📖 Введение
Современные программные системы строятся на принципах микросервисной архитектуры и контейнеризации. Приложения больше не представляют собой монолит, развернутый на одном сервере. Вместо этого они состоят из множества небольших, изолированных компонентов, каждый из которых выполняет отдельную задачу и может обновляться независимо.
Управлять такой системой вручную невозможно: контейнеры необходимо автоматически запускать, распределять по вычислительным ресурсам, следить за их состоянием, перезапускать при сбоях, масштабировать и обновлять без простоя. Kubernetes (сокращённо — K8s) решает все эти задачи с помощью гибкой и распределённой архитектуры.
🗃️ История и происхождение
Kubernetes появился как результат более чем десятилетнего опыта эксплуатации контейнеров внутри Google. Ещё задолго до появления Docker, Google запускала свои сервисы в изолированных средах, управляемых системой Borg. Borg обеспечивал автоматическое планирование контейнеров на кластере, контроль их состояния, самовосстановление и оптимальное распределение ресурсов.
В 2014 году компания решила обобщить этот опыт и создать открытую систему, доступную всему сообществу. Так появился Kubernetes. Архитектура новой системы унаследовала ключевые принципы Borg, но была перепроектирована как универсальная и расширяемая платформа, не привязанная к инфраструктуре Google. Сегодня Kubernetes развивается в рамках Cloud Native Computing Foundation и поддерживается тысячами разработчиков и организаций по всему миру.
🧩 Общая архитектура
В основе Kubernetes лежит кластер — совокупность узлов (машин), которые совместно управляют контейнерами и ресурсами. Кластер делится на два слоя: управляющую плоскость и рабочие узлы.
Управляющая плоскость отвечает за принятие решений: планирование новых контейнеров, контроль за состоянием системы, реакцию на сбои и изменения. Она включает API-сервер, хранилище состояния, контроллеры и планировщик.
Рабочие узлы фактически запускают контейнеры и предоставляют вычислительные ресурсы. На каждом узле работает агент, взаимодействующий с управляющей плоскостью, и среда выполнения контейнеров.
Kubernetes спроектирован как распределённая система с чётким разделением ответственности. Управляющая часть принимает декларативные описания желаемого состояния, а затем координирует работу узлов так, чтобы фактическое состояние соответствовало этим описаниям.
👨💼 Управляющая плоскость
Управляющая плоскость — это мозг кластера. Она состоит из нескольких ключевых компонентов.
API-сервер — центральная точка взаимодействия. Все пользователи и внутренние процессы обращаются к нему через REST-интерфейс. Он принимает запросы, проверяет их корректность и вносит изменения в состояние системы.
etcd — распределённое консистентное хранилище, в котором Kubernetes хранит текущее состояние кластера. Это источник истины, от которого зависят все остальные компоненты.
Контроллеры — фоновые процессы, которые следят за тем, чтобы фактическое состояние системы совпадало с желаемым. Например, контроллер развёртывания следит за количеством работающих экземпляров приложения и запускает новые контейнеры, если какие-то из них упали.
Планировщик — компонент, который решает, на каком узле запустить новый контейнер. Он анализирует ресурсы, ограничения, политики и выбирает наиболее подходящий узел. Планировщик не запускает контейнеры напрямую, а только назначает узел, а затем контроллеры и агенты узлов выполняют это решение.
👷 Рабочие узлы
Каждый рабочий узел — это машина (физическая или виртуальная), на которой запущены три ключевых процесса.
Kubelet — агент, отвечающий за выполнение инструкций управляющей плоскости. Он получает задание запустить определённый контейнерный набор, контролирует его состояние и регулярно отчитывается обратно.
Kube-proxy — сетевой компонент, который реализует правила маршрутизации и балансировки трафика внутри кластера. Он обеспечивает прозрачное сетевое взаимодействие между контейнерами на разных узлах.
Контейнерный рантайм — программное обеспечение, которое фактически запускает контейнеры. Kubernetes не ограничивается одной технологией, он может работать с различными реализациями, поддерживающими открытый интерфейс.
Рабочие узлы не принимают самостоятельных решений. Они получают инструкции от управляющей плоскости и строго их выполняют, поддерживая нужное состояние приложений.
🏗️ Объектная модель
Kubernetes управляет системой через набор объектов, каждый из которых описывает определённый аспект инфраструктуры.
В основе лежит декларативная модель: пользователь описывает в объекте, что должно быть запущено и как, а Kubernetes сам решает, каким образом достичь этого состояния.
Среди базовых понятий:
- единицы выполнения контейнеров, которые группируются и управляются как единое целое;
- абстракции, описывающие желаемое количество экземпляров и стратегию их обновления;
- сущности, определяющие внутренние и внешние сетевые точки доступа;
- объекты для хранения конфигураций, секретов и политик безопасности.
Эта модель позволяет описывать даже сложные распределённые приложения в виде набора декларативных инструкций, а не императивных сценариев.
🏭 Контрольные циклы
Одной из ключевых концепций Kubernetes является механизм контрольных циклов. Каждая часть системы постоянно сравнивает фактическое состояние с желаемым и предпринимает действия для их выравнивания.
Например, если в описании указано, что должно быть запущено три экземпляра сервиса, а работает только два, контроллер создаст третий автоматически. Если узел, на котором работал контейнер, вышел из строя, система разместит его на другом узле.
Благодаря этому Kubernetes устойчив к сбоям и динамическим изменениям среды. Он не просто реагирует на команды пользователя, а самостоятельно поддерживает заданное состояние кластера.
⚙️ Сетевая модель
Kubernetes использует упрощённую, но мощную сетевую модель. Каждый контейнер получает собственный IP-адрес, а взаимодействие между ними организуется на основе единого адресного пространства. Это значит, что контейнеры могут общаться напрямую без необходимости ручной настройки сетевых правил.
Маршрутизация трафика осуществляется через встроенные механизмы проксирования и абстракции сервисов. Сервис представляет собой стабильную точку доступа, за которой может стоять динамически изменяющийся набор контейнеров. Это позволяет легко масштабировать приложения и заменять экземпляры без изменения адресов.
Для более сложных сценариев применяются сетевые плагины, обеспечивающие дополнительные возможности, такие как политики безопасности или межкластерные соединения.
🏘️ Масштабирование и обновления
Одно из ключевых преимуществ Kubernetes — встроенные механизмы масштабирования и обновления приложений. При увеличении нагрузки система может автоматически запускать дополнительные экземпляры контейнеров, распределяя их по кластеру. При снижении нагрузки — уменьшать их количество, высвобождая ресурсы.
Обновления происходят поэтапно: старые экземпляры постепенно заменяются новыми без остановки сервиса. Если обновление вызывает ошибки, система может автоматически откатиться к предыдущему состоянию.
🚀 Расширяемость
Kubernetes задуман как платформа, которую можно расширять. Он поддерживает пользовательские контроллеры, вебхуки, политики и сетевые плагины. Это позволяет организациям адаптировать его под свои нужды, не изменяя базовый код системы.
Расширяемость — одна из причин, по которой Kubernetes смог стать универсальным стандартом: вокруг него можно построить как простую среду для запуска контейнеров, так и сложную корпоративную платформу с собственными правилами и автоматизацией.
🧠 Заключение
Kubernetes — это зрелая, гибкая и мощная система управления контейнерами, которая объединила лучшие идеи автоматизации инфраструктуры. Она основана на чёткой архитектуре, декларативной модели и постоянных контрольных циклах, обеспечивающих устойчивость и самовосстановление.
Понимание внутреннего устройства Kubernetes даёт возможность эффективно проектировать и поддерживать современные распределённые приложения, а также строить инфраструктуру, способную адаптироваться к изменениям без постоянного вмешательства человека.
Эта система не просто автоматизирует развёртывание контейнеров — она определяет подход к построению облачных приложений нового поколения.