K8s: основы, архитектура и компоненты

Что такое Kubernetes, из чего он состоит и как его установить

1. Что такое Kubernetes простыми словами

Представьте большой порт, где сотни контейнеров с грузами нужно раскладывать по кораблям, следить, чтобы ни один груз не потерялся, а если корабль сломался, перенести груз на другой. Kubernetes (его часто называют K8s, «кубер») — это такой диспетчер для контейнеров. Вы говорите ему: «Мне нужны три копии моего приложения», — а он сам решает, на каких серверах их запустить, следит за ними и поднимает заново, если что-то упало.

Название пришло из греческого языка и означает «штурман» или «рулевой». Логотип — штурвал со спицами, поэтому его иногда называют «рулевым» для контейнеров.

2. Зачем он нужен: проблема без него

Пока приложение живёт на одном сервере, всё просто. Когда появляется десять микросервисов, каждый в трёх копиях, и они разбросаны по двадцати серверам, возникают вопросы:

• Где сейчас запущен каждый контейнер и что делать, если сервер выключился ночью?
• Как обновить приложение без простоя?
• Как сервисы находят друг друга, если их адреса постоянно меняются?
• Как распределить нагрузку, если пиковый трафик вырос в пять раз?

Kubernetes отвечает на все эти вопросы: он берёт на себя размещение, масштабирование, обновления и восстановление. Администратор описывает желаемое состояние, а система постоянно к нему приводит.

3. Базовые понятия

4. Архитектура: из чего состоит кластер

Кластер Kubernetes делится на две большие части. Первая — control plane, «мозг», который принимает решения. Вторая — рабочие узлы (worker nodes), на которых реально крутятся ваши приложения.

5. Компоненты control plane

Control plane состоит из нескольких программ. Обычно они запускаются на одном или нескольких выделенных серверах.

• kube-apiserver — единственная «дверь» в кластер. Через него общаются все: вы через kubectl, узлы и другие компоненты. Он проверяет запросы и сохраняет состояние.
• etcd — распределённое хранилище «ключ-значение», где лежит всё состояние кластера: какие объекты созданы, что на что настроено. Потеря etcd без резервной копии — самая серьёзная авария.
• kube-scheduler — выбирает, на каком узле запустить новый под. Учитывает свободные ресурсы, правила размещения и ограничения.
• kube-controller-manager — набор контроллеров. Каждый следит за своим типом объектов: например, контроллер ReplicaSet поддерживает нужное число копий, а контроллер узлов реагирует, если узел пропал.
• cloud-controller-manager — связывает кластер с облаком (AWS, Azure, GCP): создаёт балансировщики и диски. Нужен только в облачных кластерах.

6. Компоненты рабочего узла

• kubelet — главный агент на каждом узле. Получает от control plane список подов, которые должны работать здесь, и запускает их через container runtime. Также отчитывается о состоянии.
• kube-proxy — настраивает сетевые правила на узле, чтобы трафик к сервису Kubernetes попадал на нужные поды.
• Container runtime — программа, которая реально запускает контейнеры. Сегодня чаще всего это containerd. Docker напрямую в Kubernetes с версии 1.24 не используется, но образы Docker работают как прежде.

7. Вспомогательные части: DNS, сеть, метрики

• CoreDNS — DNS внутри кластера. Позволяет обращаться к сервисам по имени, например my-service.my-namespace, а не по IP.
• Сетевые плагины (CNI) — отвечают за сеть между подами на разных узлах. Популярные: Calico, Flannel, Cilium.
• Metrics Server — собирает базовые метрики CPU и памяти, без них работают автоскейлеры и команда kubectl top.

8. Что происходит, когда вы пишете kubectl apply

Представьте, что вы отправили манифест с описанием Deployment из трёх копий. Что произойдёт дальше:

1. kubectl отправляет манифест в API server.
2. API server проверяет права и корректность и записывает объект в etcd.
3. Контроллер Deployment видит новый объект и создаёт ReplicaSet, а тот — три пода.
4. Scheduler выбирает для каждого пода подходящий узел.
5. kubelet на выбранном узле получает задание и запускает контейнеры через runtime.
6. kube-proxy и CoreDNS обновляют правила сети, чтобы сервис начал принимать трафик.

9. Основные объекты Kubernetes

10. Способы установки: обзор

Способов установить Kubernetes много. Они различаются по сложности, назначению и по тому, кто отвечает за обслуживание. Ниже — основные варианты.

11. kubeadm: установка «по-взрослому» вручную

kubeadm — официальный инструмент Kubernetes для создания кластера. Он не делает всё за вас в одну кнопку, зато показывает каждый шаг, поэтому его часто выбирают, чтобы понять устройство.

Общие шаги на каждом сервере и на управляющем узле:

1. Подготовить серверы: отключить swap, настроить время (NTP), открыть нужные порты.
2. Установить container runtime (containerd) и настроить его для kubelet.
3. Установить kubeadm, kubelet и kubectl нужной версии.
4. На управляющем узле выполнить инициализацию кластера.
5. Установить сетевой плагин (CNI), например Calico или Flannel.
6. На рабочих узлах присоединиться командой kubeadm join, которую выдаёт инициализация.

# На управляющем узле
sudo kubeadm init --pod-network-cidr=10.244.0.0/16

# Настроить kubectl для обычного пользователя
mkdir -p $HOME/.kube
sudo cp /etc/kubernetes/admin.conf $HOME/.kube/config
sudo chown $(id -u):$(id -g) $HOME/.kube/config

# Проверить, что узлы видны
kubectl get nodes

12. Kubespray: установка через Ansible

Kubespray — набор ролей и плейбуков Ansible, который ставит production-готовый кластер на ваши серверы. Если вы уже знаете Ansible, порог входа низкий: вы описываете инвентарь серверов и запускаете плейбук.

• Подходит для своих серверов и виртуальных машин, в том числе в закрытом контуре;
• Поддерживает разные варианты сети и контейнерных рантаймов;
• Установка занимает время, зато её можно повторять и воспроизводить.

# Общий порядок (сокращённо)
git clone https://github.com/kubernetes-sigs/kubespray.git
cd kubespray
pip install -r requirements.txt
cp -rfp inventory/sample inventory/mycluster
# Заполнить inventory/mycluster/inventory.ini адресами серверов
ansible-playbook -i inventory/mycluster/inventory.ini cluster.yml -b

13. Лёгкие варианты для обучения и тестов

• Minikube — поднимает кластер в виртуальной машине или контейнере на вашем ноутбуке. Команда minikube start, и через минуту кластер готов.
• kind (Kubernetes in Docker) — каждый «узел» кластера это контейнер Docker. Очень быстро поднимается и удобен в CI.
• k3s — упрощённый дистрибутив от Rancher: один бинарный файл, меньше памяти, подходит для слабых серверов и edge-устройств.

minikube start
kubectl get nodes

kind create cluster --name test

14. Управляемые сервисы в облаке

В облаке control plane обычно обслуживает сам провайдер: обновляет, делает резервные копии, следит за доступностью. Вы управляете только рабочими узлами и приложениями. Примеры: Amazon EKS, Google GKE, Azure AKS, Яндекс Managed Service for Kubernetes. Это самый простой путь для production, если нет причин держать кластер у себя.

15. Как выбрать способ установки

• Хотите учиться: Minikube или kind, затем kubeadm, чтобы понять, что происходит внутри.
• Свой дата-центр, нужна автоматизация: Kubespray.
• Мало ресурсов или edge: k3s.
• Нужен production без лишних забот: управляемый сервис в облаке.
• Нужна корпоративная поддержка и интерфейс: OpenShift или Rancher.

16. Полезные ссылки

• Компоненты Kubernetes — официальная документация (на русском)
• Статья о контроллере StatefulSet (блог по Kubernetes)
• Установка через kubeadm — официальная документация (на русском)
• Kubespray — документация проекта
• Minikube — официальный сайт
• kind — официальный сайт
• k3s — официальный сайт
• Русскоязычные статьи о Kubernetes удобно искать на Habr по запросам «kubeadm», «kubespray», «устройство kubernetes»: там много разборов с практикой.

↑ Наверх