Kubernetes programuotojams: išsamus vadovas

Kubernetes, dažnai trumpinamas kaip K8s, tapo faktiniu konteinerių orkestravimo standartu. Šis vadovas pateikia išsamią Kubernetes apžvalgą, specialiai pritaikytą programuotojams, nepriklausomai nuo jų geografinės padėties ar patirties. Išnagrinėsime pagrindines Kubernetes koncepcijas, privalumus ir praktinį taikymą kūrimo cikle.

Kas yra Kubernetes?

Iš esmės Kubernetes yra platforma, skirta automatizuoti konteinerizuotų programų diegimą, mastelio keitimą ir valdymą. Įsivaizduokite tai kaip operacinę sistemą jūsų duomenų centrui ar debesijos aplinkai. Ji abstrahuoja pagrindinę infrastruktūrą, leisdama programuotojams sutelkti dėmesį į programų kūrimą ir diegimą, nesijaudinant dėl infrastruktūros valdymo sudėtingumo. Kubernetes atlieka tokias užduotis kaip paslaugų aptikimas, apkrovos balansavimas, laipsniškas diegimas ir savigydos funkcijos, todėl lengviau kurti ir valdyti sudėtingas, paskirstytas programas. Ji naudojama visame pasaulyje, nuo startuolių Silicio slėnyje iki didelių įmonių Europoje ir Azijoje, ir yra suderinama su įvairiais debesijos paslaugų teikėjais, tokiais kaip AWS, Google Cloud ir Azure.

Kodėl programuotojams turėtų rūpėti Kubernetes?

Nors Kubernetes gali atrodyti kaip operacijų sritis, ji reikšmingai veikia programuotojus keliais būdais:

Greitesni diegimo ciklai: Automatizuokite diegimus ir atnaujinimus, sumažindami laiką nuo kodo įkėlimo iki produkcijos. Tai yra labai svarbu taikant agilias kūrimo metodikas visame pasaulyje.
Pagerintas mastelio keitimas ir atsparumas: Lengvai keiskite programų mastelį, kad atlaikytumėte padidėjusį srautą ar gedimus, užtikrindami aukštą prieinamumą ir geresnę vartotojo patirtį. Tai ypač svarbu programoms, aptarnaujančioms pasaulinę vartotojų bazę su kintančiais piko laikais.
Supaprastintas kūrimo procesas: Optimizuokite kūrimo procesą naudodami įrankius ir metodus, kurie palengvina konteinerizuotų programų kūrimą, testavimą ir diegimą.
Vienodos aplinkos: Užtikrinkite vienodas aplinkas kūrimo, testavimo ir produkcijos etapuose, sumažindami problemą „pas mane veikia“. Tai pašalina aplinkos neatitikimus, kurie gali varginti skirtingose vietose dirbančias programuotojų komandas.
Mikropaslaugų architektūra: Kubernetes idealiai tinka mikropaslaugų architektūroms, leidžiančioms programuotojams kurti ir diegti nepriklausomas, keičiamo mastelio ir lengvai prižiūrimas paslaugas. Mikropaslaugos plačiai pritaikomos kuriant sudėtingas programas įvairiose pramonės šakose, nuo elektroninės prekybos iki finansų.

Pagrindinės Kubernetes koncepcijos

Norint dirbti su Kubernetes, būtina suprasti šias pagrindines koncepcijas:

Pod'ai

Pod'as yra mažiausias diegiamas vienetas Kubernetes sistemoje. Jis atspindi vieną veikiantį procesą ir gali turėti vieną ar daugiau konteinerių, kurie dalijasi ištekliais, tokiais kaip tinklas ir saugykla. Pavyzdžiui, Pod'e gali būti konteineris su jūsų programos kodu ir kitas konteineris su registravimo agentu.

Deployment'ai

Deployment'as valdo norimą jūsų programos būseną. Jis užtikrina, kad visada veiktų nurodytas Pod'ų replikų skaičius. Jei Pod'as sugenda, Deployment'as jį automatiškai pakeičia. Deployment'ai taip pat palengvina laipsniškus atnaujinimus, leidžiančius atnaujinti programą be prastovų. Deployment'ai yra šiuolaikinių diegimo strategijų visame pasaulyje pagrindas.

Paslaugos (Services)

Paslauga (Service) suteikia stabilų IP adresą ir DNS vardą, skirtą prieigai prie Pod'ų. Ji veikia kaip apkrovos balansavimo priemonė, paskirstydama srautą tarp kelių Pod'ų. Paslaugos leidžia aptikti kitas paslaugas ir užtikrina, kad programos galėtų bendrauti tarpusavyje, net kai Pod'ai yra kuriami ir naikinami. Paslaugos yra tarsi adresų knygelės jūsų programos architektūroje.

Vardų sritys (Namespaces)

Vardų sritys (Namespaces) suteikia būdą logiškai izoliuoti išteklius Kubernetes klasteryje. Galite naudoti vardų sritis skirtingoms aplinkoms (pvz., kūrimo, testavimo, produkcijos) ar komandoms atskirti. Tai padeda pagerinti organizaciją ir saugumą klasteryje. Įsivaizduokite vardų sritis kaip virtualius klasterius didesniame fiziniame klasteryje.

ConfigMap'ai ir Secret'ai

ConfigMap'ai saugo konfigūracijos duomenis raktų ir reikšmių poromis, leisdami iškelti konfigūraciją iš programos kodo. Secret'ai saugiai saugo jautrią informaciją, pvz., slaptažodžius ir API raktus. Tai yra labai svarbu norint išlaikyti programų saugumą ir perkeliamumą tarp skirtingų aplinkų bei laikytis geriausių praktikų įvairiose teisinėse sistemose visame pasaulyje.

Kubernetes kūrimo procesas

Štai tipiškas Kubernetes kūrimo procesas:

Kodo rašymas: Kurkite savo programos kodą naudodami pageidaujamą programavimo kalbą ir karkasus.
Konteinerizavimas: Supakuokite savo programą ir jos priklausomybes į Docker konteinerį.
Kubernetes išteklių apibrėžimas: Sukurkite YAML failus, kurie apibrėžia Kubernetes išteklius, reikalingus jūsų programai diegti (pvz., Deployment'us, Paslaugas, ConfigMap'us).
Diegimas į Kubernetes: Naudokite `kubectl` komandinės eilutės įrankį, kad įdiegtumėte savo programą į Kubernetes klasterį.
Testavimas ir derinimas: Testuokite savo programą Kubernetes aplinkoje ir naudokite registravimo bei stebėjimo įrankius problemoms nustatyti ir išspręsti.
Iteravimas: Atlikite pakeitimus kode ar konfigūracijoje, perkurkite konteinerio atvaizdą ir iš naujo įdiekite į Kubernetes.

Praktiniai pavyzdžiai

Panagrinėkime keletą praktinių pavyzdžių, kaip programuotojai gali naudoti Kubernetes:

1 pavyzdys: Paprastos interneto programos diegimas

Tarkime, turite paprastą interneto programą, parašytą Python kalba naudojant Flask karkasą. Norėdami ją įdiegti į Kubernetes, jūs turėtumėte:

Sukurti Dockerfile, kad supakuotumėte savo programą į konteinerio atvaizdą.
Sukurti Deployment YAML failą, kad apibrėžtumėte norimą savo programos būseną.
Sukurti Service YAML failą, kad atvertumėte savo programą išoriniam pasauliui.
Naudoti `kubectl apply -f deployment.yaml` ir `kubectl apply -f service.yaml` savo programai įdiegti.

2 pavyzdys: Konfigūracijos valdymas su ConfigMap'ais

Tarkime, jūsų programai reikia nuskaityti konfigūracijos failą. Galite naudoti ConfigMap'ą konfigūracijos duomenims saugoti ir prijungti jį kaip tomą (volume) savo Pod'e. Tai leidžia atnaujinti konfigūraciją neperkuriant konteinerio atvaizdo. Tai naudinga norint prisitaikyti prie skirtingų regioninių nustatymų ar vartotojų preferencijų nekeičiant kodo. Pavyzdžiui, ConfigMap'as galėtų saugoti konkrečios lokalės nustatymus interneto programai, aptarnaujančiai vartotojus skirtingose šalyse.

3 pavyzdys: Laipsniškų atnaujinimų įgyvendinimas

Kai reikia atnaujinti programą, galite naudoti Deployment'ą laipsniškam atnaujinimui atlikti. Kubernetes palaipsniui pakeis senus Pod'us naujais, užtikrindamas, kad jūsų programa išliktų prieinama viso atnaujinimo proceso metu. Tai sumažina trikdžius ir garantuoja sklandžią vartotojo patirtį visame pasaulyje.

Įrankiai ir technologijos Kubernetes kūrimui

Įvairūs įrankiai ir technologijos gali padėti programuotojams efektyviau dirbti su Kubernetes:

kubectl: Kubernetes komandinės eilutės įrankis, skirtas sąveikai su klasteriu.
Minikube: Įrankis, leidžiantis paleisti vieno mazgo Kubernetes klasterį lokaliai kūrimui ir testavimui.
Kind (Kubernetes in Docker): Kitas įrankis, skirtas paleisti vietinius Kubernetes klasterius naudojant Docker.
Helm: Kubernetes paketų tvarkyklė, palengvinanti sudėtingų programų diegimą ir valdymą.
Skaffold: Įrankis, optimizuojantis Kubernetes programų kūrimo procesą.
Telepresence: Leidžia kurti ir derinti mikropaslaugas lokaliai, prisijungus prie nuotolinio Kubernetes klasterio.
Kubernetes IDE įskiepiai: Populiarių IDE, tokių kaip VS Code ir IntelliJ IDEA, įskiepiai suteikia funkcijų, tokių kaip sintaksės paryškinimas, kodo užbaigimas ir derinimo palaikymas Kubernetes YAML failams.

Geriausios Kubernetes kūrimo praktikos

Laikykitės šių geriausių praktikų, kad užtikrintumėte sėkmingą Kubernetes kūrimą:

Naudokite konteinerių atvaizdus: Visada pakuokite savo programas į konteinerių atvaizdus, kad užtikrintumėte nuoseklumą ir perkeliamumą.
Apibrėžkite išteklių užklausas ir limitus: Nurodykite išteklių užklausas ir limitus savo Pod'ams, kad užtikrintumėte, jog jie turi pakankamai išteklių, ir išvengtumėte išteklių konflikto.
Naudokite būsenos patikras: Įdiekite būsenos patikras (liveness ir readiness probes), kad Kubernetes galėtų automatiškai perkrauti neveikiančius Pod'us.
Iškelkite konfigūraciją: Naudokite ConfigMap'us ir Secret'us konfigūracijos duomenims ir jautriai informacijai iškelti iš savo programos kodo.
Įdiekite registravimą ir stebėseną: Nustatykite registravimą ir stebėseną, kad galėtumėte sekti savo programų našumą ir būseną. Populiarūs įrankiai yra Prometheus ir Grafana.
Laikykitės saugumo geriausių praktikų: Apsaugokite savo Kubernetes klasterį įdiegdami tinkamą autentifikavimą, autorizavimą ir tinklo taisykles. Apsvarstykite galimybę naudoti tokius įrankius kaip Falco, skirtus vykdymo laiko saugumo stebėjimui.
Automatizuokite diegimus: Naudokite CI/CD konvejerius, kad automatizuotumėte diegimo procesą ir užtikrintumėte, kad pakeitimai būtų diegiami nuosekliai ir patikimai. Populiarūs CI/CD įrankiai yra Jenkins, GitLab CI ir CircleCI.
Versijuokite savo YAML failus: Laikykite savo Kubernetes YAML failus versijų kontrolės sistemoje, kad galėtumėte sekti pakeitimus ir bendradarbiauti su kitais programuotojais.

Dažniausi Kubernetes iššūkiai ir sprendimai

Nors Kubernetes siūlo daug privalumų, jis taip pat kelia tam tikrų iššūkių. Štai keletas dažniausių iššūkių ir jų sprendimų:

Sudėtingumas: Kubernetes gali būti sudėtinga išmokti ir valdyti. Sprendimas: Pradėkite nuo pagrindų, naudokite valdomas Kubernetes paslaugas (pvz., AWS EKS, Google Kubernetes Engine, Azure Kubernetes Service) ir pasitelkite įrankius bei karkasus, kurie supaprastina Kubernetes kūrimą.
Derinimas: Programų derinimas Kubernetes aplinkoje gali būti sudėtingas. Sprendimas: Naudokite registravimo ir stebėsenos įrankius, pasitelkite derinimo įrankius, tokius kaip Telepresence, ir supraskite, kaip naudoti `kubectl` Pod'ų ir paslaugų tikrinimui.
Saugumas: Kubernetes klasterio apsauga reikalauja kruopštaus planavimo ir įgyvendinimo. Sprendimas: Laikykitės saugumo geriausių praktikų, naudokite tinklo taisykles paslaugoms izoliuoti ir įdiekite tinkamus autentifikavimo bei autorizavimo mechanizmus.
Išteklių valdymas: Efektyvus išteklių valdymas Kubernetes aplinkoje gali būti sudėtingas. Sprendimas: Apibrėžkite išteklių užklausas ir limitus savo Pod'ams, naudokite horizontalųjį pod'ų automatinį mastelio keitimą (horizontal pod autoscaling), kad dinamiškai keistumėte programų mastelį pagal srautą, ir stebėkite išteklių naudojimą, kad nustatytumėte galimas kliūtis.

Kubernetes skirtingose pramonės šakose

Kubernetes yra pritaikomas įvairiose pramonės šakose:

Elektroninė prekyba: Internetinių parduotuvių mastelio keitimas, siekiant atlaikyti piko srautus per išpardavimus, užtikrinti aukštą prieinamumą ir greitai diegti naujas funkcijas. Pavyzdžiui, įmonės, kurioms reikia keisti mastelį, kad atitiktų „Juodojo penktadienio“ ar „Vienišių dienos“ poreikius.
Finansai: Saugių ir keičiamo mastelio finansinių programų kūrimas ir diegimas, operacijų apdorojimas ir rizikos valdymas. Tai apima aukšto dažnio prekybos platformas, reikalaujančias mažo delsos laiko.
Sveikatos apsauga: Pacientų duomenų valdymas, medicininių simuliacijų vykdymas ir telemedicinos programų kūrimas. Sudėtingumo prideda atitiktis tokiems reglamentams kaip HIPAA.
Žiniasklaida ir pramogos: Vaizdo ir garso turinio transliavimas, personalizuotų patirčių teikimas ir didelių medijos bibliotekų valdymas.
Gamyba: Gamybos procesų optimizavimas, tiekimo grandinių valdymas ir nuspėjamosios techninės priežiūros įgyvendinimas.

Kubernetes ateitis programuotojams

Kubernetes ekosistema nuolat vystosi, nuolat atsiranda naujų įrankių ir technologijų. Keletas pagrindinių tendencijų, kurias verta stebėti:

Beserveris Kubernetes: Technologijos, tokios kaip Knative ir OpenFaaS, palengvina beserverių programų kūrimą ir diegimą Kubernetes platformoje.
Paslaugų tinklas (Service Mesh): Paslaugų tinklai, tokie kaip Istio ir Linkerd, suteikia pažangias srauto valdymo, saugumo ir stebimumo funkcijas mikropaslaugų programoms.
Periferinė kompiuterija (Edge Computing): Kubernetes naudojamas programoms diegti tinklo periferijoje, arčiau vartotojų ir įrenginių.
DI/MA darbo krūviai: Kubernetes tampa populiaria platforma DI/MA darbo krūviams vykdyti, suteikdama mastelį ir išteklius, reikalingus mašininio mokymosi modeliams apmokyti ir diegti.

Išvada

Kubernetes yra galingas įrankis, galintis žymiai pagerinti programų kūrimą ir diegimą. Suprasdami pagrindines koncepcijas, laikydamiesi geriausių praktikų ir naudodamiesi turimais įrankiais bei technologijomis, programuotojai gali išnaudoti visą Kubernetes potencialą ir kurti keičiamo mastelio, atsparias ir lengvai prižiūrimas programas pasaulinei auditorijai. Kubernetes pritaikymas suteikia programuotojams galimybę sutelkti dėmesį į inovacijas ir efektyviau teikti vertę savo vartotojams. Nesibaiminkite jo sudėtingumo – pradėkite nuo mažų dalykų, eksperimentuokite ir palaipsniui įtraukite Kubernetes į savo kūrimo procesą.