Kubernetes یک پلتفرم متن‌باز برای مدیریت و ارکستراسیون کانتینرهاست که به سازمان‌ها کمک می‌کند برنامه‌های خود را به‌صورت خودکار، مقیاس‌پذیر و پایدار اجرا کنند. این فناوری که ابتدا توسط گوگل توسعه یافت، امروزه به یکی از اصلی‌ترین ابزارها در دنیای رایانش ابری و DevOps تبدیل شده است. Kubernetes با ساده‌سازی فرآیند استقرار و مدیریت اپلیکیشن‌ها، نقش مهمی در تحول زیرساخت‌های نرم‌افزاری ایفا می‌کند.

Kubernetes چیست؟

Kubernetes که اغلب به صورت مخفف “K8s” نوشته می‌شود، یک پلتفرم متن‌باز برای مدیریت، زمان‌بندی و ارکستراسیون کانتینرها است. این فناوری به تیم‌های توسعه و عملیات (DevOps) اجازه می‌دهد تا برنامه‌های خود را در محیط‌های مختلف از جمله سرورهای محلی، فضای ابری یا زیرساخت‌های ترکیبی (Hybrid Cloud) به‌صورت پایدار و قابل اطمینان اجرا کنند. Kubernetes به‌طور خودکار وظایفی مانند توزیع بار، مقیاس‌پذیری، خودترمیمی و بروزرسانی بدون توقف را انجام می‌دهد و به همین دلیل، مدیریت اپلیکیشن‌ها در محیط‌های پیچیده را بسیار ساده‌تر کرده است.

این پلتفرم در سال ۲۰۱۴ توسط گوگل معرفی و سپس به بنیاد CNCF (Cloud Native Computing Foundation) سپرده شد تا به‌صورت جامعه‌محور توسعه یابد. Kubernetes بر پایه تجربیات گوگل در اجرای میلیاردها کانتینر در زیرساخت‌های خود ساخته شده و به‌نوعی استاندارد صنعتی برای اجرای برنامه‌های کانتینری محسوب می‌شود. با استفاده از Kubernetes کسب‌وکارها می‌توانند برنامه‌های خود را با سرعت بیشتر و پایداری بالاتر در محیط‌های متنوع اجرا کنند، بدون اینکه نگران جزئیات پیچیده‌ی زیرساخت باشند.

تاریخچه‌ای کوتاه از Kubernetes

Kubernetes در ابتدا توسط شرکت گوگل طراحی و توسعه داده شد. گوگل سال‌ها تجربه‌ی اجرای میلیاردها کانتینر در زیرساخت‌های خود را داشت و این دانش را در قالب پروژه‌ای متن‌باز به نام Kubernetes در سال ۲۰۱۴ منتشر کرد. این پلتفرم از تجربیات داخلی گوگل در پروژه‌ی Borg که یک سیستم داخلی مدیریت کانتینر بود، الهام گرفته شده است. Kubernetes به‌سرعت توجه جامعه‌ی متن‌باز و شرکت‌های فعال در حوزه‌ی فناوری را به خود جلب کرد.

پس از معرفی اولیه گوگل توسعه‌ی Kubernetes را به بنیاد Cloud Native Computing Foundation (CNCF) واگذار کرد تا این پروژه به‌صورت مستقل و جامعه‌محور ادامه یابد. با پشتیبانی فعال شرکت‌هایی مانند Red Hat، Microsoft، IBM، VMware و Amazon، Kubernetes رشد سریعی را تجربه کرد و به استانداردی صنعتی برای ارکستراسیون کانتینرها تبدیل شد. امروزه Kubernetes نقشی کلیدی در معماری‌های مدرن ابری و توسعه‌ی نرم‌افزارهای مقیاس‌پذیر و قابل‌اعتماد ایفا می‌کند.

Kubernetes چگونه کار می‌کند؟

• Cluster (کلاستر)

در Kubernetes همه چیز از یک کلاستر شروع می‌شود. یک کلاستر مجموعه‌ای از سرورها (نودها) است که با هم کار می‌کنند تا اپلیکیشن‌های کانتینری‌شده را اجرا و مدیریت کنند. کلاستر شامل یک نود اصلی (Master) و چند نود کاری (Worker) است. این ساختار به Kubernetes امکان می‌دهد وظایف مختلف را توزیع و منابع سیستم را بهینه مصرف کند.

• Node (نود)

هر نود یک ماشین فیزیکی یا مجازی است که اپلیکیشن‌ها را در آن اجرا می‌کنیم. نودها می‌توانند به‌عنوان بخشی از کلاستر Kubernetes عمل کنند و شامل اجزایی مانند kubelet و kube-proxy هستند. نودها وظیفه‌ی اجرای کانتینرها را بر عهده دارند و منابعی مانند CPU، حافظه و فضای ذخیره‌سازی را برای اجرای اپ‌ها فراهم می‌کنند.

• Pod (پاد)

پاد کوچک‌ترین واحد اجرایی در Kubernetes است و معمولاً یک یا چند کانتینر را شامل می‌شود که منابع و شبکه‌ی مشترک دارند. تمام کانتینرهای داخل یک پاد به‌صورت هم‌زمان اجرا می‌شوند و با هم کار می‌کنند. Kubernetes پادها را به نودها اختصاص می‌دهد و در صورت بروز مشکل آن‌ها را مجدد راه‌اندازی یا بازتوزیع می‌کند.

• kube-apiserver

این مؤلفه رابط اصلی Kubernetes است که با استفاده از آن کاربران، ابزارها و سایر اجزا با کلاستر ارتباط برقرار می‌کنند. تمام درخواست‌ها برای ایجاد، بروزرسانی یا حذف منابع ابتدا به kube-apiserver ارسال می‌شوند. این API مرکزی باعث می‌شود Kubernetes مانند یک سیستم قابل کنترل و قابل اسکریپت‌نویسی رفتار کند.

• kubelet

kubelet روی هر نود اجرا می‌شود و وظیفه دارد دستوراتی که از طریق kube-apiserver دریافت می‌شود را روی پادهای نود پیاده‌سازی کند. این سرویس به‌طور مداوم وضعیت کانتینرها را بررسی کرده و مطمئن می‌شود همه‌چیز مطابق تعریف باقی بماند. اگر مشکلی پیش بیاید، kubelet تلاش می‌کند وضعیت را بازیابی کند.

• kube-proxy

این مؤلفه مسئول مدیریت شبکه و ارسال ترافیک به پادهای مناسب است. kube-proxy از قوانین شبکه برای اطمینان از رسیدن درخواست‌ها به مقصد استفاده می‌کند. به کمک آن، ارتباط بین پادها و دسترسی خارجی به خدمات Kubernetes به‌صورت مؤثر انجام می‌شود.

• etcd

etcd یک دیتابیس سبک و بسیار سریع است که داده‌های پیکربندی Kubernetes را ذخیره می‌کند. این داده‌ها شامل وضعیت فعلی کلاستر، اطلاعات مربوط به پادها، سرویس‌ها و سایر منابع هستند. etcd یکی از حیاتی‌ترین اجزای کلاستر است، چرا که منبع واقعی و رسمی داده‌ها محسوب می‌شود.

• Scheduler

Scheduler وظیفه دارد تصمیم بگیرد که هر پاد در کدام نود اجرا شود. این تصمیم‌گیری بر اساس منابع موجود، محدودیت‌ها و نیازهای پاد انجام می‌شود. Scheduler با هوشمندی، پادها را در سراسر نودهای کلاستر توزیع می‌کند تا بالاترین بهره‌وری و تعادل بار حاصل شود.

موارد کاربرد Kubernetes در دنیای واقعی

• استقرار و مقیاس‌پذیری اپلیکیشن‌ها:

Kubernetes به‌ویژه برای استقرار اپلیکیشن‌هایی که نیاز به مقیاس‌پذیری دارند، بسیار مفید است. با Kubernetes می‌توان به‌راحتی تعداد کانتینرهای اجراشده را بر اساس ترافیک و تقاضا افزایش یا کاهش داد.

• مدیریت میکروسرویس‌ها:

یکی از کاربردهای رایج Kubernetes مدیریت معماری‌های میکروسرویس است. هر میکروسرویس به‌طور جداگانه در یک کانتینر اجرا می‌شود و Kubernetes این امکان را فراهم می‌آورد که این سرویس‌ها به‌طور مؤثر و بدون مشکل با یکدیگر ارتباط برقرار کنند، مقیاس‌پذیری خودکار داشته باشند و به راحتی مدیریت شوند.

• پردازش داده‌های بزرگ:

در پروژه‌های پردازش داده‌های بزرگ، مانند سیستم‌های تحلیل داده یا یادگیری ماشین، Kubernetes می‌تواند منابع را به طور هوشمند بین پردازش‌های مختلف توزیع کند و مقیاس‌پذیری و مدیریت را تسهیل کند.

• استقرار در محیط‌های چندابری (Multi-cloud):

Kubernetes این امکان را فراهم می‌آورد که اپلیکیشن‌ها به‌طور یکپارچه در محیط‌های چندابری مختلف مانند AWS، Google Cloud و Microsoft Azure اجرا شوند. این ویژگی به سازمان‌ها این امکان را می‌دهد که از مزایای مختلف هر پلتفرم ابری بهره‌برداری کنند و در عین حال مشکلات ناشی از وابستگی به یک پلتفرم خاص را کاهش دهند.

• توسعه و آزمایش:

Kubernetes محیطی پایدار و تکرارپذیر برای تیم‌های توسعه و آزمایش فراهم می‌آورد. با استفاده از Kubernetes می‌توان محیط‌های مجازی مشابه محیط‌های تولیدی ایجاد کرد و اپلیکیشن‌ها را در آن‌ها آزمایش کرد. این باعث می‌شود که فرآیندهای توسعه سریع‌تر و بدون خطا انجام شوند.

مزایا و معایب Kubernetes