Kubernetes là gì? Cơ chế hoạt động chi tiết và chức năng

Kubernetes là gì?Trong kỷ nguyên của điện toán đám mây và kiến trúc microservices, việc quản lý và điều phối các ứng dụng containerized trở nên vô cùng phức tạp. Kubernetes đã xuất hiện như một giải pháp mạnh mẽ, giúp tự động hóa việc triển khai, mở rộng và quản lý các ứng dụng container trên quy mô lớn. Vậy Kubernetes hoạt động như thế nào? Hãy cùng khám phá chi tiết trong bài viết này.

Kubernetes là gì?

Kubernetes (K8s) là nền tảng mã nguồn mở tự động hóa quản lý, mở rộng và triển khai ứng dụng dưới dạng container. Được gọi là công cụ điều phối container (Container Orchestration Engine), K8s giúp loại bỏ quy trình thủ công trong việc triển khai và mở rộng ứng dụng.

Nó cho phép người dùng xây dựng dịch vụ ứng dụng với nhiều container, lên lịch trên một cụm máy chủ (cluster), mở rộng và quản lý tình trạng của các container theo thời gian. Kubernetes được phát triển bởi các kỹ sư Google và là một trong những công nghệ tiên phong trong lĩnh vực Linux container.

• Mở rộng hệ thống nhanh chóng: Doanh nghiệp muốn scaling hệ thống một cách nhanh chóng và đã sử dụng container (Docker).
• Dự án yêu cầu nhiều container: Những dự án bắt buộc phải chạy từ 5 container trở lên cùng một loại hình dịch vụ để đảm bảo hiệu quả quản lý.
• Startup trong giai đoạn phát triển: Các startup đang phát triển và sẵn sàng đầu tư vào công nghệ để dễ dàng thực hiện auto scale trong tương lai, đáp ứng nhu cầu tăng trưởng.

Chức năng của Kubernetes

Kubernetes không chỉ đơn thuần là một công cụ điều phối container; nó cung cấp một loạt các chức năng mạnh mẽ giúp quản lý ứng dụng containerized một cách hiệu quả và tự động. Dưới đây là những chức năng chính của Kubernetes:

2.1. Tự động hóa triển khai và cập nhật (Automated Deployments and Rollouts):

Kubernetes tự động hóa quá trình triển khai và cập nhật ứng dụng, giúp giảm thiểu thời gian downtime và rủi ro lỗi do con người.

• Triển khai (Deployments): Kubernetes cho phép bạn định nghĩa trạng thái mong muốn của ứng dụng, bao gồm số lượng replicas (bản sao) của Pod, phiên bản image, và các cấu hình khác. Khi bạn triển khai một ứng dụng, Kubernetes sẽ tạo các Pod và phân phối chúng lên các Node trong cluster.
• Cập nhật (Rollouts): Kubernetes hỗ trợ các chiến lược cập nhật khác nhau, như Rolling Updates và Canary Deployments.
• Rolling Updates: Cập nhật ứng dụng theo từng bước, thay thế dần các Pod cũ bằng các Pod mới. Điều này giúp đảm bảo ứng dụng luôn hoạt động trong quá trình cập nhật.
• Canary Deployments: Triển khai phiên bản mới của ứng dụng cho một nhóm nhỏ người dùng (canary) để kiểm tra trước khi triển khai cho toàn bộ người dùng.
• Rollbacks: Nếu quá trình cập nhật gặp sự cố, Kubernetes cho phép bạn dễ dàng quay trở lại phiên bản trước đó.

2.2. Mở rộng (Scaling):

Kubernetes cho phép bạn dễ dàng mở rộng ứng dụng theo chiều ngang bằng cách tăng hoặc giảm số lượng Pod dựa trên nhu cầu.

• Horizontal Pod Autoscaler (HPA): Tự động điều chỉnh số lượng Pod dựa trên các metrics như CPU utilization, memory utilization, hoặc các custom metrics.
• Manual Scaling: Bạn cũng có thể mở rộng ứng dụng bằng tay bằng lệnh kubectl scale.

2.3. Tự phục hồi (Self-healing):

Kubernetes liên tục giám sát trạng thái của các Pod và container. Nếu một Pod bị lỗi (ví dụ: container bị crash), Kubernetes sẽ tự động khởi động lại Pod đó. Nếu một Node bị lỗi, Kubernetes sẽ tự động chuyển các Pod đang chạy trên Node đó sang các Node khác.

• Liveness Probes: Kiểm tra xem container có đang chạy hay không.
• Readiness Probes: Kiểm tra xem container đã sẵn sàng nhận traffic hay chưa.
• Restart Policies: Định nghĩa cách Kubernetes xử lý khi container bị lỗi.

2.4. Cân bằng tải (Load Balancing):

Kubernetes cung cấp khả năng cân bằng tải để phân phối traffic đến các Pod một cách cân bằng.

• Service: Định nghĩa một endpoint ổn định cho một tập hợp các Pod.
• kube-proxy: Chạy trên mỗi Node và thực hiện cân bằng tải cho các Services.

2.5. Quản lý tài nguyên (Resource Management):

Kubernetes cho phép bạn định nghĩa resource requests và limits cho mỗi container.

• Requests: Lượng tài nguyên tối thiểu mà container cần để hoạt động.
• Limits: Lượng tài nguyên tối đa mà container có thể sử dụng.
  Việc quản lý tài nguyên giúp đảm bảo các container không chiếm dụng quá nhiều tài nguyên của Node và ảnh hưởng đến các container khác.

2.6. Quản lý cấu hình (Configuration Management):

Kubernetes cung cấp các đối tượng như ConfigMaps và Secrets để quản lý cấu hình của ứng dụng.

• ConfigMaps: Lưu trữ các file cấu hình dưới dạng key-value pairs.
• Secrets: Lưu trữ các thông tin nhạy cảm như passwords, API keys.
  Việc sử dụng ConfigMaps và Secrets giúp tách biệt cấu hình khỏi code ứng dụng và giúp quản lý cấu hình một cách an toàn và hiệu quả.

2.7. Lưu trữ bền vững (Persistent Storage):

Kubernetes cung cấp Persistent Volumes để lưu trữ dữ liệu bền vững. Dữ liệu được lưu trữ trong Persistent Volumes sẽ không bị mất khi Pod bị xóa.

• Persistent Volumes (PVs): Đại diện cho một phần lưu trữ trong cluster.
• Persistent Volume Claims (PVCs): Yêu cầu lưu trữ từ người dùng.

2.8. Service Discovery:

Kubernetes cung cấp cơ chế Service Discovery giúp các Pod dễ dàng tìm thấy và giao tiếp với nhau.

• DNS: Kubernetes cung cấp một DNS server nội bộ cho cluster, cho phép các Pod truy cập vào các Services bằng tên DNS.
• Environment Variables: Kubernetes cũng thiết lập các biến môi trường cho các Pod, chứa thông tin về các Services.

2.9. Batch Execution:

Kubernetes hỗ trợ việc chạy các batch jobs (công việc theo lô), ví dụ như xử lý dữ liệu hàng loạt, training machine learning models.

• Jobs: Đại diện cho một công việc cần được thực hiện.
• CronJobs: Lập lịch các Jobs để chạy định kỳ.

2.10. IP Address và Network Policies:

Kubernetes quản lý IP address cho các Pod và cung cấp Network Policies để kiểm soát traffic giữa các Pod.

• Network Policies: Định nghĩa các quy tắc cho phép hoặc từ chối traffic giữa các Pod.

Ưu và nhược điểm của Kubernetes

Ưu điểm của Kubernetes:

• Khả năng mở rộng (Scalability): Đây là một trong những ưu điểm nổi bật nhất của Kubernetes. Nó cho phép bạn dễ dàng mở rộng ứng dụng theo chiều ngang bằng cách tăng hoặc giảm số lượng container (Pod) một cách tự động hoặc thủ công. Điều này giúp ứng dụng của bạn có thể xử lý được lượng truy cập biến động và đảm bảo hiệu suất ổn định.
• Khả năng tự phục hồi (Self-healing): Kubernetes liên tục giám sát trạng thái của các container và node. Nếu một container bị lỗi hoặc một node bị hỏng, Kubernetes sẽ tự động khởi động lại container hoặc chuyển các container sang node khác để đảm bảo ứng dụng luôn hoạt động.
• Cân bằng tải (Load Balancing): Kubernetes tự động phân phối traffic đến các container một cách cân bằng, giúp tránh tình trạng quá tải cho một container và đảm bảo hiệu suất tốt nhất cho ứng dụng.
• Tối ưu hóa tài nguyên (Resource Optimization): Kubernetes cho phép bạn quản lý và phân bổ tài nguyên (CPU, RAM) cho các container một cách hiệu quả. Điều này giúp tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên phần cứng và giảm chi phí vận hành.
• Tự động hóa triển khai và cập nhật (Automated Deployments and Rollouts): Kubernetes tự động hóa quá trình triển khai và cập nhật ứng dụng, giúp giảm thiểu thời gian downtime và rủi ro lỗi do con người. Các chiến lược cập nhật như Rolling Updates và Canary Deployments giúp đảm bảo ứng dụng luôn hoạt động trong quá trình cập nhật.
• Tính di động (Portability): Kubernetes có thể chạy trên nhiều môi trường khác nhau, bao gồm on-premise, cloud (AWS, Azure, GCP), và hybrid cloud. Điều này giúp bạn linh hoạt trong việc lựa chọn hạ tầng và tránh bị phụ thuộc vào một nhà cung cấp cụ thể.
• Hệ sinh thái phong phú (Rich Ecosystem): Kubernetes có một hệ sinh thái rất lớn với nhiều công cụ và tiện ích hỗ trợ, giúp bạn dễ dàng tích hợp và mở rộng chức năng của Kubernetes.

Nhược điểm của Kubernetes:

• Độ phức tạp (Complexity): Kubernetes là một hệ thống phức tạp với nhiều khái niệm và thành phần. Việc học và làm chủ Kubernetes đòi hỏi thời gian và nỗ lực.
• Khó khăn trong việc thiết lập và quản lý ban đầu (Initial Setup and Management Overhead): Việc thiết lập và quản lý một cluster Kubernetes ban đầu có thể khá phức tạp, đặc biệt đối với những người mới bắt đầu.
• Chi phí tài nguyên (Resource Overhead): Bản thân Kubernetes cũng tiêu thụ một lượng tài nguyên nhất định để hoạt động. Do đó, nếu bạn có một ứng dụng rất nhỏ hoặc đơn giản, việc sử dụng Kubernetes có thể không hiệu quả về mặt chi phí.
• Khó khăn trong việc gỡ lỗi (Debugging Complexity): Việc gỡ lỗi trong môi trường Kubernetes có thể phức tạp hơn so với môi trường truyền thống, đặc biệt khi ứng dụng bao gồm nhiều microservices.
• Không phù hợp cho các ứng dụng rất đơn giản (Not Suitable for Very Simple Applications): Đối với các ứng dụng rất đơn giản, chỉ cần một vài container và không yêu cầu khả năng mở rộng hoặc tự phục hồi cao, việc sử dụng Kubernetes có thể là quá mức cần thiết.

Cơ chế hoạt động của Kubernetes

Kubernetes là một hệ thống phức tạp, nhưng cơ chế hoạt động của nó dựa trên sự phối hợp nhịp nhàng giữa các thành phần chính. Hiểu rõ cách các thành phần này tương tác sẽ giúp bạn khai thác tối đa sức mạnh của Kubernetes.

1. Nodes (Nút): Nền tảng của Kubernetes

Nodes là các máy chủ vật lý hoặc máy ảo đóng vai trò là “nơi làm việc” của Kubernetes. Chúng là nơi các ứng dụng containerized thực sự chạy. Có hai loại Nodes chính:

Master Node (Nút điều khiển): Đây là “bộ não” của cluster Kubernetes. Nó chịu trách nhiệm quản lý và điều khiển toàn bộ hoạt động của cluster. Master Node bao gồm các thành phần sau:

• API Server: Cổng giao tiếp chính của Kubernetes. Tất cả các tương tác với cluster đều thông qua API Server.
• Scheduler: Quyết định Node nào sẽ chạy Pod nào, dựa trên yêu cầu tài nguyên và các ràng buộc khác.
• Controller Manager: Quản lý các Controller, đảm bảo trạng thái mong muốn của cluster được duy trì.
• etcd: Cơ sở dữ liệu phân tán lưu trữ cấu hình của cluster.
• Worker Node (Nút làm việc): Đây là nơi các container thực sự chạy. Mỗi Worker Node bao gồm:
• Kubelet: Agent chạy trên mỗi Worker Node, chịu trách nhiệm giao tiếp với Master Node và quản lý các Pod trên Node đó.
• Kube-proxy: Proxy mạng chịu trách nhiệm định tuyến traffic đến các Pod.
  Container Runtime (ví dụ: Docker, containerd, CRI-O): Phần mềm chịu trách nhiệm chạy các container.

2. Pods: Đơn vị triển khai cơ bản

Pod là đơn vị triển khai nhỏ nhất trong Kubernetes. Một Pod có thể chứa một hoặc nhiều container. Các container trong cùng một Pod chia sẻ cùng một namespace (không gian tên) về mạng và lưu trữ, cho phép chúng giao tiếp với nhau thông qua localhost.

• Chia sẻ Network Namespace: Các container trong Pod chia sẻ cùng một IP address và port space. Điều này cho phép chúng giao tiếp với nhau thông qua localhost một cách hiệu quả.
• Chia sẻ Storage Volumes: Các container trong Pod có thể truy cập cùng một Persistent Volume, cho phép chúng chia sẻ dữ liệu.
• Vòng đời chung: Tất cả các container trong Pod được quản lý cùng nhau, có cùng vòng đời. Khi một Pod bị xóa, tất cả các container bên trong nó cũng bị xóa.

3. Controllers: Đảm bảo trạng thái mong muốn

Controllers là các vòng lặp điều khiển liên tục giám sát trạng thái của cluster và thực hiện các hành động cần thiết để đưa cluster về trạng thái mong muốn. Một số loại Controllers quan trọng:

• ReplicaSet: Đảm bảo một số lượng bản sao (replicas) nhất định của Pod luôn hoạt động. Nếu một Pod bị lỗi, ReplicaSet sẽ tự động tạo một Pod mới để thay thế.
• Deployment: Quản lý việc triển khai và cập nhật ứng dụng. Deployment sử dụng ReplicaSet để quản lý các Pod và cung cấp các tính năng như Rolling Updates và Rollbacks.
• StatefulSet: Quản lý các ứng dụng có trạng thái (stateful applications), ví dụ như cơ sở dữ liệu. StatefulSet đảm bảo thứ tự khởi động và tắt của các Pod và cung cấp persistent storage cho mỗi Pod.
• DaemonSet: Đảm bảo một Pod chạy trên mỗi Node trong cluster. Thường được sử dụng cho các tác vụ giám sát hoặc thu thập logs.

4. Services: Định tuyến traffic đến Pods

Services cung cấp một cách ổn định để truy cập vào các Pod. Vì Pods có thể bị thay đổi địa chỉ IP do khởi động lại hoặc scaling, Services cung cấp một endpoint ổn định mà các ứng dụng khác có thể sử dụng để giao tiếp với các Pod.

• ClusterIP: Cung cấp một IP nội bộ cho Service, chỉ có thể truy cập từ bên trong cluster.
• NodePort: Mở một port trên mỗi Node, cho phép truy cập vào Service từ bên ngoài cluster thông qua IP của Node và port được mở.
• LoadBalancer: Sử dụng load balancer của cloud provider để phân phối traffic đến các Pod.

5. Kubelet và Kube Proxy: Kết nối giữa Master và Workers

• Kubelet: Chạy trên mỗi Worker Node và chịu trách nhiệm:
• Giao tiếp với API Server trên Master Node.
• Nhận các chỉ thị về việc tạo, xóa và quản lý Pods.
• Đảm bảo các container trong Pod đang chạy và hoạt động bình thường.
• Kube-proxy: Chạy trên mỗi Worker Node và chịu trách nhiệm:

Định tuyến traffic đến các Pod dựa trên cấu hình của Services.
Thực hiện cân bằng tải cho các Services.

Tổng kết:

Kubernetes (K8s) là hệ thống mã nguồn mở mạnh mẽ giúp tự động hóa triển khai, mở rộng và quản lý ứng dụng containerized. Nó hoạt động dựa trên kiến trúc cluster, với Master Node điều khiển và Worker Nodes thực thi container trong Pods (đơn vị triển khai nhỏ nhất). Controllers (ReplicaSet, Deployment, StatefulSet) đảm bảo số lượng và trạng thái Pods. Services cung cấp endpoint ổn định cho Pods. Kubelet quản lý Pods trên Node, Kube Proxy định tuyến traffic. Kubernetes mang lại khả năng mở rộng, tự phục hồi, cân bằng tải, tối ưu tài nguyên và tự động hóa triển khai, phù hợp cho ứng dụng phức tạp và microservices. Tìm hiểu Kubernetes để nâng cao hiệu quả quản lý ứng dụng container của bạn.