کوبرنتیز (Kubernetes) یک پلتفرم متن باز برای مدیریت، استقرار و مقیاس پذیری کانتینرها است. به زبان ساده، وقتی اپلیکیشن ها را در قالب کانتینر اجرا می کنیم (مثل Docker)، برای مدیریت تعداد زیاد این کانتینرها به یک سیستم خودکار نیاز داریم. Kubernetes دقیقا همین وظیفه را بر عهده دارد.
این ابزار، منابع سرورها را به صورت هوشمند بین کانتینرها تقسیم می کند، آن ها را نظارت می کند، در صورت بروز مشکل کانتینر جدید جایگزین می کند و قابلیت هایی مانند مقیاس پذیری خودکار، توازن بار و به روزرسانی بدون توقف را ارائه می دهد.
این پلتفرم در ابتدا توسط شرکت گوگل توسعه داده شد. دلیل اصلی این بود که گوگل در مقیاس بزرگ از کانتینرها استفاده می کرد و نیاز به سیستمی برای مدیریت مؤثر آن ها داشت. در سال 2015، کوبرنتیز به عنوان یک پروژه متن باز معرفی شد و پس از مدتی، مدیریت آن به بنیاد CNCF سپرده شد. همین انتقال باعث شد توسعه آن شتاب بیشتری بگیرد و شرکت های بزرگی مثل Red Hat ،Microsoft ،IBM و Amazon نیز به استفاده و توسعه آن روی بیاورند.
امروزه Kubernetes به استانداردی تبدیل شده و نقش کلیدی در پیاده سازی معماری های مدرن مانند میکروسرویس ها، DevOps و زیرساخت ابری ایفا می کند.
چرا به کوبرنتیز نیاز داریم؟
در دنیای مدرن توسعه نرم افزار، استفاده از کانتینرها به طور چشمگیری افزایش یافته است. کانتینرها این امکان را فراهم می کنند که برنامه ها را همراه با تمام وابستگی های مورد نیاز در محیطی ایزوله اجرا کنیم. اما در مقیاس بزرگ، مدیریت این کانتینرها به چالشی جدی تبدیل می شود. تصور کنید صدها یا هزاران کانتینر در حال اجرا هستند که باید به صورت دائم پایش شوند، در زمان شکست بازیابی شوند، به درستی توزیع شوند و در عین حال منابع سیستم را بهینه مصرف کنند. اینجاست که نیاز به یک سیستم هماهنگ کننده، حس می شود.
بدون استفاده از کوبرنتیز یا ابزار مشابه، چالش هایی مانند موارد زیر پیش روی تیم فنی قرار می گیرد.
راه اندازی دستی کانتینرها در چندین سرور
نبود راهکاری برای مقیاس پذیری خودکار
دشواری در مدیریت بروزرسانی بدون ایجاد وقفه
ضعف در توزیع متوازن بار ترافیکی
عدم امکان رصد دقیق سلامت سرویس ها
مزایای معماری مبتنی بر کوبرنتیز
با معماری توزیع شده و ماژولار خود، این چالش ها را به روشی کاملا خودکار و قابل اعتماد حل می کند. با استفاده از این پلتفرم، تیم ها می توانند:
مقیاس پذیری افقی را تنها با یک تنظیم ساده فعال کنند.
High Availability را برای برنامه های حیاتی تضمین کنند.
به کمک مفهوم Service Discovery، ارتباط بین سرویس ها را به صورت پویا و ایمن برقرار کنند.
از Load Balancing داخلی، بدون نیاز به تنظیمات دستی بهره ببرند.
به طور مداوم وضعیت اجرای اپلیکیشن ها را مانیتور و در صورت خرابی، خودکار جایگزین کنند.
علاوه بر این، کوبرنتیز با ابزارهایی مانند Helm، مدیریت انتشار و به روزرسانی را ساده کرده و امکان استفاده از الگوهای DevOps و CI/CD را فراهم می سازد. به همین دلیل، در زیرساخت های ابری مدرن، Kubernetes به یک بخش جدانشدنی تبدیل شده است.
Kubernetes چگونه کار می کند؟
معماری مستر و نود
Kubernetes از یک معماری توزیع شده استفاده می کند که شامل دو بخش اصلی کنترل پلین (Control Plane) یا همان مستر، و نودها (Nodes) می باشد. کنترل پلین مسئول مدیریت وضعیت کلاستر است. این بخش شامل مؤلفه هایی مانند API Server ،Scheduler ،Controller Manager و غیره می باشد. کنترل پلین تصمیم گیری می کند که چه کانتینری کجا اجرا شود، وضعیت سرویس ها را مانیتور و وظایف مدیریتی را هدایت می کند.
در سمت دیگر، نودها ماشین هایی هستند (مجازی یا فیزیکی) که کانتینرها را اجرا می کنند. هر نود شامل یک Kubelet (عامل اجرایی)، یک کانتینر ران تایم مانند containerd یا Docker و ابزارهایی برای شبکه و لاگ برداری است.
نقش Pod ،Node ،Cluster
در کوبرنتیز، کوچک ترین واحد اجرایی Pod است. هر پاد می تواند شامل یک یا چند کانتینر مرتبط باشد که منابع را به اشتراک می گذارند. پادها بر روی نودها اجرا می شوند و توسط کنترل پلین مدیریت می شوند. ترکیب چند نود و یک کنترل پلین، یک کلاستر می سازد. این کلاستر قابلیت مقیاس پذیری، بازیابی خودکار (Self-healing)، و توزیع بار را فراهم می کند. اگر یک پاد دچار خطا شود، سیستم به صورت خودکار آن را مجدداً اجرا یا جایگزین می کند.
سرویس ها (Services)، کنترلرها و Scheduler
Kubernetes مفهومی به نام سرویس ارائه می دهد تا امکان دسترسی پایدار و قابل کشف به پادها را فراهم کند. حتی اگر پادها از بین بروند و جایگزین شوند، سرویس ها همچنان یک نقطه دسترسی ثابت ارائه می دهند.
Scheduler وظیفه دارد تعیین کند که هر پاد روی کدام نود اجرا شود. این تصمیم گیری بر اساس منابع موجود، ترافیک، اولویت ها و محدودیت های از پیش تعریف شده انجام می شود.
همچنین کنترلرها (Controllers) مانند Deployment ،ReplicaSet و DaemonSet به اجرای خودکار فرآیندهای مدیریتی مثل حفظ تعداد مشخصی از پادها، بروزرسانی تدریجی و یا توزیع پادها روی نودهای مختلف کمک می کنند.
در مجموع، Kubernetes با هماهنگی دقیق میان اجزای بالا، یک بستر قدرتمند برای مدیریت خودکار و منعطف کانتینرها در مقیاس وسیع فراهم می کند.
مزایای استفاده از کوبرنتیز
مقیاس پذیری خودکار
یکی از مزایای مهم Kubernetes توانایی آن در مقیاس پذیری خودکار است. به این معنا که کوبرنتیز می تواند بر اساس میزان بار پردازشی یا ترافیک دریافتی، به طور خودکار تعداد پادها (Pods) را افزایش یا کاهش دهد. به عنوان مثال اگر یک اپلیکیشن در ساعات خاصی از روز بازدید زیادی داشته باشد، کوبرنتیز به شکل پویا منابع را افزایش می دهد تا عملکرد دچار مشکل نشود و در زمان کاهش بار، منابع را آزاد می کند تا هزینه ها کاهش یابد. این ویژگی برای اپلیکیشن های مبتنی بر میکروسرویس که رفتار بار آن ها ناپایدار است، حیاتی است.
تحمل خطا و High Availability
Kubernetes به صورت پیش فرض از تحمل خطا (Fault Tolerance) پشتیبانی می کند. اگر یکی از پادها یا نودها دچار اختلال شود، سیستم به صورت خودکار آن را جایگزین یا پادها را روی نودهای سالم دیگر بازتوزیع می کند. همچنین با پشتیبانی از قابلیت های High Availability، می توان کلاسترهایی ساخت که چند کنترل پلین دارند تا در صورت بروز مشکل در یکی از آن ها، عملکرد سیستم حفظ شود. این موضوع برای اپلیکیشن هایی که نمی توانند دچار قطعی شوند، بسیار ارزشمند است.
استقلال از زیرساخت
یکی دیگر از مزیت های کلیدی کوبرنتیز، استقلال از زیرساخت است. این پلتفرم به شما اجازه می دهد اپلیکیشن های خود را روی هر محیطی چه روی ماشین های فیزیکی در دیتاسنتر، چه در فضای ابری مانند مبناکلود، اجرا کنید. این موضوع باعث می شود که توسعه دهندگان و تیم های DevOps بتوانند از قابلیت های چند ابری (Multi-cloud) یا مهاجرت آسان بدون نیاز به بازنویسی یا تغییرات زیاد در اپلیکیشن، بهره مند شوند.
کاربردهای Kubernetes
اجرای اپلیکیشن های میکروسرویس
یکی از مهم ترین کاربردهای Kubernetes، اجرای اپلیکیشن هایی است که بر پایه معماری میکروسرویس طراحی شده اند. در این معماری، هر سرویس به صورت مستقل در یک کانتینر اجرا می شود و کوبرنتیز با امکاناتی مانند Load Balancing، مدیریت ارتباط بین پادها و مقیاس پذیری خودکار، این سرویس ها را به صورت یکپارچه مدیریت می کند. این ویژگی به توسعه دهندگان کمک می کند تا سرویس ها را بدون آن که اختلالی در کل سیستم به وجود بیاید، جداگانه به روزرسانی، مانیتور و اشکال زدایی کنند.
توسعه و استقرار پیوسته (CI/CD)
در فرآیندهای DevOps، پیاده سازی Continuous Integration و Continuous Deployment اهمیت زیادی دارد. Kubernetes به لطف API قوی و قابلیت ادغام با ابزارهایی مانند Jenkins و GitLab CI زمینه را برای اجرای خودکار فراهم می کند. این موضوع باعث افزایش سرعت توسعه، کاهش خطاهای انسانی و بهبود کیفیت نرم افزار می شود.
مدیریت چندین محیط (Dev ,Stage ,Prod)
کوبرنتیز توانایی مدیریت چندین محیط کاری مختلف را دارد. به عنوان مثال می توان محیط های توسعه (Dev)، تست (Stage) و تولید (Prod) را در یک یا چند کلاستر جداگانه مدیریت کرد. این قابلیت به تیم های نرم افزاری کمک می کند تا تغییرات را به صورت مرحله ای و کنترل شده از توسعه تا استقرار نهایی در اختیار کاربران قرار دهند.
چه کسانی باید از Kubernetes استفاده کنند؟
DevOps Engineer
مهندسان DevOps از کاربران اصلی Kubernetes هستند. آن ها با استفاده از این پلتفرم می توانند فرآیندهای اتوماسیون، مقیاس پذیری، مانیتورینگ و استقرار مداوم نرم افزار را مدیریت کنند. کوبرنتیز به این افراد اجازه می دهد تا چرخه عمر اپلیکیشن ها را به طور کامل تحت کنترل داشته باشند و از قابلیت هایی مانند self-healing و rollout خودکار بهره مند شوند.
Backend Developer
توسعه دهندگان سمت سرور که معمولا با سرویس های REST API، پایگاه های داده و پردازش های پس زمینه سروکار دارند، می توانند از کوبرنتیز برای استقرار راحت تر، مدیریت وابستگی ها و آزمایش در محیط های ایزوله استفاده کنند. این ابزار به آن ها امکان می دهد تا اپلیکیشن های خود را بدون دغدغه محیط اجرا، توسعه و مقیاس دهی کنند.
نتیجه گیری
Kubernetes به عنوان یک پلتفرم قدرتمند مدیریت کانتینرها، راه حل مناسبی برای سازمان هایی است که به دنبال مقیاس پذیری، اتوماسیون و افزایش دسترس پذیری در زیرساخت های خود هستند. این فناوری با معماری انعطاف پذیر و قابلیت های گسترده، فرآیند استقرار و مدیریت اپلیکیشن ها را ساده می کند. یادگیری و به کارگیری کوبرنتیز برای تیم های توسعه و عملیات، به ویژه در دنیای ابری امروز، یک نیاز ضروری به حساب می آید که موجب بهبود کارایی و کاهش هزینه ها می شود.
