Was ist ein Kubernetes Cluster?

Kubernetes hat die Art und Weise revolutioniert, wie Unternehmen containerisierte Anwendungen verwalten, indem es ein robustes System zur Automatisierung von Bereitstellung, Skalierung und Betrieb bietet. Das Herzstück von Kubernetes ist das Konzept eines Clusters, das für eine effiziente Container-Orchestrierung unerlässlich ist. Das Verständnis von Kubernetes Clustern ist für jedes Unternehmen von entscheidender Bedeutung, das das volle Potenzial von Containertechnologien ausschöpfen möchte .

In diesem Artikel erfahren Sie, was ein Kubernetes Cluster ist, welche Komponenten er umfasst, wie man ihn einrichtet und welche Best Practices für die Verwaltung gelten.

Was ist ein Kubernetes Cluster?

Ein Kubernetes Cluster ist eine Gruppe von Maschinen (Knoten), die zusammenarbeiten, um containerisierte Anwendungen auszuführen und zu verwalten . Der Hauptzweck eines Kubernetes Clusters besteht darin, die Bereitstellung, Skalierung und Verwaltung von containerisierten Anwendungen zu automatisieren. Dies bringt für Benutzer mehrere wichtige Vorteile mit sich, beispielsweise:

• Verbesserte Skalierbarkeit : Kubernetes Cluster bieten elastische Skalierbarkeit. Sie können Ihre Anwendungen ganz einfach nach oben oder unten skalieren, indem Sie nach Bedarf Knoten hinzufügen oder entfernen. Sie können beispielsweise während Spitzenverkehrszeiten weitere Knoten hinzufügen, um die erhöhte Last zu bewältigen. Umgekehrt können Sie Ihren Cluster während Zeiten mit geringer Nachfrage herunterskalieren, um Ressourcen zu sparen.
• Verbesserte Fehlertoleranz : Kubernetes Cluster sind auf hohe Verfügbarkeit ausgelegt. Dies wird durch Replikation erreicht, bei der kritische Anwendungen auf mehreren Pods über verschiedene Knoten hinweg ausgeführt werden. Wenn ein Knoten ausfällt, startet Kubernetes die ausgefallenen Container automatisch neu und plant sie auf fehlerfreien Knoten neu. Dadurch wird sichergestellt, dass Ihre Anwendung auch bei einem Knotenausfall verfügbar und betriebsbereit bleibt.
• Vereinfachte Verwaltung : Kubernetes Cluster optimieren die Verwaltung von Containeranwendungen. Anstatt Konfigurationen auf jedem einzelnen Knoten manuell zu verwalten, verwendet Kubernetes deklarative Konfigurationsdateien, die in YAML geschrieben sind. Diese Dateien geben den gewünschten Status Ihrer Anwendung an und Kubernetes sorgt dafür, dass dieser Status beibehalten wird.

Komponenten eines Kubernetes Clusters

Ein Kubernetes Cluster besteht aus zwei Hauptkomponenten: der Kontrollebene und den Worker-Knoten. Jede dieser Komponenten spielt eine bestimmte Rolle bei der Verwaltung des Clusters und der Ausführung von Containeranwendungen.

Kontrollebene

Die Kontrollebene fungiert als Gehirn des Kubernetes Clusters und ist für die Entscheidungsfindung und die Ausgabe von Befehlen an Worker-Knoten verantwortlich. Sie besteht aus mehreren Schlüsselkomponenten, darunter:

• API-Server : Der API-Server ist der zentrale Kommunikationsknotenpunkt für den Cluster. Er stellt die Kubernetes-API bereit, die als Einstiegspunkt für alle Verwaltungsaufgaben und Interaktionen mit dem Cluster dient. Benutzer und Tools wie kubectl interagieren über den API-Server mit dem Cluster, um Befehle zu übermitteln, Bereitstellungen zu verwalten und auf Clusterinformationen zuzugreifen.
• etcd : etcd ist ein hochverfügbarer verteilter Schlüssel-Wert-Speicher, der als einzige Quelle der Wahrheit für den Clusterstatus fungiert. Er speichert wichtige Informationen zur Clusterkonfiguration, einschließlich Pod-Definitionen, Servicedetails und gewünschter Bereitstellungsstatus. Diese Daten werden auf mehrere etcd-Knoten repliziert, um Konsistenz und Fehlertoleranz sicherzustellen.
• Scheduler : Der Scheduler ist für die Zuweisung von Workloads (Pods) zu Worker-Knoten im Cluster verantwortlich. Bei Planungsentscheidungen berücksichtigt er Faktoren wie Ressourcenverfügbarkeit, Knotenkapazität und Anti-Affinitätsregeln für Pods. Der Scheduler kann beispielsweise Pods auf verschiedene Knoten verteilen, um die Ressourcennutzung zu verbessern, oder Pods mit hohem Ressourcenbedarf auf Knoten mit ausreichender Kapazität priorisieren.
• Controller-Manager : Der Controller-Manager ist die zentrale Stelle zur Verwaltung aller Controller im Cluster. Controller sind dafür verantwortlich, den Zustand des Clusters kontinuierlich zu überwachen und Korrekturmaßnahmen zu ergreifen, um sicherzustellen, dass der tatsächliche Zustand des Clusters dem in der Konfiguration definierten gewünschten Zustand entspricht. Der Controller-Manager verwaltet mehrere Kerncontroller, von denen jeder einen bestimmten Zweck erfüllt.

Arbeitsknoten

Worker-Knoten sind die Arbeitspferde des Clusters. Auf diesen Maschinen laufen tatsächlich Container-Anwendungen. Jeder Worker-Knoten verfügt über mehrere Komponenten, die für die Verwaltung und Ausführung von Containern zuständig sind :

• Kubelet : Das Kubelet ist ein Agent, der auf jedem Worker-Knoten ausgeführt wird. Es fungiert als Vertreter der Steuerebene auf dem Knoten und ist für den Lebenszyklus der dem Knoten zugewiesenen Pods verantwortlich. Kubelet stellt sicher, dass Container innerhalb eines Pods heruntergeladen, konfiguriert und gemäß der Pod-Spezifikation ausgeführt werden. Es überwacht außerdem den Zustand von Containern, startet ausgefallene Container neu und ruft die Geheimnisse ab, die die Container zum sicheren Ausführen benötigen.
• Kube-Proxy : Kube-Proxy ist ein Netzwerkproxy, der auf jedem Worker-Knoten ausgeführt wird. Er implementiert die für den Cluster definierten Netzwerkrichtlinien und stellt sicher, dass Pods untereinander und mit externen Diensten kommunizieren können. Kube-Proxy verwaltet Netzwerkroutingregeln und übersetzt Dienstnamen in Pod-IP-Adressen, sodass Pods Dienste innerhalb des Clusters erkennen und mit ihnen kommunizieren können.

Durch die Zusammenarbeit dieser Komponenten innerhalb der Steuerebene und der Arbeitsknoten kann Kubernetes containerisierte Anwendungen in großem Maßstab effektiv verwalten und orchestrieren.

Einrichten eines Kubernetes Clusters

Sie können einen Kubernetes Cluster hauptsächlich auf zwei Arten einrichten: mithilfe eines verwalteten Kubernetes-Dienstes oder durch manuelle Bereitstellung.

Verwaltete Kubernetes-Dienste

Cloud-Anbieter wie Google Cloud Platform (GCP) mit Google Kubernetes Engine (GKE), Amazon Web Services (AWS) mit Elastic Kubernetes Service (EKS) und Microsoft Azure mit Azure Kubernetes Service (AKS) bieten verwaltete Kubernetes-Dienste an. Diese Dienste kümmern sich um die Komplexität der Bereitstellung, Konfiguration und Verwaltung der Kubernetes Cluster-Infrastruktur. Sie definieren einfach Ihre gewünschte Cluster-Konfiguration und der Dienst übernimmt die Schwerstarbeit, sodass Sie sich auf die Bereitstellung Ihrer containerisierten Anwendungen konzentrieren können.

Manuelle Bereitstellung

Für mehr Kontrolle und Anpassung können Sie einen Kubernetes Cluster manuell mit einem Tool wie kubeadm bereitstellen. Kubeadm ist ein Toolkit zum Bootstrapping eines Kubernetes Clusters. Bei dieser Methode wird kubeadm auf einem bestimmten Masterknoten und der Kubelet-Agent auf allen Worker-Knoten im Cluster installiert. 

Manuelles Einrichten eines Kubernetes Clusters

Voraussetzungen

• Infrastruktur: Stellen Sie sicher, dass Sie über eine ausreichende Infrastruktur, beispielsweise virtuelle Maschinen oder Cloud-Instanzen, verfügen.
• Container-Laufzeit: Installieren Sie auf allen Knoten eine Container-Laufzeit wie Containerd oder Docker .

Schritt 1: Installieren Sie kubeadm, kubelet und kubectl

Verwenden Sie auf allen Maschinen (Master- und Worker-Knoten) den Paketmanager Ihrer Distribution, um die erforderlichen Kubeadm-Tools zu installieren:

Hinweis: Auf einigen Systemen sind nach der Installation möglicherweise zusätzliche Konfigurationen erforderlich. Einzelheiten zu Ihrem ausgewählten Betriebssystem finden Sie in der offiziellen Kubernetes-Dokumentation .

Schritt 2: Initialisieren Sie die Steuerebene (Masterknoten).

Wählen Sie einen Ihrer Rechner als Masterknoten aus. Führen Sie den folgenden Befehl auf dem Masterknoten aus, um die Steuerebene zu initialisieren. Dieser Prozess generiert Konfigurationsdateien und stellt einen Join-Befehl für Workerknoten bereit:

$ sudo kubeadm init –pod-network-cidr=10.244.0.0/16

• kubeadm init: Dieser Befehl initialisiert die Steuerebene auf dem Masterknoten.
• –pod-network-cidr=10.244.0.0/16: Diese Option gibt den CIDR-Bereich für das Pod-Netzwerk an. Sie können diesen Wert basierend auf Ihren Netzwerkkonfigurationsanforderungen anpassen.

Nach dem Ausführen des Initialisierungsbefehls gibt kubeadm eine Ausgabe mit einem Join-Befehl für Worker-Knoten aus. Notieren Sie sich diesen Befehl, da Sie ihn in Schritt 5 benötigen.

Schritt 3: kubectl konfigurieren

Kopieren Sie auf dem Masterknoten die generierte Administratorkonfigurationsdatei in Ihr lokales Kubectl-Konfigurationsverzeichnis. Dadurch können Sie den Cluster mithilfe von Kubectl-Befehlen verwalten. Dies erreichen Sie mit dem folgenden Befehl:

$ mkdir -p $HOME/.kube$ sudo cp -i /etc/kubernetes/admin.conf $HOME/.kube/config$ sudo chown $(id -u):$(id -g) $HOME/.kube/config

Schritt 4: Ein Pod-Netzwerk bereitstellen

Ein Pod-Netzwerk-Plugin ermöglicht die Kommunikation zwischen Pods innerhalb des Clusters. Flannel ist eine beliebte Pod-Netzwerkoption. Sie können Flannel mit dem folgenden Befehl auf dem Masterknoten bereitstellen:

$ kubectl apply -f https://raw.githubusercontent.com/coreos/flannel/master/Documentation/kube-flannel.yml

Schritt 5: Worker-Knoten zum Cluster hinzufügen

Führen Sie auf jedem Worker-Knoten den Join-Befehl aus, der von kubeadm während des Initialisierungsschritts auf dem Master-Knoten bereitgestellt wird (Schritt 2). Dieser Befehl registriert den Worker-Knoten bei der Steuerebene und bereitet ihn für die Ausführung von Container-Workloads vor. Der Join-Befehl sieht normalerweise folgendermaßen aus:

$ sudo kubeadm join :6443 –token –discovery-token-ca-cert-hash sha256:

• <master_ip_address>: Ersetzen Sie dies durch die IP-Adresse Ihres Masterknotens.
• <Token>: Ersetzen Sie dies durch das Token, das während des Initialisierungsprozesses auf dem Masterknoten generiert wurde.
• <Hash>: Ersetzen Sie dies durch den Hash des Discovery-Token-CA-Zertifikats, der von der Ausgabe des Befehls „kubeadm init“ bereitgestellt wird.

Schritt 6: Überprüfen der Clusterintegrität

Sobald alle Worker-Knoten dem Cluster beigetreten sind, überprüfen Sie die Integrität Ihres Clusters mit kubectl-Befehlen:

$ kubectl get pods -n kube-system

Verwalten eines Kubernetes Clusters

Die effektive Verwaltung eines Kubernetes Clusters ist entscheidend für die Aufrechterhaltung von Leistung und Zuverlässigkeit. Dazu gehört das Skalieren, Upgraden und Aktualisieren der Knoten im Cluster.

Skalieren des Clusters

Kubernetes bietet horizontale Skalierung, sodass Sie die Anzahl der Worker-Knoten problemlos an Ihre Arbeitslastanforderungen anpassen können.

1. Knoten hinzufügen (Hochskalieren) :
   1. Bereiten Sie den neuen Knoten vor : Stellen Sie sicher, dass der neue Knoten die empfohlenen Systemanforderungen für Ihre gewünschte Kubernetes-Version erfüllt. Installieren Sie die erforderliche Software, einschließlich einer Container-Runtime wie Docker oder Containerd und des Kubelet-Agenten. Detaillierte Installationsschritte basierend auf Ihrem Betriebssystem finden Sie in der offiziellen Kubernetes-Dokumentation.
   2. Fügen Sie den Knoten dem Cluster hinzu : Verwenden Sie den Befehl kubeadm join auf dem neuen Knoten, um dem vorhandenen Cluster beizutreten. Sie benötigen die folgenden Informationen aus Ihrer anfänglichen Clustereinrichtung:
      • IP-Adresse des Masterknotens : Die IP-Adresse Ihres Masterknotens.
      • Join-Token : Dieses Token wurde während der Initialisierung der Steuerebene generiert und in der Ausgabe bereitgestellt.

Hier ist ein Beispiel für einen Kubeadm-Joinbefehl:

$ sudo kubeadm join <Master-IP-Adresse>:6443 –token <Token> –discovery-token-ca-cert-hash sha256:<Hash>

• Ersetzen Sie <master_ip_address> durch die tatsächliche IP-Adresse Ihres Masterknotens.
• Ersetzen Sie <token> durch das Token, das während der Initialisierung der Steuerebene generiert wurde.
• Ersetzen Sie <hash> durch den Hash des CA-Zertifikats des Discovery-Tokens aus der Initialisierungsausgabe der Steuerebene.

Knoten entfernen (Herunterskalieren) :
Bevor Sie einen Knoten entfernen, müssen Sie ihn unbedingt zuerst entleeren. Durch das Entleeren wird sichergestellt, dass es für Ihre Anwendungen zu keinen Ausfallzeiten kommt, indem Pods ordnungsgemäß vom Knoten entfernt und auf fehlerfreien Knoten eingeplant werden quality assurance.

Knoten leeren : Verwenden Sie den Befehl kubectl drain, um den Knoten zu leeren, den Sie entfernen möchten. Dieser Befehl entfernt Pods vom Knoten, während DaemonSets (kritische Systemdienste) weiterhin ausgeführt werden können.

$ kubectl drain <node-name> –ignore-daemonsets

Ersetzen Sie <Knotenname> durch den Hostnamen oder die IP-Adresse des Knotens, den Sie entfernen möchten.

Knoten löschen : Sobald der Knoten geleert ist, können Sie ihn mit dem Befehl „kubectl delete node“ sicher aus dem Cluster entfernen.

$ kubectl delete node <node-name>

Ersetzen Sie <Knotenname> durch den Hostnamen oder die IP-Adresse des Knotens, den Sie entfernen möchten.

Sie können auch andere Verwaltungsvorgänge ausführen, z. B. das Upgrade der Steuerebene, das Upgrade des Arbeitsknotens und laufende Upgrades.

Aufrechterhaltung der Spitzenleistung: Überwachung, Protokollierung und Speicherung

Effektive Überwachung und Protokollierung sind entscheidend, um Ihren Kubernetes Cluster gesund zu halten. Tools wie Prometheus und der ELK Stack bieten tiefe Einblicke in die Ressourcennutzung, den Pod-Zustand und die Gesamtleistung, sodass Sie Probleme proaktiv identifizieren und beheben können, bevor sie sich auf Anwendungen auswirken. Kubernetes lässt sich für mehr Flexibilität auch in verschiedene Lösungen von Drittanbietern integrieren.

Effizientes Datenmanagement ist der Schlüssel für zustandsbehaftete Anwendungen. Portworx® von Pure Storage bietet eine leistungsstarke, containernative Lösung, die sich nahtlos in Ihren Kubernetes Cluster integrieren lässt.

Portworx optimiert die Speicherung für Ihre Workloads durch:

• Bereitstellung persistenter Volumes: Stellt sicher, dass die Daten auch dann erhalten bleiben, wenn Pods neu gestartet oder neu geplant werden.
• Bietet Datenschutz und Notfallwiederherstellung: Bietet Snapshots und Replikation und minimiert Ausfallzeiten während Vorfällen.
• Vereinfachte Verwaltung: Bietet eine benutzerfreundliche Schnittstelle für die Bereitstellung, Überwachung und Verwaltung von Speicherressourcen.

Fazit

Kubernetes Cluster sind für die moderne Container-Orchestrierung von grundlegender Bedeutung und bieten verbesserte Skalierbarkeit, Fehlertoleranz und vereinfachtes Anwendungsmanagement. Um ihr volles Potenzial auszuschöpfen, ist es entscheidend, die Komponenten, den Einrichtungsprozess und die Verwaltungspraktiken von Kubernetes Clustern zu verstehen. Portworx von Pure Storage lässt sich nahtlos in Kubernetes integrieren und bietet robuste Speicherfunktionen, die die Gesamteffizienz und Zuverlässigkeit von Container-Workloads verbessern.