscos de migração enquanto o ajuda a aproveitar totalmente o benefício da nuvem.

Implantações em várias nuvens

Os ambientes multinuvem abrangem diferentes implantações de nuvem, como público, privado, local, bare metal etc. Como os aplicativos e os dados se movem em vários ambientes, o gerenciamento da distribuição de recursos é um desafio.

A abstração do Kubernetes permite a distribuição de automação de recursos de computação em ambientes de várias nuvens, o que significa que as organizações podem distribuir cargas de trabalho com eficiência em vários provedores de nuvem.

Serverless computing

A serverless computing — arquitetura sem servidor — está ganhando força rapidamente, pois permite que as empresas desenvolvam código sem se preocupar com o provisionamento da infraestrutura de rede. Nesse tipo de arquitetura, o provedor de nuvem provisiona recursos apenas quando um serviço está em execução.

No entanto, o aprisionamento do fornecedor é um grande obstáculo ao conceito sem servidor, pois o código desenvolvido para uma plataforma enfrenta problemas de compatibilidade em outra plataforma de nuvem.

Quando o Kubernetes é usado, ele abstrai a infraestrutura subjacente para criar uma plataforma sem servidor independente de fornecedor. Kubeless é um exemplo de framework sem servidor.

Quais são as vantagens do kubernetes?

Inicialmente, pensava-se que apenas as maiores empresas poderiam se beneficiar do uso do Kubernetes. No entanto, nos últimos anos, ficou claro que empresas grandes e pequenas podem usufruir dos benefícios da migração de cargas de trabalho legadas para K8s e usá-las antecipadamente e com frequência em novos projetos. Conheça alguns dos principais benefícios.

Automatização de ambientes conteinerizados

A conteinerização é o futuro e traz muitos benefícios. A conteinerização é a noção de empacotar código apenas com o sistema operacional e as dependências necessárias para criar um único executável, o contêiner, que pode ser executado na infraestrutura.

Como os contêineres não precisam de um sistema operacional completo e, em vez disso, são executados com um kernel de sistema operacional compartilhado, os contêineres são menores, mais rápidos e mais portáteis em comparação às máquinas virtuais tradicionais ou VMs.

Para empresas que usam uma arquitetura de microsserviços, os contêineres são a escolha certa. O Kubernetes possibilita ambientes em contêineres atuando como o sistema de orquestração. Ele automatiza os requisitos operacionais da execução de cargas de trabalho em contêiner.

Escalabilidade para cima e para baixo

O escalonamento automático é um dos recursos mais comentados e importantes do Kubernetes. Com ele, as empresas podem aumentar e diminuir a escala com eficiência com base na demanda real. O Kubernetes tem três recursos diferentes de escalonamento automático:

• o Horizontal Pod Autoscaler (HPA), geralmente chamado de dimensionamento horizontal, dimensionará automaticamente o número de pods disponíveis, dependendo do uso de recursos;
• o Vertical Pod Autoscaler (VPA), muitas vezes referido como dimensionamento, pode ajustar automaticamente a CPU e a memória para máquinas existentes; e
• o autoescalador de cluster é capaz de aumentar o número de nós automaticamente quando os pods não conseguem escalar ainda mais, até o tamanho máximo do pool de nós.

O escalonamento automático é importante tanto para o desempenho do usuário final quanto para o departamento de contabilidade. É uma maneira eficiente de executar cargas de trabalho e pode levar a eficiências de custo significativas que exploramos abaixo.

Eficiência de custo e economia

Um dos primeiros e mais populares motivos para migrar para o Kubernetes foi devido às economias e eficiências de custo possíveis. Organizações com diferentes graus de demanda e desafios de escalabilidade encontraram economias de custo significativas com o Kubernetes.

Como mencionado acima, o Kubernetes possui recursos de escalonamento automático que permitem que as empresas aumentem e diminuam o número de recursos que estão usando em tempo real. Quando combinado com um provedor de nuvem flexível, o Kubernetes é capaz de usar com eficiência exatamente a quantidade certa de recursos com base na demanda em determinados momentos.

Por exemplo, se você estiver executando uma empresa de streaming de vídeo e, às vezes, durante a noite, a visualização aumentar drasticamente, o Kubernetes poderá dimensionar o número de pods e nós para atender à demanda e garantir o desempenho do usuário sem desperdício.

Capacidade de execução em qualquer lugar

Com o Kubernetes, você pode usar quase todos os ambientes de execução de contêineres com praticamente qualquer tipo de infraestrutura.

Esteja você executando suas cargas de trabalho no local ou usando uma nuvem pública, poderá usar o Kubernetes desde que o sistema operacional do host esteja usando uma versão recente, normalmente de 2016 ou mais recente, do Linux ou Windows.

Para grandes organizações com ambientes de infraestrutura de TI complexos e variáveis, o Kubernetes pode ser usado nesses ambientes em escala, enquanto outros sistemas de orquestração de contêiner geralmente ficam presos a um pequeno número de opções.

Possibilidades de várias nuvens

Devido à sua portabilidade, as cargas de trabalho do Kubernetes podem existir em uma única nuvem ou se espalhar por várias nuvens. Em nossa empresa ContainIQ, atualmente estamos executando cargas de trabalho em vários provedores Kubernetes gerenciados e podemos dimensionar nossos ambientes com eficiência de um para outro.

Hoje, a maioria dos principais provedores de nuvem tem ofertas específicas do Kubernetes. Ele torna mais fácil para todas as organizações aproveitar os ambientes de várias nuvens e evitar o aprisionamento do fornecedor.

Está claro que o Kubernetes veio para ficar como o principal sistema de orquestração de containers. Há muitos benefícios de usar esse modelo e abordamos muitos deles aqui em nosso artigo. Ele facilita a expansão e a redução, pode melhorar a produtividade de toda a equipe de engenharia e oferece portabilidade às organizações. O impacto líquido de todas essas melhorias só levará a usuários finais e departamentos de engenharia mais satisfeitos.

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