Was ist Kubernetes?

Kubernetes (oft abgekürzt als K8s) ist eine Open-Source-Plattform, die entwickelt wurde, um die Bereitstellung, Skalierung und Verwaltung von containerisierten Anwendungen zu automatisieren. Container bieten eine isolierte Umgebung für Anwendungen und ihre Abhängigkeiten, wodurch sie auf verschiedenen Systemen konsistent betrieben werden können. Kubernetes erweitert dieses Konzept und ermöglicht es, große Mengen von Containern in einer hochverfügbaren und skalierbaren Umgebung zu orchestrieren.

Die Geschichte von Kubernetes

Kubernetes wurde ursprünglich von Google entwickelt, basierend auf den Erfahrungen mit ihrer eigenen Container-Orchestrierungsplattform namens Borg. Nach mehr als einem Jahrzehnt interner Nutzung und kontinuierlicher Verbesserung beschloss Google, die Kerntechnologien als Open Source unter dem Namen Kubernetes freizugeben. Seit seiner Einführung im Jahr 2014 hat sich Kubernetes rasch zu einer der einflussreichsten Technologien in der Welt der IT-Infrastruktur entwickelt und wird heute von der Cloud Native Computing Foundation (CNCF) betreut.

Warum Kubernetes?

Bevor wir uns in die technischen Details vertiefen, ist es wichtig zu verstehen, warum Kubernetes so bedeutend ist. Container-Technologien wie Docker haben es ermöglicht, Anwendungen und deren Abhängigkeiten in leichtgewichtige, portable Einheiten zu verpacken. Dies löste viele Probleme, die bei herkömmlichen Anwendungsbereitstellungen auftraten, wie z.B. Inkompatibilitäten zwischen Entwicklungs- und Produktionsumgebungen.

Allerdings entsteht mit der zunehmenden Anzahl von Containern auch eine Herausforderung: Wie kann man hunderte oder tausende von Containern effizient verwalten? Kubernetes bietet die Lösung. Es automatisiert viele der komplexen Aufgaben, die mit der Verwaltung großer Container-Umgebungen verbunden sind, und sorgt dafür, dass Anwendungen stets verfügbar, skalierbar und widerstandsfähig gegen Ausfälle sind.

Kernkomponenten von Kubernetes

Die Architektur von Kubernetes ist modular aufgebaut und besteht aus mehreren Schlüsselkomponenten, die zusammenarbeiten, um eine robuste und skalierbare Plattform zu schaffen.

1. Cluster

Ein Kubernetes-Cluster ist die grundlegende Einheit der Kubernetes-Infrastruktur. Er besteht aus einer Gruppe von physischen oder virtuellen Maschinen, den sogenannten Nodes, die gemeinsam als eine Einheit fungieren. Innerhalb dieses Clusters laufen die containerisierten Anwendungen, die Kubernetes verwaltet. Ein Cluster besteht aus zwei Hauptkomponenten: den Control Plane Komponenten (Master) und den Worker Nodes.

2. Control Plane (Master) Komponenten

Die Control Plane ist das Gehirn von Kubernetes. Sie verwaltet den Zustand des Clusters, nimmt Entscheidungen über den Cluster-Zustand und orchestriert die Anwendungen. Zu den wichtigsten Control Plane Komponenten gehören:

• API-Server: Der API-Server ist das zentrale Verwaltungselement von Kubernetes. Er nimmt Anfragen von Benutzern, automatisierten Systemen und anderen Kubernetes-Komponenten entgegen und verarbeitet sie. Der API-Server ist das Gateway zu Kubernetes und bietet eine REST-API, über die alle Verwaltungsaufgaben ausgeführt werden.
• Etcd: Etcd ist ein verteiltes Key-Value-Store-System, das als primärer Datenspeicher von Kubernetes fungiert. Es speichert alle Cluster-Daten, einschließlich der Konfigurationen und des aktuellen Zustands der Cluster-Komponenten. Etcd ist für die Konsistenz und Wiederherstellbarkeit des Clusters entscheidend.
• Controller-Manager: Der Controller-Manager ist eine Sammlung von Controllern, die den Zustand des Clusters überwachen und sicherstellen, dass der aktuelle Zustand dem gewünschten Zustand entspricht. Wenn beispielsweise ein Pod ausfällt, sorgt der Controller-Manager dafür, dass ein neuer Pod erstellt wird.
• Scheduler: Der Scheduler ist für die Verteilung von Pods auf die verschiedenen Nodes im Cluster verantwortlich. Er berücksichtigt dabei die verfügbaren Ressourcen (CPU, Speicher) und andere Einschränkungen, um sicherzustellen, dass die Workloads effizient und ausgewogen verteilt werden.

3. Worker Nodes

Worker Nodes sind die Maschinen, auf denen die containerisierten Anwendungen tatsächlich ausgeführt werden. Jeder Worker Node enthält folgende wesentliche Komponenten:

• kubelet: Der kubelet ist der primäre Agent auf jedem Worker Node. Er empfängt Anweisungen vom API-Server und sorgt dafür, dass die Containerspezifikationen wie vorgesehen ausgeführt werden. Der kubelet überwacht kontinuierlich den Zustand der Container und kommuniziert deren Status an die Control Plane.
• kube-proxy: Der kube-proxy ist ein Netzwerk-Proxy, der für die Netzwerkkonnektivität und das Routing von Netzwerkverkehr innerhalb und außerhalb des Kubernetes-Clusters verantwortlich ist. Er stellt sicher, dass die Kommunikation zwischen den Containern innerhalb eines Pods sowie zwischen Pods und externen Clients reibungslos funktioniert.
• Container Runtime: Die Container Runtime ist die Software, die tatsächlich die Container ausführt. Kubernetes unterstützt mehrere Container-Runtimes, wobei Docker und containerd die am häufigsten verwendeten sind.

4. Pods

Ein Pod ist die kleinste und einfachste Einheit in der Kubernetes-Architektur. Ein Pod enthält einen oder mehrere Container, die gemeinsam ausgeführt werden und sich Netzwerkressourcen sowie Speicher teilen. Pods sind in der Regel kurzlebig und werden nach Bedarf erstellt und zerstört. Wenn ein Pod nicht mehr funktionsfähig ist, wird ein neuer Pod erstellt, um seine Rolle zu übernehmen. Pods sind für die horizontale Skalierung von Anwendungen entscheidend, da sie einfach repliziert werden können, um die Last zu verteilen.

5. Replication Controller und ReplicaSets

Ein Replication Controller oder ein ReplicaSet stellt sicher, dass eine bestimmte Anzahl von Pod-Replikaten zu jedem Zeitpunkt ausgeführt wird. Wenn ein Pod ausfällt, erstellt der Replication Controller automatisch einen neuen Pod, um die gewünschte Anzahl aufrechtzuerhalten. Dies gewährleistet die Verfügbarkeit und Stabilität der Anwendungen, selbst wenn einzelne Pods ausfallen.

6. Services

Services sind langlebige Objekte, die eine stabile Netzwerkschnittstelle für eine Gruppe von Pods bieten. Sie ermöglichen die Kommunikation zwischen verschiedenen Pods und sorgen dafür, dass der Netzwerkverkehr gleichmäßig über die verschiedenen Pods verteilt wird. Ein Service kann auch als Load Balancer fungieren, der eingehende Anfragen an die verfügbaren Pods weiterleitet. Dies ist besonders wichtig, wenn Pods dynamisch erstellt und zerstört werden, da der Service sicherstellt, dass der Verkehr immer an aktive Pods weitergeleitet wird.

7. Namespaces

Namespaces bieten eine logische Trennung von Kubernetes-Ressourcen innerhalb eines Clusters. Dies ermöglicht es, verschiedene Umgebungen wie Entwicklung, Test und Produktion innerhalb desselben Clusters zu verwalten, ohne dass Konflikte zwischen den Ressourcen auftreten. Namespaces sind besonders nützlich in großen Clustern, in denen mehrere Teams arbeiten und Ressourcen effizient verwaltet werden müssen.

8. Ingress

Ingress ist eine Kubernetes-Ressource, die HTTP- und HTTPS-Routen für externe Verbindungen zu den internen Services eines Clusters definiert. Ingress ermöglicht die zentrale Verwaltung des eingehenden Verkehrs und bietet Funktionen wie SSL/TLS-Termination und Load-Balancing. Ein Ingress-Controller überwacht und steuert den Ingress-Traffic, um sicherzustellen, dass die Anfragen korrekt an die entsprechenden Services weitergeleitet werden.

Kubernetes-Architektur im Detail

Die Architektur von Kubernetes ist hochgradig modular und flexibel, was sie besonders anpassungsfähig und robust macht. Im Folgenden werden die verschiedenen Schichten und ihre Interaktionen genauer erläutert:

Control Plane: Das Gehirn von Kubernetes

Die Control Plane ist das zentrale Nervensystem von Kubernetes. Sie koordiniert und steuert den gesamten Cluster, indem sie den gewünschten Zustand (Desired State) der Anwendungen verwaltet und sicherstellt, dass der tatsächliche Zustand dem gewünschten Zustand entspricht. Die Control Plane besteht aus dem API-Server, etcd, dem Controller-Manager und dem Scheduler.

• API-Server: Der API-Server fungiert als Schnittstelle zwischen den Benutzern und dem Cluster. Jede Änderung, die an Kubernetes vorgenommen wird, erfolgt über den API-Server, sei es das Erstellen eines neuen Pods, das Aktualisieren eines Deployments oder das Löschen eines Services. Der API-Server authentifiziert Anfragen, führt Berechtigungsprüfungen durch und validiert die Daten, bevor sie im Cluster angewendet werden.
• etcd: etcd ist ein verteiltes, konsistentes Key-Value-Store, das als zentrale Datenbank für Kubernetes dient. Es speichert den gesamten Zustand des Clusters, einschließlich der Konfigurationen, Secrets und Statusinformationen. Etcd ist so konzipiert, dass es extrem zuverlässig und hochverfügbar ist, was entscheidend ist, da der Verlust dieser Daten katastrophale Auswirkungen auf den Cluster haben könnte.
• Controller-Manager: Der Controller-Manager überwacht kontinuierlich den Zustand des Clusters und führt Korrekturmaßnahmen durch, wenn der aktuelle Zustand vom gewünschten Zustand abweicht. Beispielsweise sorgt der Node-Controller dafür, dass Pods auf neuen Nodes neu gestartet werden, wenn ein Node ausfällt, während der Replication Controller sicherstellt, dass immer die gewünschte Anzahl von Pods ausgeführt wird.
• Scheduler: Der Scheduler ist dafür verantwortlich, neue Pods auf die geeigneten Nodes im Cluster zu platzieren. Er berücksichtigt dabei verschiedene Faktoren wie verfügbare Ressourcen (CPU, RAM), Affinitäten, Toleranzen und andere benutzerdefinierte Einschränkungen. Der Scheduler ist ein wesentlicher Bestandteil der Optimierung der Ressourcennutzung und der Gewährleistung der Lastverteilung im Cluster.

Worker Nodes: Die Arbeitsmaschinen

Worker Nodes führen die eigentlichen containerisierten Anwendungen aus. Jeder Worker Node hat eine eigene Instanz von kubelet, kube-proxy und der Container Runtime, die gemeinsam sicherstellen, dass die Anwendungen wie beabsichtigt laufen.

• kubelet: Das kubelet ist der primäre Agent auf jedem Node, der mit dem API-Server kommuniziert und die Anweisungen ausführt, die es vom Scheduler und den Controllern erhält. Es stellt sicher, dass die Container, die in Pods definiert sind, korrekt ausgeführt werden. Das kubelet überwacht auch kontinuierlich die Gesundheit der Container und meldet Probleme zurück an die Control Plane.
• kube-proxy: Der kube-proxy fungiert als Netzwerkschicht zwischen den Pods und stellt sicher, dass der Netzwerkverkehr korrekt zu den richtigen Endpunkten geleitet wird. Es verwaltet auch Netzwerkregeln und implementiert Load-Balancing, um sicherzustellen, dass der Verkehr effizient auf die Pods verteilt wird.
• Container Runtime: Die Container Runtime ist die Komponente, die die Container ausführt. Kubernetes unterstützt verschiedene Runtimes, wobei Docker und containerd am weitesten verbreitet sind. Die Runtime sorgt dafür, dass die Container ausgeführt, gestoppt und verwaltet werden, wie es vom kubelet vorgegeben wird.

Kubernetes in der Praxis: Anwendungsbereiche

Kubernetes hat sich als äußerst vielseitig erwiesen und findet in einer Vielzahl von Szenarien Anwendung, die über herkömmliche Anwendungsbereitstellungen hinausgehen.

1. Cloud-native Anwendungen

Cloud-native Anwendungen sind so konzipiert, dass sie in dynamischen, verteilten Umgebungen betrieben werden können, wie sie in der Cloud üblich sind. Kubernetes eignet sich hervorragend für die Bereitstellung und Verwaltung solcher Anwendungen, da es die Skalierbarkeit, Verfügbarkeit und Portabilität bietet, die für Cloud-native Architekturen erforderlich sind. Kubernetes ermöglicht es Unternehmen, ihre Anwendungen schnell zu skalieren und neue Funktionen ohne Downtime bereitzustellen.

2. Microservices-Architekturen

Die zunehmende Verbreitung von Microservices-Architekturen, bei denen Anwendungen in kleinere, unabhängige Dienste aufgeteilt werden, hat Kubernetes zur bevorzugten Orchestrierungsplattform gemacht. Kubernetes ermöglicht es, diese Microservices effizient zu verwalten, zu skalieren und zu überwachen. Durch den Einsatz von Kubernetes können Unternehmen ihre Anwendungen modularisieren und die Abhängigkeiten zwischen verschiedenen Services reduzieren, was die Wartbarkeit und Weiterentwicklung erheblich erleichtert.

3. DevOps und CI/CD

Kubernetes ist ein zentraler Bestandteil moderner DevOps-Praktiken. Es integriert sich nahtlos in Continuous Integration/Continuous Deployment (CI/CD) Pipelines und ermöglicht die Automatisierung der Anwendungsbereitstellung und -aktualisierung. Entwickler können ihre Anwendungen in Containern verpacken und diese in einem Kubernetes-Cluster bereitstellen, wo sie automatisch skaliert, überwacht und verwaltet werden. Kubernetes erleichtert auch das Rollback auf frühere Versionen, falls eine neue Bereitstellung Probleme verursacht.

4. Hybrid- und Multi-Cloud-Strategien

Viele Unternehmen setzen heute auf Hybrid- oder Multi-Cloud-Strategien, um ihre Abhängigkeit von einem einzigen Cloud-Anbieter zu reduzieren und ihre Flexibilität zu erhöhen. Kubernetes unterstützt diese Strategien, indem es ermöglicht, Anwendungen nahtlos über verschiedene Cloud-Umgebungen hinweg zu verwalten. Kubernetes abstrahiert die zugrunde liegende Infrastruktur, sodass Entwickler sich auf die Entwicklung und Bereitstellung von Anwendungen konzentrieren können, ohne sich um die Unterschiede zwischen den Cloud-Plattformen kümmern zu müssen.

5. Big Data und Machine Learning

Kubernetes wird zunehmend auch im Bereich von Big Data und Machine Learning (ML) eingesetzt. Es bietet die Flexibilität und Skalierbarkeit, die erforderlich ist, um große Datenmengen zu verarbeiten und komplexe ML-Modelle zu trainieren. Tools wie Kubeflow, die auf Kubernetes aufbauen, ermöglichen es, ML-Pipelines zu orchestrieren und die Bereitstellung von Modellen zu automatisieren. Dies erleichtert es Unternehmen, ihre ML-Workflows zu standardisieren und in einer skalierbaren und wiederholbaren Weise durchzuführen.

Vorteile von Kubernetes

Die Einführung von Kubernetes bringt eine Vielzahl von Vorteilen mit sich, die es zu einer bevorzugten Wahl für Unternehmen machen, die ihre IT-Infrastruktur modernisieren möchten.

1. Automatisierung

Kubernetes automatisiert viele Aspekte des Anwendungsmanagements, einschließlich der Bereitstellung, Skalierung und Selbstheilung. Dies reduziert den manuellen Aufwand und die Fehleranfälligkeit erheblich. Kubernetes übernimmt die Aufgaben, die früher manuell erledigt werden mussten, wie das Überwachen von Pods, das Neustarten von fehlgeschlagenen Containern und das automatische Skalieren von Anwendungen basierend auf der Last.

2. Skalierbarkeit

Kubernetes ist für hoch skalierbare Anwendungen konzipiert und kann Hunderte oder Tausende von Containern verwalten. Es ermöglicht die horizontale Skalierung von Anwendungen durch das Hinzufügen oder Entfernen von Pods je nach Bedarf. Diese Skalierbarkeit ist besonders wichtig für Unternehmen, die auf Lastspitzen reagieren müssen, ohne ihre Infrastruktur manuell anpassen zu müssen.

3. Hohe Verfügbarkeit

Kubernetes sorgt dafür, dass Anwendungen hoch verfügbar sind, indem es automatisch Pods neu startet, die ausgefallen sind, und Lasten gleichmäßig verteilt. Selbst wenn ein gesamter Node ausfällt, stellt Kubernetes sicher, dass die betroffenen Pods auf anderen verfügbaren Nodes neu gestartet werden. Dies gewährleistet eine kontinuierliche Verfügbarkeit der Anwendungen, selbst bei Hardware- oder Netzwerkproblemen.

4. Portabilität

Dank seiner Unterstützung für verschiedene Container-Runtimes und Cloud-Anbieter ermöglicht Kubernetes die Portabilität von Anwendungen. Das bedeutet, dass Anwendungen in verschiedenen Umgebungen – ob lokal, in der Cloud oder in hybriden Setups – ohne Änderungen betrieben werden können. Diese Portabilität bietet Unternehmen die Flexibilität, ihre Workloads je nach Bedarf zu verschieben, ohne an eine bestimmte Infrastruktur gebunden zu sein.

5. Effiziente Ressourcennutzung

Kubernetes überwacht kontinuierlich die Ressourcennutzung und stellt sicher, dass die Anwendungen nur die Ressourcen verbrauchen, die sie benötigen. Dies optimiert die Ressourcennutzung und senkt die Kosten, da ungenutzte Ressourcen freigegeben und effizient genutzt werden können. Kubernetes hilft dabei, die gesamte IT-Infrastruktur optimal zu nutzen, indem es sicherstellt, dass keine Ressourcen verschwendet werden.

Kubernetes in der Zukunft

Mit der zunehmenden Verbreitung von Cloud-native Technologien wird die Bedeutung von Kubernetes weiter zunehmen. Es wird erwartet, dass Kubernetes sich weiterentwickelt und neue Funktionen hinzufügt, die das Management von Containern noch einfacher und effizienter machen. Einige der zukünftigen Entwicklungen, die voraussichtlich eine Rolle spielen werden, umfassen:

• Serverless Computing: Kubernetes wird zunehmend in Serverless-Architekturen integriert, die es Entwicklern ermöglichen, Anwendungen ohne die Verwaltung der zugrunde liegenden Infrastruktur bereitzustellen. Projekte wie Knative bauen auf Kubernetes auf, um Serverless-Workloads zu unterstützen und die Entwicklung und Bereitstellung von Anwendungen weiter zu vereinfachen.
• Edge Computing: Mit dem Wachstum des Internet of Things (IoT) und der Notwendigkeit, Daten näher an der Quelle zu verarbeiten, wird Kubernetes eine wichtige Rolle im Edge Computing spielen. Kubernetes kann so angepasst werden, dass es auf Edge-Geräten läuft und die Verwaltung und Orchestrierung von Workloads an verteilten Standorten ermöglicht.
• Multi-Cluster-Management: Unternehmen, die mehrere Kubernetes-Cluster betreiben, benötigen Tools, um diese effizient zu verwalten. Kubernetes wird voraussichtlich weiter in diese Richtung wachsen, mit verbesserten Multi-Cluster-Management-Funktionen, die es ermöglichen, mehrere Cluster zentral zu verwalten und Workloads zwischen ihnen nahtlos zu verschieben.
• Verbesserte Sicherheitsfunktionen: Mit der zunehmenden Verbreitung von Kubernetes in Unternehmen wächst auch der Bedarf an erweiterten Sicherheitsfunktionen. Kubernetes wird voraussichtlich weitere Sicherheitsverbesserungen einführen, wie z.B. bessere Isolation von Containern, erweiterte Netzwerkpolicies und verbesserte Authentifizierungs- und Autorisierungsmechanismen.

Fazit

Kubernetes hat sich als eine unverzichtbare Technologie in der modernen IT-Welt etabliert. Es ist eine leistungsfähige Plattform, die es Unternehmen ermöglicht, ihre Anwendungen in einer zunehmend komplexen und verteilten Umgebung zu verwalten. Durch die Automatisierung vieler Aspekte des Anwendungsmanagements, die Skalierbarkeit und die hohe Verfügbarkeit hilft Kubernetes Unternehmen, ihre IT-Ressourcen effizient zu nutzen und die Anwendungsentwicklung zu beschleunigen.

Für Unternehmen, die zukunftssicher bleiben möchten, ist die Einführung von Kubernetes ein entscheidender Schritt. Es bietet nicht nur eine robuste Lösung für das Management von containerisierten Anwendungen, sondern eröffnet auch neue Möglichkeiten, um die Herausforderungen der heutigen IT-Infrastruktur zu meistern. Ob in der Cloud, On-Premises oder am Edge – Kubernetes wird weiterhin eine zentrale Rolle in der IT-Landschaft spielen und den Weg für die nächste Generation von Anwendungen ebnen.