معرفی کوبرنتیز
کوبرنتیز (Kubernetes) یک پلتفرم متن‌باز و قدرتمند برای مدیریت و استقرار برنامه‌های کاربردی مبتنی بر کانتینر است که به طور گسترده‌ای در صنعت فناوری اطلاعات مورد استفاده قرار می‌گیرد. این پلتفرم، با ارائه ابزاری جامع برای خودکارسازی، مقیاس‌پذیری و مدیریت چرخه عمر برنامه‌های کانتینری، به توسعه‌دهندگان و مهندسان نرم‌افزار اجازه می‌دهد با اطمینان و کارایی بیشتری برنامه‌های خود را در محیط‌های ابری و چند کلاستری اجرا کنند. کوبرنتیز با استفاده از مفاهیمی مانند پادها، سرویس‌ها، وابستگی‌ها و مجموعه‌ها امکان مدیریت و سازماندهی پیچیده‌ترین برنامه‌های کاربردی را فراهم می‌کند و همچنین با ارائه ویژگی‌هایی مانند کشف خودکار سرویس‌ها و تعادل بار، اطمینان از پایداری و دسترس‌پذیری برنامه‌ها را تضمین می‌کند. به‌عبارت دیگر، کوبرنتیز یک اکوسیستم کامل و یکپارچه برای مدیریت و استقرار برنامه‌های کانتینری است که به سازمان‌ها کمک می‌کند به سرعت و به شکل مقیاس‌پذیر برنامه‌های خود را توسعه داده و به بازار عرضه کنند.
کوبرنتیز با ارائه یک لایه انتزاعی از زیرساخت سخت‌افزاری، امکان استقرار برنامه‌ها را در محیط‌های مختلفی مانند دیتاسنترهای محلی، ابرهای عمومی و ترکیبی فراهم می‌کند. همچنین، کوبرنتیز با پشتیبانی از انواع مختلف کانتینرها و ابزارهای مدیریت کانتینر، انعطاف‌پذیری بالایی را برای توسعه‌دهندگان فراهم می‌کند. با استفاده از کوبرنتیز، سازمان‌ها می‌توانند به طور مؤثری از منابع محاسباتی خود استفاده کنند و هزینه‌های عملیاتی خود را کاهش دهند.
مفاهیم کوبرنتیز چیست؟
کوبرنتیز (Kubernetes) یا به اختصار k8s، یک سیستم متن‌باز برای مدیریت و استقرار برنامه‌های کاربردی مبتنی بر کانتینر است. این سیستم اجازه می‌دهد برنامه‌های خود را به صورت مقیاس‌پذیر، قابل اطمینان و خودکار اجرا کنید. برای درک بهتر کوبرنتیز، لازم است با برخی مفاهیم کلیدی آن آشنا شوید:
کلاستر (Cluster): یک کلاستر کوبرنتیز شامل مجموعه‌ای از ماشین‌های مجازی یا فیزیکی است که به عنوان گره (Node) شناخته می‌شوند. این گره‌ها برای اجرای برنامه‌های کانتینری مورد استفاده قرار می‌گیرند.
گره (Node): هر گره در کلاستر دارای یک نمونه از سرویس کوبرنتیز به‌نام Kubelet است که مسئول اجرای کانتینرها و ارتباط با Master است.
Master: مغز متفکر کلاستر است که وظیفه کنترل و مدیریت کل کلاستر را بر عهده دارد. Master شامل چند مولفه مثل API Server، Scheduler و Controller Manager است.
پاد (Pod): کوچک‌ترین واحد قابل برنامه‌ریزی در کوبرنتیز است. هر پاد شامل یک یا چند کانتینر است که به صورت یک گروه واحد مدیریت می‌شوند.
استقرار (Deployment): یک شی declarative در کوبرنتیز است که تعداد کپی‌های مورد نظر از یک پاد را مشخص می‌کند و تضمین می‌کند که همیشه این تعداد پاد در حال اجرا است.
خدمات (Service): یک زیرساخت ارتباطی یا به عبارت دقیق‌تر، شبکه مجازی است که به پادها اجازه می‌دهد با هم ارتباط برقرار کنند.
فضای نام (Namespace): یک مکانیزم برای جداسازی منابع در یک کلاستر است. هر Namespace، فضای نام جداگانه‌ای برای اشیا کوبرنتیز فراهم می‌کند.
برچسب (Label): برچسب‌ها به اشیاء کوبرنتیز اضافه می‌شوند تا بتوان آن‌ها را بر اساس ویژگی‌های خاص انتخاب کرد.
انتخاب‌گر (Selector): یک عبارت برای انتخاب اشیا بر اساس برچسب‌های آن‌ها است.
StatefulSet: برای مدیریت برنامه‌هایی که به داده‌های پایدار نیاز دارند، مانند پایگاه‌های داده، استفاده می‌شود.
DaemonSet: برای اجرای یک پاد بر روی هر گره در کلاستر استفاده می‌شود.
کوبرنتیز در چه زمینه‌هایی کاربرد دارد؟
کوبرنتیز به عنوان یک پلتفرم قدرتمند و متن‌باز برای مدیریت و استقرار برنامه‌های کانتینری، طیف گسترده‌ای از کاربردها را در دنیای فناوری اطلاعات در اختیار متخصصان قرار می‌دهد. از استارتاپ‌های کوچک تا شرکت‌های بزرگ، کوبرنتیز به عنوان یک ابزار ضروری برای توسعه و مدیریت زیرساخت‌های نرم‌افزاری در اختیار آن‌ها قرار دارد. با استفاده از کوبرنتیز، سازمان‌ها می‌توانند برنامه‌های خود را به صورت مقیاس‌پذیر با قابلیت اطمینان و حداکثر بهره‌وری اجرا کنند. برخی از کاربردهای مهم کوبرنتیز به شرح زیر هستند:
میکروسرویس‌ها: کوبرنتیز محیطی ایده‌آل برای استقرار و مدیریت معماری‌های میکروسرویس است. با تقسیم برنامه‌ها به سرویس‌های کوچک و مستقل، می‌توان به راحتی آن‌ها را مقیاس‌پذیر کرده و به صورت جداگانه توسعه و استقرار داد. همچنین، به عنوان یک پلتفرم ابری، امکان استقرار برنامه‌ها را در محیط‌های ابری مختلف مانند AWS، Azure و GCP فراهم می‌کند. این ویژگی به سازمان‌ها اجازه می‌دهد از مزایای انعطاف‌پذیری، مقیاس‌پذیری و هزینه‌های پایین ابر بهره‌مند شوند.
دوآپس (DevOps): کوبرنتیز با ارائه ابزارها و قابلیت‌های خودکارسازی، فرآیندهای دوآپس را تسهیل می‌کند. توسعه‌دهندگان و مهندسان عملیات می‌توانند با استفاده از کوبرنتیز، چرخه عمر توسعه نرم‌افزار را تسریع کرده و کیفیت محصولات را بهبود بخشند.
یادگیری ماشین: کوبرنتیز محیطی مناسب برای آموزش و استقرار مدل‌های یادگیری ماشین ارائه می‌دهد. با استفاده از کوبرنتیز می‌توان منابع محاسباتی را به صورت دینامیک به مدل‌های یادگیری ماشین اختصاص داد و به آن‌ها اجازه داد تا به صورت موازی اجرا شوند.
بازی‌ها: کوبرنتیز می‌تواند برای مدیریت سرورهای بازی‌های آنلاین استفاده شود. با استفاده از کوبرنتیز می‌توان به راحتی سرورهای بازی را مقیاس‌پذیر کرده و در صورت نیاز منابع جدیدی را به آن‌ها اختصاص داد.
اینترنت اشیا (IoT): کوبرنتیز می‌تواند برای مدیریت دستگاه‌های اینترنت اشیا و پردازش داده‌های تولید شده توسط آن‌ها استفاده شود. با استفاده از کوبرنتیز می‌توان به صورت مرکزی داده‌های اینترنت اشیا را جمع‌آوری، پردازش و تحلیل کرد.
کوبرنتیز چه ویژگی‌های شاخصی دارد؟
همان‌گونه که اشاره کردیم، کوبرنتیز، پلتفرمی قدرتمند و متن‌باز برای مدیریت و استقرار برنامه‌های کاربردی مبتنی بر کانتینر است که با ارائه مجموعه‌ای از ویژگی‌های منحصر به فرد، به یک استاندارد صنعتی تبدیل شده است. این پلتفرم با خودکارسازی بسیاری از فرایندهای پیچیده، به توسعه‌دهندگان و مهندسان نرم‌افزار اجازه می‌دهد با اطمینان و کارایی بیشتری برنامه‌های خود را در محیط‌های ابری و چند کلاستر اجرا کنند. از جمله ویژگی‌های کلیدی کوبرنتیز می‌توان به مقیاس‌پذیری خودکار، قابلیت اطمینان بالا، انعطاف‌پذیری، مدیریت خودکار، شبکه‌بندی سرویس‌ها، ConfigMaps و Secrets، ابزارهای غنی و جامعه بزرگی از متخصصان اشاره کرد. مقیاس‌پذیری خودکار به کوبرنتیز اجازه می‌دهد به صورت پویا منابع را تخصیص داده و تعداد کپی‌های یک برنامه را بر اساس تقاضا افزایش یا کاهش دهد. قابلیت اطمینان بالا با نظارت مداوم بر وضعیت کانتینرها و جایگزینی خودکار کانتینرهای خراب، تضمین می‌کند که برنامه‌های شما همیشه در دسترس هستند. انعطاف‌پذیری کوبرنتیز اجازه می‌دهد برنامه‌های خود را در محیط‌های مختلف اجرا کنید. با استفاده از کوبرنتیز، توسعه‌دهندگان می‌توانند به جای نگرانی در مورد زیرساخت، بر روی توسعه ویژگی‌های اصلی برنامه تمرکز کنند. همچنین، کوبرنتیز با ارائه ابزارها و افزونه‌های متنوع، کمک می‌کند کارهای خود را به صورت خودکار انجام داده و بهره‌وری را افزایش دهید. جامعه بزرگ کوبرنتیز نیز دسترسی به منابع آموزشی، پشتیبانی و ابزارهای متنوع را می‌دهد. به طور خلاصه، کوبرنتیز با ارائه این ویژگی‌های قدرتمند، به یک ابزار ضروری برای هر توسعه‌دهنده‌ای تبدیل شده است که به دنبال استقرار و مدیریت برنامه‌های خود در محیط‌های ابری و پیچیده است.
فرآیند ایجاد و حذف کانتینرها در کوبرنتیز به چه شکلی است؟
کوبرنتیز، امکان ایجاد و حذف کانتینرها را به صورت خودکار و برنامه‌ریزی شده فراهم می‌کند. این فرایندها از طریق ارسال درخواست به API سرور کوبرنتیز انجام می‌شوند و توسط کنترل‌کننده‌های مختلفی مدیریت می‌شوند. برای ایجاد یک کانتینر، ابتدا باید یک شی به نام پاد تعریف شود. پاد کوچک‌ترین واحد قابل برنامه‌ریزی در کوبرنتیز است و شامل یک یا چند کانتینر است. پس از تعریف پاد، با ارسال درخواست به API سرور، کوبرنتیز اقدام به ایجاد پاد و استقرار کانتینرهای آن در یکی از گره‌های کلاستر می‌کند. برای حذف کانتینرها نیز می‌توان از طریق ارسال درخواست حذف به API سرور اقدام کرد. کوبرنتیز با استفاده از شی Deployment می‌تواند تعداد کپی‌های مورد نظر از یک پاد را مشخص کند و در صورت حذف شدن یک پاد، به صورت خودکار پاد جدیدی را برای جایگزینی آن ایجاد کند. همچنین، کوبرنتیز از شی StatefulSet برای مدیریت برنامه‌هایی که به داده‌های پایدار نیاز دارند استفاده می‌کند و تضمین می‌کند که داده‌های این برنامه‌ها هنگام حذف و ایجاد مجدد پاد حفظ شوند. علاوه بر این، کوبرنتیز امکان تعریف سیاست‌های مختلف برای مدیریت چرخه عمر کانتینرها را فراهم می‌کند، به عنوان مثال می‌توان تعیین کرد که پس از چند بار تلاش ناموفق برای راه‌اندازی یک کانتینر، آن را به صورت خودکار حذف کند.
مقیاس‌دهی افقی در کوبرنتیز چیست؟
مقیاس‌دهی افقی (Horizontal Scaling) در کوبرنتیز به معنای افزودن یا حذف نمونه‌های بیشتری از یک برنامه (پاد) است تا بتوان به نیازهای متغیر بارهای کاری پاسخ داد. به عبارت ساده‌تر، وقتی تقاضا برای یک سرویس افزایش می‌یابد، کوبرنتیز می‌تواند به صورت خودکار تعداد کپی‌های آن سرویس را افزایش دهد و در مقابل، هنگامی که تقاضا کاهش می‌یابد، تعداد کپی‌ها را کاهش دهد. چرا مقیاس‌دهی افقی اهمیت دارد؟ از طریق مقیاس‌دهی افقی، برنامه‌ها می‌توانند به راحتی با نوسانات ترافیک و بار کاری سازگار شوند. همچنین، با افزودن منابع بیشتر، برنامه‌ها می‌توانند سریع‌تر و بهتر به درخواست‌ها پاسخ دهند. این در حالی است که از طریق مقیاس‌دهی به سمت بالا و پایین، می‌توانید از منابع محاسباتی به صورت مؤثر استفاده کرده و هزینه‌ها را کاهش دهید.
کوبرنتیز از مکانیزمی به نام HPA سرنام Horizontal Pod Autoscaler برای انجام مقیاس‌دهی افقی استفاده می‌کند. HPA با نظارت بر متریک‌های مختلف مانند استفاده از پردازنده مرکزی، حافظه و درخواست‌های هر ثانیه، به طور خودکار تعداد Replicaهای یک Deployment را تنظیم می‌کند. مراحل انجام مقیاس‌دهی افقی به شرح زیر است:
ایجاد یک Deployment: یک مولفه Deployment شامل تعداد مشخصی Replica از یک پاد است.
ایجاد یک HPA: HPA به Deployment متصل می‌شود و بر اساس متریک‌های مشخص شده، تعداد Replicaها را تنظیم می‌کند.
تغییر در بار کاری: هنگامی که بار کاری افزایش می‌یابد، HPA متوجه شده و به Deployment دستور می‌دهد تا Replicaهای جدیدی ایجاد کند.
مقیاس‌دهی به سمت پایین: هنگامی که بار کاری کاهش می‌یابد، HPA تعداد Replicaها را کاهش می‌دهد.
متوازن‌کننده بار در کوبرنتیز چیست؟
متوازن‌کننده بار (Load Balancer) یک مولفه کلیدی است که وظیفه توزیع ترافیک ورودی به صورت یکنواخت بین چند پاد را بر عهده دارد. این کار باعث می‌شود که هیچ یک از پادها بیش از حد بار کاری نداشته باشند و عملکرد کلی سیستم بهینه شود. به بیان دقیق‌تر، متوازن‌کننده بار مانع از اشباع شدن یک پاد خاص و افزایش کارایی سیستم می‌شود، با توزیع ترافیک بین چند پاد، اگر یکی از پادها با مشکل مواجه شود، اجازه می‌دهد سایر پادها بتوانند درخواست‌ها را پاسخ دهند. همچنین، با افزودن پادهای جدید، متوازن‌کننده بار به صورت خودکار ترافیک را بین آن‌ها توزیع می‌کند. همچنین، لازم به توضیح است که متوازن کننده بار انواع مختلفی به شرح زیر دارد:
Service: یک مولفه شی‌محور است که یک مجموعه منطقی از پادها را تعریف می‌کند و یک آدرس آی‌پی مجازی برای دسترسی به آن‌ها فراهم می‌کند. Service از یک متوازن کننده بار داخلی استفاده می‌کند تا ترافیک را بین پادها توزیع کند.
Ingress: مولفه‌ای است که برای مدیریت ترافیک ورودی به کلاستر کوبرنتیز استفاده می‌شود. Ingress می‌تواند از متوازن‌کننده بارهای خارجی مانند Nginx یا HAProxy استفاده کند تا ترافیک را به سرویس‌های مختلف در کلاستر هدایت کند.
NodePort: سرویسی است که یک پورت ثابت را در هر گره کلاستر باز می‌کند و ترافیک ورودی را به آن پورت به پادهای مربوطه هدایت می‌کند.
نحوه کار متوازن‌کننده بار به این صورت است که ابتدا یک Service ایجاد می‌شود. ما یک Service را برای گروهی از پادها تعریف می‌کنید و در ادامه تخصیص آدرس آی‌پی را انجام می‌دهید. کوبرنتیز یک آدرس آی‌پی مجازی به Service اختصاص می‌دهد. هنگامی که یک درخواست به آدرس IP Service ارسال می‌شود، متوازن‌کننده بار به صورت تصادفی یا بر اساس الگوریتم‌های خاصی، درخواست را به یکی از پادهای مربوطه هدایت می‌کند. این رویکرد چند ویژگی مهم به همراه دارد. تعریف و مدیریت متوازن‌کننده بار در کوبرنتیز بسیار ساده است، کوبرنتیز از انواع مختلفی از متوازن‌کننده بار پشتیبانی می‌کند تا بتوان بهترین گزینه را برای نیازها انتخاب کرد. همچنین، متوازن‌کننده بار به صورت بومی در کوبرنتیز ادغام شده است و نیازی به نصب ابزارهای اضافی نیست.
زنده و آماده بودن در کوبرنتیز به چه معنا است؟
در محیط پویا و پیچیده کوبرنتیز، اطمینان از اینکه برنامه‌های شما به درستی کار می‌کنند و به درخواست‌ها پاسخ می‌دهند، بسیار حیاتی است. برای این منظور، کوبرنتیز از دو مفهوم کلیدی زنده بودن (Liveness) و آماده بودن (Readiness) استفاده می‌کند. Liveness نشان می‌دهد یک کانتینر به طور کلی سالم است و در حال اجرا است. هدف از بررسی زنده بودن، تشخیص و بازیابی خودکار کانتینرهایی است که به دلایلی مانند خطاهای نرم‌افزاری، خرابی سخت‌افزاری یا مشکلات شبکه از کار افتاده‌اند. همچنین، کوبرنتیز با استفاده از یک پروب (probe) به صورت دوره‌ای وضعیت کانتینر را بررسی می‌کند. اگر پروب ناموفق باشد، کوبرنتیز کانتینر را مجددا راه‌اندازی می‌کند. مفهوم کلیدی بعدی، آماده بودن (Readiness) است که نشان می‌دهد یک کانتینر آماده پاسخگویی به درخواست‌ها است. هدف از بررسی آماده بودن، جلوگیری از ارسال ترافیک به کانتینرهایی است که هنوز برای سرویس‌دهی آماده نیستند (مثلا در حال راه‌اندازی، در حال بارگذاری داده‌ها یا در حال انجام عملیات اولیه).
معماری کوبرنتیز به چه صورتی است؟
کوبرنتیز، از معماری پیچیده‌ای برخوردار است که اجازه می‌دهند تا هزاران کانتینر را به صورت همزمان مدیریت کند. در هسته کوبرنتیز، یک لایه کنترل (control plane) وجود دارد که مسئولیت مدیریت و هماهنگی کل کلاستر را بر عهده دارد. این لایه شامل مولفه‌هایی مثل API Server، Scheduler، Controller Manager و etcd است. API Server به عنوان دروازه ورودی به کلاستر عمل می‌کند و درخواست‌های کاربران را دریافت و پردازش می‌کند. Scheduler وظیفه تخصیص پادها به گره‌های مختلف کلاستر را بر اساس سیاست‌های تعریف شده بر عهده دارد. Controller Manager مسئولیت اجرای منطق کنترل برای اطمینان از اینکه کلاستر در حالت مطلوب قرار دارد را بر عهده دارد. etcd یک پایگاه داده کلید-مقدار توزیع شده است که برای ذخیره سازی اطلاعات وضعیت کلاستر استفاده می‌شود.
در کنار لایه کنترل، گره‌های کارگر (worker nodes) وجود دارند که وظیفه اجرای پادها را بر عهده دارند. هر گره کارگر شامل یک کوبلت (kubelet) است که مسئولیت ارتباط با لایه کنترل و اجرای پادها را بر عهده دارد. همچنین، هر گره کارگر یک پروکسی (kube-proxy) دارد که وظیفه مسیریابی ترافیک بین سرویس‌ها و پادها را بر عهده دارد. این معماری ماژولار و قابل توسعه به کوبرنتیز اجازه می‌دهد به صورت مقیاس‌پذیر و قابل اعتماد کار کند و از ویژگی‌هایی مانند خود ترمیمی، کشف سرویس‌ها، و توزیع بار به صورت خودکار پشتیبانی کند. با توجه به توضیحاتی که ارائه کردیم باید بگوییم که معماری کوبرنتیز به گونه‌ای طراحی شده است که بتواند هزاران کانتینر را به صورت کارآمد و قابل اعتماد مدیریت کند و به توسعه‌دهندگان اجازه دهد تا برنامه‌های خود را به صورت مقیاس‌پذیر و با حداقل توقف اجرا کنند.
نویسنده: حمیدرضا تائبی
برای خواندن شرایط گارانتی و خدمات پس از فروش، روی لینک زیر کلیک کنید.
