کوبرنتیز چیست ؟ هر آنچه که درباره Kubernetes باید بدانید

کوبرنتیز چیست ؟ ابزاری جادویی است که به شما اجازه می‌دهد هزاران برنامه را به طور همزمان و بدون نگرانی از منابع سخت‌افزاری مدیریت کنید. با این پلتفرم برنامه‌های خود را سریع و خودکار مستقر کرده و نگران زیرساخت، مشکلات سخت‌افزاری یا انتشار آپدیت نباشید. در ادامه به شما خواهیم گفت کوبرنتیز چیست و چگونه به شما در ساخت و مدیریت برنامه‌های پیچیده کمک می‌کند.

کوبرنتیز چیست

کوبرنتیز (Kubernetes یا k8s) ابزار قدرتمند و متن‌باز است که مدیریت و اجرای برنامه‌های کانتینری را به صورت خودکار انجام می‌دهد. این پلتفرم به شما کمک می‌کند تا برنامه‌هایتان را به راحتی در محیط‌های مختلف (مثل ابرهای عمومی یا مراکز داده خصوصی) اجرا و مدیریت کنید.

کوبرنتیز با قابلیت‌هایی مانند خود ترمیمی و بارگذاری پویا تضمین می‌‌کند که اپ‌های کانتینری پیوسته در دسترس کاربران قرار دارند. این مزایا باعث می شود که توسعه‌دهندگان بدون دغدغه در مورد زیرساخت، روی توسعه ویژگی‌های نرم‌افزار متمرکز شوند. 

K8s حاصل ۱۵ سال تجربه مهندسان گوگل در کار با اپ‌های کانتینری است و در سال ۲۰۱۵ با همکاری «Redhat» به صورت متن باز منتشر شد. این پلتفرم در حال حاضر توسط «بنیاد محاسبات ابری بومی» (CNCF) مدیریت می‌شود و یک جامعه بزرگ و فعال به طور مداوم در حال توسعه و بهبود آن هستند.

کانتینر چیست؟

یکی از بهترین راهکارها برای استقرار نرم‌افزار در محیط‌های مختلف مثل فضای ابری، دیتاسنتر محلی یا لپ‌تاپ‌ و گوشی‌ استفاده از کانتینر است.

کانتینر (Container) بسته سبک و پرتابلی است که اجزای لازم برای اجرای یک (کدها، کتابخانه، ابزارهای سیستمی، تنظیمات) را در خود دارد. 

کانتینرها محیط اجرایی ایزوله‌ای فراهم می‌کنند که در آن اپلیکیشن فارغ از نوع سیستم‌عامل یا سخت‌افزار، در هر بستر و زیرساختی اجرا می‌شود. 

ویژگی‌ های کلیدی کانتینر شامل این موارد می‌شود:

• پرتابل بودن: کانتینرها به‌راحتی و بدون نیاز به تغییرات اساسی از یک محیط به محیط دیگر منتقل می‌شوند (مانند سرورهای مختلف یا ابرهای عمومی و خصوصی).
• ایزوله‌سازی: هر کانتینر در محیط خود کاملا ایزوله است و نمی‌تواند بر سایر کانتینرها یا سیستم‌عامل میزبان اثر بگذارد.
• کارآمدی: کانتینرها منابع را به‌طور اشتراکی با سیستم‌عامل میزبان استفاده می‌کنند و از ماشین‌‌های مجازی سریع‌تر و سبک‌تر هستند.

کانتینر و ماشین مجازی چه تفاوتی دارند؟

ماشین مجازی یک سیستم عامل کامل را شبیه‌سازی می‌کند اما کانتینرها از هسته سیستم عامل میزبان استفاده می‌کنند و فقط فایل‌های ضروری را در خود دارند. از اینرو کانتینر به مراتب از ماشین مجازی سبک‌تر بوده و منابع کمتری را مصرف می‌کند. 

جدول مقایسه کانتینر و ماشین مجازی:

ویژگی های کوبرنتیز

کوبرنتیز مجموعه گسترده‌ای از ویژگی‌ها را برای مدیریت کانتینرها ارائه می‌دهد که آن را به ابزاری ضروری در دنیای ابری تبدیل کرده است. در ادامه به برخی از مهم‌ترین ویژگی‌های این پلتفرم می‌پردازیم:

• استقرار خودکار: به صورت خودکار برنامه‌های کانتینری را روی نودها مستقر می‌کند.
• مقیاس‌بندی: منابع اختصاص یافته بر هر کانتینر را بر اساس میزان استفاده و محدودیت‌های آن تنظیم می‌کند. این ویژگی تضمین می‌‌کند که برنامه به شکل بهینه اجرا شده و در عین حل منابع هدر نمی‌رود. 
• خود ترمیمی: به طور مداوم روی وضعیت کلاستر و اجزای آن نظارت می‌کند. در صورت مشکلاتی مثل خرابی کانتینر یا اختلال در شبکه، به صورت خودکار اقدام به رفع آن می‌کند.
• به‌روزرسانی خودکار: با تعریف یک استراتژی به‌روزرسانی، به صورت خودکار نسخه‌های جدید برنامه جایگزین نسخه‌های قدیمی می‌شود. 
• بازگشت به نسخه قبلی: اگر به‌روزرسانی به هر دلیلی با مشکل مواجه شود، سیستم به راحتی به نسخه قبلی بازمی‌گردد.
• مدیریت ترافیک: ترافیک شبکه را به صورت یکنواخت بین چند نمونه از یک برنامه توزیع می‌کند تا از در دسترس بودن و عملکرد بالا اطمینان حاصل شود.
• ذخیره‌سازی پایدار: از حجم‌های پایدار برای ذخیره داده‌های برنامه‌ها استفاده می‌کند تا در صورت از دست رفتن یک گره، داده‌ها از بین نروند.
• توسعه DevOps: با خودکارسازی بسیاری از فرایندها به تیم‌های DevOps کمک می‌کند تا به سرعت و به صورت مداوم نرم‌افزار را تحویل دهند.

کوبرنتیز چگونه کار می‌کند؟

پس از نصب و استقرار پلتفرم یک کلاستر یا خوشه تشکیل می‌شود که در مدیریت کانتینر نقش مهمی دارد. هر کلاستر از دو بخش اصلی شامل گره کارگر (یا ماشین محاسباتی) و بخش کنترل تشکیل می‌شود. 

کلاستر را می‌توان به عنوان یک شهرک تصور کرد. در این شهرک هر ساختمان یک گره و هر آپارتمان درون ساختمان، یک کانتینر است. این شهرک یک شهرداری هم دارد که مسئول مدیریت و نظارت بر کل شهرک است.

• گره کارگر (Worker Node): یک سرور فیزیکی یا مجازی است که اپ‌های کانتینری روی آنها اجرا می‌شود. هر گره کارگر میزبان تعدادی پاد است که از چند کانتینر تشکیل شده‌اند. 
• بخش کنترل (Master): این بخش مسئول برنامه‌ریزی، توزیع منابع، نظارت بر وضعیت کانتینرها و مدیریت کلاستر است. بخش کنترل روی اجرای درست و بدون مشکل اپ‌ها نظارت می‌کند. 

روند کاری کوبرنتیز حول محور «حالت دلخواه» می‌چرخد که توسط کاربر تعریف می‌شود. کاربر حالت دلخواه اپ و کلاستر را در قالب فایل‌های YAML و JSON تعریف کرده و در آن به تعداد پاد‌ها، سرویس‌ها و پیکربندی اشاره می‌کند. 

بخش کنترل برنامه را تحلیل کرده و بهترین گره را برای اجرای پاد مشخص می‌کند. این بخش به صورت مداوم وضعیت کلاستر را با حالت دلخواه تطبیق می‌دهد و در صورت بروز مشکل، اقدامات لازم مثل انتقال پاد به گره‌های دیگر یا افزایش منابع را به صورت خودکار انجام می‌دهد. 

مزایا کوبرنتیز 

کوبرنتیز با خودکارسازی فرایندهای زما‌ن‌بندی، اجرا و نظارت روی اپ‌‌های کانتینری مزایای زیادی را برای توسعه‌دهندگان فراهم می‌کند که شامل این موارد است:

1. پرتابل بودن: کانتینرها در محیط‌های مختلف از ابر خصوصی و عمومی گرفته تا گوشی و تبلت قابل اجرا هستند. 
2. توسعه‌‌پذیری: به خوبی با ابزارها و سرویس‌‌های فعلی شما یکپارچه شده و نیاز به صرف هزینه را برای جایگزینی آنها از بین می‌برد. 
3. صرفه‌جویی در منابع: با افزایش بار کاری به صورت خودکار تعداد رپلیکا یا نمونه‌های دیپلوی را افزایش می‌دهد تا برنامه مختل نشود. با کاهش بار هم تعداد رپلیکاها کاهش می‌یابد تا منابع هدر نرود.
4. پشتیبانی از چند ابر: می‌توانید برنامه‌های خود را به صورت یکپارچه در چندین ابر عمومی یا خصوصی اجرا کنید. این ویژگی ریسک وابستگی به یک ابر خاص را کاهش داده و انعطاف‌پذیری بیشتری در زیرساخت به ارمغان می‌آورد.
5. مبتنی بر API: پایه و اساس کوبرنتیز روی API بنا شده و تمام اجزای آن را می‌توانید از طریق API کنترل کنید. 
6. اکوسیستم غنی: اپ‌های متن‌باز زیادی به عنوان مکمل کوبرنتیز در دسترس قرار دارد که در کنار هم یک اکوسیستم غنی و رو به رشد از ابزارها را ایجاد می‌کند. 

معایب کوبرنتیز 

کوبرنتیز در کنار مزایای گسترده مثل هر پلتفرم دیگری معایبی هم دارد که باید پیش از استقرار در نظر داشته باشید:

1. پیچیدگی: مدیریت کلاسترها شامل کار با فایل‌های پیکربندی پیچیده و سینتکس YAML است. هرچند ابزارهایی برای ساده‌سازی این فرایندها وجود دارد اما برای کاربران تازه‌کار هنوز سطح پیچیدگی بالایی دارد.
2. سربار عملیاتی: کار با کلاسترها نیازمند تخصیص دقیق منابع و نظارت روی آنهاست تا عملکرد بهینه سیستم، بدون هدر رفت منابع ارزشمند تضمین شود. 
3. امنیت: پلتفرم امنیت بالایی دارد اما همزمان با رشد کلاستر و نودها ایجاد سپرهای امنیتی قدرتمند می‌تواند چالش برانگیز شود. 
4. هزینه‌ها: اجرای کلاسترها در مقیاس گسترده و سنگین می‌تواند بسیار هزینه‌بر شود. زمان و هزینه لازم برای یادگیری پلتفرم و نگهداری آن را هم باید در نظر داشته باشید. 
5. وابستگی به پلتفرم: هرچند پلتفرم متن‌باز است اما برخی توزیع‌ها یا پلتفرم‌های ابری ممکن است محدودیت‌هایی را برای شما ایجاد کنند. 

کاربردهای کوبرنتیز

کاربردهای کوبرنتیز چیست یکی از سوالات همیشگی توسعه‌دهندگان در فضای ابری است. در پاسخ باید گفت موارد استفاده از این پلتفرم به قدری گسترده است که کار با برنامه‌های کانتینری بدون آن ناممکن به نظر می‌رسد:

1. مدیریت زیرساخت ابری: با پشتیبانی از پلتفرم‌های ابری محبوب مانند AWS، Google Cloud، Azure و ابرهای خصوصی، امکان اجرای برنامه‌ها در هر محیط ابری را فراهم می‌کند. قابلیت‌هایی مانند مقیاس‌پذیری خودکار و مدیریت منابع هم به استفاده بهتر از زیرساخت‌های ابری کمک می‌کند.
2. پردازش کلان داده: پردازش داده‌های حجیم نیاز به مقیاس‌پذیری بالایی دارد. با اجرای همزمان کانتینرها، مقیاس‌پذیری خودکار و پشتیبانی از ابزارهایی مانند Apache Spark و Hadoop حجم بالایی از داده‌ها را به صورت موازی پردازش می‌کند.
3. یادگیری ماشین: مدل‌های یادگیری ماشین و هوش مصنوعی شامل کامپوننت‌‌هایی است که کار با آنها زمان‌بر، دشوار و نیازمند توان پردازش بالاست. با خودکارسازی پیکربندی، دیپلوی و توزیع بار بین کانتینرها، مدل‌های هوش مصنوعی در مقیاس بزرگ و به صورت موازی اجرا می‌شوند. کتابخانه‌های محبوب هوش مصنوعی مانند TensorFlow و PyTorch هم در کوبرنتیز به راحتی اجرا می‌شوند.
4. سرویس‌های مالی: در سرویس‌های بانکی که نیاز به پایداری و امنیت بالا دارند، با ارائه قابلیت‌های امنیتی پیشرفته و مقیاس‌پذیری خودکار دسترسی پایدار به سرویس‌ها را تضمین می‌کند. توانایی شناسایی خطا و بازیابی خودکار در این بخش‌ها مزیت بزرگی است.
5. بازی‌های آنلاین: بازی‌های آنلاین نیاز به مقیاس‌پذیری سریع و واکنش در لحظه دارند. کوبرنتیز با مدیریت بار و مقیاس‌پذیری خودکار به سرویس‌های بازی آنلاین کمک می‌کند تا با افزایش یا کاهش تعداد کاربران، منابع مورد نیاز به صورت پویا تخصیص داده شوند و تجربه کاربری بهینه‌ای ارائه شود.

مفاهیم پایه در کوبرنتیز

آشنایی با مفاهیم پایه مثل اینکه پاد کوبرنتیز چیست در درک بهتر این پلتفرم کمک زیادی به شما خواهد کرد. در ادامه مهمترین مفاهیم را توضیح می‌دهیم:

• کلاستر یا خوشه (Cluster): شامل مجموعه‌ای از ماشین‌های مجازی یا فیزیکی است که به عنوان گره شناخته می‌شوند. کلاسترها به صورت هماهنگ برای اجرای برنامه‌ها با هم کار می‌کنند.
• گره (Node): هر گره در کلاستر دارای یک سیستم عامل و یک نسخه از برنامه است. گره‌ها توسط Master کنترل شده و وظیفه اجرای پادها را بر عهده دارند.
• پاد (Pod): کوچک‌ترین واحد اجرایی در کوبرنتیز و شامل یک یا چند کانتینر است. پادها بلوک‌های اولیه سیستم بوده و منابع پردازش، شبکه و فضای ذخیره‌سازی بین آنها مشترک است. 
• سرویس (Service): تا ترافیک شبکه را به پادهای مناسب هدایت می‌کند. به کاربران هم اجازه می‌دهد از طریق آدرس‌های ثابت به برنامه‌ها دسترسی داشته باشند.
• Namespace: فضای مجازی ایزوله در کوبرنتیز که برای جدا کردن منابع و جلوگیری از تداخل آن‌ها استفاده می‌شود.
• ReplicaSet: مسئول اطمینان از وجود تعداد مشخصی پاد با یک مشخصه خاص است. اگر تعداد پاها کمتر از تعداد مشخص شده باشد، ReplicaSet پادهای جدید ایجاد می‌کند و برعکس.
• Deployment: برای استقرار و مدیریت برنامه‌های کاربردی استفاده می‌شود. امکاناتی مانند به‌روزرسانی خودکار برنامه‌ها و برگشت به نسخه‌های قبلی را نیز فراهم می‌کند.
• Selector: برای یافتن و انتخاب مجموعه خاصی از پادها بر اساس برچسب‌های آن‌ها استفاده می‌شود.
• برچسب (Label): مقداری است که به اشیایی مانند پاد و سرویس اضافه می‌شود. با برچسب‌ می‌توان اشیا را در گروه‌های خاص فیلتر، انتخاب و سازمان‌دهی کرد.
• Annotation: نوعی برچسب با ظرفیت داده بسیار بالاست. معمولا برای ذخیره اطلاعاتی استفاده می‌شود که به طور مستقیم در عملکرد سیستم تاثیر ندارد.
• Ingress: یک شی API است که دسترسی خارجی به سرویس را در کلاستر کنترل می‌کند. امکاناتی مانند مسیریابی مبتنی بر نام میزبان، مسیریابی مبتنی بر URL و بارگذاری ترافیک را فراهم می‌کند.

معماری کوبرنتیز

معماری کوبرنتیز از دو بخش اصلی واحد کنترل و نودها تشکیل می‌شود که در ادامه مولفه‌‌های هر کدام را توضیح می‌دهیم. 

مولفه‌های بخش کنترل (Control Plane)

صفحه کنترل به عنوان مغز متفکر کلاستر وظیفه مدیریت و کنترل کل سیستم را بر عهده دارد. هر کلاستر دارای یک گره مستر یا ارشد است که صفحه کنترل را هدایت می‌کند.

• API server: ارتباط بین کاربران، ابزارها و اجزای داخلی را مدیریت می‌کند. از طریق API درخواست‌ها را دریافت و آن‌ها را به بخش‌های دیگر ارجاع می‌دهد. تمامی عملیات از ایجاد پادها تا تغییر در تنظیمات سیستم از طریق API Server انجام می‌شود.
• etcd: پایگاه‌داده توزیع‌شده و قدرتمندی است که به عنوان منبع داده‌ها برای ذخیره‌سازی متمرکز کوبرنتیز عمل می‌کند. این سرویس تمام اطلاعات مربوط به وضعیت سیستم و تنظیمات پیکربندی را ذخیره می‌کند. به دلیل اهمیت زیاد این بخش، معمولاً به صورت توزیع‌شده و با مکانیزم‌های پشتیبانی پیشرفته پیاده‌سازی می‌شود.
• scheduler: این بخش تصمیم می‌گیرد که هر پاد روی کدام نود اجرا شود. تصمیم‌گیری بر اساس معیارهای مختلفی مانند منابع قابل‌دسترس، ظرفیت نودها و نیازمندی‌های پاد انجام می‌شود. هدف اصلی این سرویس، استفاده بهینه از منابع و توزیع صحیح بار کاری است.
• Controller-manager: شامل مجموعه‌ای از کنترلرها است که بر روی کلاستر و ارتباطات آن با سرور API نظارت می‌کنند تا مطمئن شوند که سیستم در وضعیت مطلوب است. مهمترین اجزای آن کنترلرهای نود، رپلیکانت و اندپوینت هستند.
• Cloud-controller-manager: به کوبرنتیز اجازه می‌دهد که به صورت مستقیم با پلتفرم‌های ابری مثل AWS، Google Cloud، یا Azure ارتباط برقرار کرده و از قابلیت‌های آن‌ها استفاده کند. این ماژول به صورت مستقل از سایر بخش‌ها اجرا می‌شود تا از وابستگی مستقیم به پلتفرم ابری جلوگیری کرده و توسعه و نگهداری را تسهیل کند.

مولفه‌‌های نود (Node)

نود یا گره یکی از مهم‌ترین اجزای k8s است که می‌تواند یک سرور فیزیکی یا ماشین مجازی باشد. نودها به بخش کنترل گزارش داده و دستورات را از آن دریافت می‌کنند. اما اجزای مهم نود در کوبرنتیز چیست :

• Kubelet: یک عامل محلی است که با API سرور ارتباط برقرار کرده و وظیفه اجرای پادها روی گره را بر عهده دارد. دستورات را از بخش کنترل دریافت کرده و مطابق آن‌ها پادها را ایجاد، حذف یا مدیریت می‌کند.
• Kube-proxy: وظیفه آن هدایت ترافیک به پادهای مناسب بر اساس قوانین شبکه است. طبق قوانین فایروال یا راهکارهای پیشرفته مانند جداول IP ترافیک ورودی و خروجی را مدیریت می‌کند تا برنامه‌های مختلف در محیط ایزوله و بدون تداخل اجرا شوند.
• Container Runtime: یک موتور اجرای کانتینر مانند داکر است که وظیفه اجرای کانتینرها را بر عهده دارد.

تفاوت داکر و کوبرنتیز 

یکی دیگر از سوالات رایج این است که تفاوت داکر و کوبرنتیز چیست ؟ در پاسخ باید گفت هر دو آنها ابزارهای کلیدی برای مدیریت کانتینرها هستند، اما هر کدام نقش متفاوتی ایفا می‌کنند. اگر به دنبال راه حلی ساده برای کانتینری کردن اپ‌ها هستید، داکر گزینه مناسب شماست. اما اگر به دنبال سیستمی قدرتمند و پیچیده برای مدیریت کلاسترهای عظیم هستید، کوبرنتیز انتخاب بهتری خواهد بود. برای اطلاعات بیشتر در این مورد به مقاله تفاوت داکر و کوبرنتیز مراجعه کنید. 

جمع‌بندی

کوبرنتیز یک پلتفرم متن‌باز و قدرتمند برای خودکارسازی فرآیندهای استقرار، مقیاس‌بندی و مدیریت چرخه عمر اپ‌های کانتینری است. از ویژگی‌های کلیدی آن می‌توان به خودکارسازی، مقیاس‌پذیری، قابلیت اطمینان بالا، مدیریت آسان و جامعه بزرگ توسعه‌دهندگان اشاره کرد. 

با بهره‌گیری از این پلتفرم می‌توان منابع سخت‌افزاری را به شکل بهینه و کارآمد مدیریت کرده و هزینه‌های عملیاتی را کاهش داد. کوبرنتیز به توسعه‌دهندگان اجازه می‌دهد که به راحتی برنامه‌های پیچیده و مقیاس‌پذیر را در محیط‌های ابری خصوصی، عمومی یا دیتاسنترهای محلی پیاده‌سازی کنند.