Visão Geral

• 1: O que é Kubernetes?
• 2: Componentes do Kubernetes
• 3: Objetos do Kubernetes
• 3.1: Nomes
• 3.2: Namespaces
• 3.3: Seletores de Campos

1 - O que é Kubernetes?

Essa página é uma visão geral do Kubernetes.

Kubernetes é um plataforma de código aberto, portável e extensiva para o gerenciamento de cargas de trabalho e serviços distribuídos em contêineres, que facilita tanto a configuração declarativa quanto a automação. Ele possui um ecossistema grande, e de rápido crescimento. Serviços, suporte, e ferramentas para Kubernetes estão amplamente disponíveis.

O Google tornou Kubernetes um projeto de código-aberto em 2014. O Kubernetes combina mais de 15 anos de experiência do Google executando cargas de trabalho produtivas em escala, com as melhores idéias e práticas da comunidade.

O nome Kubernetes tem origem no Grego, significando timoneiro ou piloto. K8s é a abreviação derivada pela troca das oito letras "ubernete" por "8", se tornado K"8"s.

Voltando no tempo

Vamos dar uma olhada no porque o Kubernetes é tão útil, voltando no tempo.

Era da implantação tradicional: No início, as organizações executavam aplicações em servidores físicos. Não havia como definir limites de recursos para aplicações em um mesmo servidor físico, e isso causava problemas de alocação de recursos. Por exemplo, se várias aplicações fossem executadas em um mesmo servidor físico, poderia haver situações em que uma aplicação ocupasse a maior parte dos recursos e, como resultado, o desempenho das outras aplicações seria inferior. Uma solução para isso seria executar cada aplicação em um servidor físico diferente. Mas isso não escalava, pois os recursos eram subutilizados, e se tornava custoso para as organizações manter muitos servidores físicos.

Era da implantação virtualizada: Como solução, a virtualização foi introduzida. Esse modelo permite que você execute várias máquinas virtuais (VMs) em uma única CPU de um servidor físico. A virtualização permite que as aplicações sejam isoladas entre as VMs, e ainda fornece um nível de segurança, pois as informações de uma aplicação não podem ser acessadas livremente por outras aplicações.

A virtualização permite melhor utilização de recursos em um servidor físico, e permite melhor escalabilidade porque uma aplicação pode ser adicionada ou atualizada facilmente, reduz os custos de hardware e muito mais. Com a virtualização, você pode apresentar um conjunto de recursos físicos como um cluster de máquinas virtuais descartáveis.

Cada VM é uma máquina completa que executa todos os componentes, incluindo seu próprio sistema operacional, além do hardware virtualizado.

Era da implantação em contêineres: Contêineres são semelhantes às VMs, mas têm propriedades de isolamento flexibilizados para compartilhar o sistema operacional (SO) entre as aplicações. Portanto, os contêineres são considerados leves. Semelhante a uma VM, um contêiner tem seu próprio sistema de arquivos, compartilhamento de CPU, memória, espaço de processo e muito mais. Como eles estão separados da infraestrutura subjacente, eles são portáveis entre nuvens e distribuições de sistema operacional.

Contêineres se tornaram populares porque eles fornecem benefícios extra, tais como:

• Criação e implantação ágil de aplicações: aumento da facilidade e eficiência na criação de imagem de contêiner comparado ao uso de imagem de VM.
• Desenvolvimento, integração e implantação contínuos: fornece capacidade de criação e de implantação de imagens de contêiner de forma confiável e frequente, com a funcionalidade de efetuar reversões rápidas e eficientes (devido à imutabilidade da imagem).
• Separação de interesses entre Desenvolvimento e Operações: crie imagens de contêineres de aplicações no momento de construção/liberação em vez de no momento de implantação, desacoplando as aplicações da infraestrutura.
• A capacidade de observação (Observabilidade) não apenas apresenta informações e métricas no nível do sistema operacional, mas também a integridade da aplicação e outros sinais.
• Consistência ambiental entre desenvolvimento, teste e produção: funciona da mesma forma em um laptop e na nuvem.
• Portabilidade de distribuição de nuvem e sistema operacional: executa no Ubuntu, RHEL, CoreOS, localmente, nas principais nuvens públicas e em qualquer outro lugar.
• Gerenciamento centrado em aplicações: eleva o nível de abstração da execução em um sistema operacional em hardware virtualizado à execução de uma aplicação em um sistema operacional usando recursos lógicos.
• Microserviços fracamente acoplados, distribuídos, elásticos e livres: as aplicações são divididas em partes menores e independentes e podem ser implantados e gerenciados dinamicamente - não uma pilha monolítica em execução em uma grande máquina de propósito único.
• Isolamento de recursos: desempenho previsível de aplicações.
• Utilização de recursos: alta eficiência e densidade.

Por que você precisa do Kubernetes e o que ele pode fazer

Os contêineres são uma boa maneira de agrupar e executar suas aplicações. Em um ambiente de produção, você precisa gerenciar os contêineres que executam as aplicações e garantir que não haja tempo de inatividade. Por exemplo, se um contêiner cair, outro contêiner precisa ser iniciado. Não seria mais fácil se esse comportamento fosse controlado por um sistema?

É assim que o Kubernetes vem ao resgate! O Kubernetes oferece uma estrutura para executar sistemas distribuídos de forma resiliente. Ele cuida do escalonamento e do recuperação à falha de sua aplicação, fornece padrões de implantação e muito mais. Por exemplo, o Kubernetes pode gerenciar facilmente uma implantação no método canário para seu sistema.

O Kubernetes oferece a você:

• Descoberta de serviço e balanceamento de carga O Kubernetes pode expor um contêiner usando o nome DNS ou seu próprio endereço IP. Se o tráfego para um contêiner for alto, o Kubernetes pode balancear a carga e distribuir o tráfego de rede para que a implantação seja estável.
• Orquestração de armazenamento O Kubernetes permite que você monte automaticamente um sistema de armazenamento de sua escolha, como armazenamentos locais, provedores de nuvem pública e muito mais.
• Lançamentos e reversões automatizadas Você pode descrever o estado desejado para seus contêineres implantados usando o Kubernetes, e ele pode alterar o estado real para o estado desejado em um ritmo controlada. Por exemplo, você pode automatizar o Kubernetes para criar novos contêineres para sua implantação, remover os contêineres existentes e adotar todos os seus recursos para o novo contêiner.
• Empacotamento binário automático Você fornece ao Kubernetes um cluster de nós que pode ser usado para executar tarefas nos contêineres. Você informa ao Kubernetes de quanta CPU e memória (RAM) cada contêiner precisa. O Kubernetes pode encaixar contêineres em seus nós para fazer o melhor uso de seus recursos.
• Autocorreção O Kubernetes reinicia os contêineres que falham, substitui os contêineres, elimina os contêineres que não respondem à verificação de integridade definida pelo usuário e não os anuncia aos clientes até que estejam prontos para servir.
• Gerenciamento de configuração e de segredos O Kubernetes permite armazenar e gerenciar informações confidenciais, como senhas, tokens OAuth e chaves SSH. Você pode implantar e atualizar segredos e configuração de aplicações sem reconstruir suas imagens de contêiner e sem expor segredos em sua pilha de configuração.

O que o Kubernetes não é

O Kubernetes não é um sistema PaaS (plataforma como serviço) tradicional e completo. Como o Kubernetes opera no nível do contêiner, e não no nível do hardware, ele fornece alguns recursos geralmente aplicáveis comuns às ofertas de PaaS, como implantação, escalonamento, balanceamento de carga, e permite que os usuários integrem suas soluções de logging, monitoramento e alerta. No entanto, o Kubernetes não é monolítico, e essas soluções padrão são opcionais e conectáveis. O Kubernetes fornece os blocos de construção para a construção de plataformas de desenvolvimento, mas preserva a escolha e flexibilidade do usuário onde é importante.

Kubernetes:

• Não limita os tipos de aplicações suportadas. O Kubernetes visa oferecer suporte a uma variedade extremamente diversa de cargas de trabalho, incluindo cargas de trabalho sem estado, com estado e de processamento de dados. Se uma aplicação puder ser executada em um contêiner, ele deve ser executado perfeitamente no Kubernetes.
• Não implanta código-fonte e não constrói sua aplicação. Os fluxos de trabalho de integração contínua, entrega e implantação (CI/CD) são determinados pelas culturas e preferências da organização, bem como pelos requisitos técnicos.
• Não fornece serviços em nível de aplicação, tais como middleware (por exemplo, barramentos de mensagem), estruturas de processamento de dados (por exemplo, Spark), bancos de dados (por exemplo, MySQL), caches, nem sistemas de armazenamento em cluster (por exemplo, Ceph), como serviços integrados. Esses componentes podem ser executados no Kubernetes e/ou podem ser acessados por aplicações executadas no Kubernetes por meio de mecanismos portáteis, como o Open Service Broker.
• Não dita soluções de logging, monitoramento ou alerta. Ele fornece algumas integrações como prova de conceito e mecanismos para coletar e exportar métricas.
• Não fornece nem exige um sistema/idioma de configuração (por exemplo, Jsonnet). Ele fornece uma API declarativa que pode ser direcionada por formas arbitrárias de especificações declarativas.
• Não fornece nem adota sistemas abrangentes de configuração de máquinas, manutenção, gerenciamento ou autocorreção.
• Adicionalmente, o Kubernetes não é um mero sistema de orquestração. Na verdade, ele elimina a necessidade de orquestração. A definição técnica de orquestração é a execução de um fluxo de trabalho definido: primeiro faça A, depois B e depois C. Em contraste, o Kubernetes compreende um conjunto de processos de controle independentes e combináveis que conduzem continuamente o estado atual em direção ao estado desejado fornecido. Não importa como você vai de A para C. O controle centralizado também não é necessário. Isso resulta em um sistema que é mais fácil de usar e mais poderoso, robusto, resiliente e extensível.

Próximos passos

• Dê uma olhada em Componentes do Kubernetes.
• Pronto para Iniciar?

2 - Componentes do Kubernetes

Ao implantar o Kubernetes, você obtém um cluster.

Um cluster Kubernetes consiste em um conjunto de servidores de processamento, chamados nós, que executam aplicações containerizadas. Todo cluster possui ao menos um servidor de processamento (worker node).

O servidor de processamento hospeda os Pods que são componentes de uma aplicação. O ambiente de gerenciamento gerencia os nós de processamento e os Pods no cluster. Em ambientes de produção, o ambiente de gerenciamento geralmente executa em múltiplos computadores e um cluster geralmente executa em múltiplos nós (nodes) , provendo tolerância a falhas e alta disponibilidade.

Este documento descreve os vários componentes que você precisa ter para implantar um cluster Kubernetes completo e funcional.

Esse é o diagrama de um cluster Kubernetes com todos os componentes interligados.

Componentes da camada de gerenciamento

Os componentes da camada de gerenciamento tomam decisões globais sobre o cluster (por exemplo, agendamento de pods), bem como detectam e respondem aos eventos do cluster (por exemplo, iniciando um novo pod quando o campo replicas de um Deployment não está atendido).

Os componentes da camada de gerenciamento podem ser executados em qualquer máquina do cluster. Contudo, para simplificar, os scripts de configuração normalmente iniciam todos os componentes da camada de gerenciamento na mesma máquina, e não executa contêineres de usuário nesta máquina. Veja Construindo clusters de alta disponibilidade para um exemplo de configuração de múltiplas VMs para camada de gerenciamento (multi-main-VM).

kube-apiserver

O servidor de API é um componente da Camada de gerenciamento do Kubernetes que expõe a API do Kubernetes. O servidor de API é o front end para a camada de gerenciamento do Kubernetes.

A principal implementação de um servidor de API do Kubernetes é kube-apiserver. O kube-apiserver foi projetado para ser escalonado horizontalmente — ou seja, ele pode ser escalado com a implantação de mais instâncias. Você pode executar várias instâncias do kube-apiserver e balancear (balanceamento de carga, etc) o tráfego entre essas instâncias.

etcd

Armazenamento do tipo Chave-Valor consistente e em alta-disponibilidade usado como repositório de apoio do Kubernetes para todos os dados do cluster.

Se o seu cluster Kubernetes usa etcd como seu armazenamento de apoio, certifique-se de ter um plano de back up para seus dados.

Você pode encontrar informações detalhadas sobre o etcd na seção oficial da documentação.

kube-scheduler

Componente da camada de gerenciamento que observa os pods recém-criados sem nenhum nó atribuído, e seleciona um nó para executá-los.

Os fatores levados em consideração para as decisões de agendamento incluem: requisitos de recursos individuais e coletivos, hardware/software/política de restrições, especificações de afinidade e antiafinidade, localidade de dados, interferência entre cargas de trabalho, e prazos.

kube-controller-manager

Componente da camada de gerenciamento que executa os processos de controlador.

Logicamente, cada controlador está em um processo separado, mas para reduzir a complexidade, eles todos são compilados num único binário e executam em um processo único.

Alguns tipos desses controladores são:

• Controlador de nó: responsável por perceber e responder quando os nós caem.
• Controlador de Job: Observa os objetos Job que representam tarefas únicas e, em seguida, cria pods para executar essas tarefas até a conclusão.
• Controlador de endpoints: preenche o objeto Endpoints (ou seja, junta os Serviços e os pods).
• Controladores de conta de serviço e de token: crie contas padrão e tokens de acesso de API para novos namespaces.

cloud-controller-manager

O cloud-controller-manager executa apenas controladores que são específicos para seu provedor de nuvem. Se você estiver executando o Kubernetes em suas próprias instalações ou em um ambiente de aprendizagem dentro de seu próprio PC, o cluster não possui um gerenciador de controlador de nuvem.

Tal como acontece com o kube-controller-manager, o cloud-controller-manager combina vários ciclos de controle logicamente independentes em um binário único que você executa como um processo único. Você pode escalar horizontalmente (executar mais de uma cópia) para melhorar o desempenho ou para auxiliar na tolerância a falhas.

Os seguintes controladores podem ter dependências de provedor de nuvem:

• Controlador de nó: para verificar junto ao provedor de nuvem para determinar se um nó foi excluído da nuvem após parar de responder.
• Controlador de rota: para configurar rotas na infraestrutura de nuvem subjacente.
• Controlador de serviço: Para criar, atualizar e excluir balanceadores de carga do provedor de nuvem.

Node Components

Os componentes de nó são executados em todos os nós, mantendo os pods em execução e fornecendo o ambiente de execução do Kubernetes.

kubelet

Um agente que é executado em cada node no cluster. Ele garante que os contêineres estejam sendo executados em um Pod.

O kubelet utiliza um conjunto de PodSpecs que são fornecidos por vários mecanismos e garante que os contêineres descritos nesses PodSpecs estejam funcionando corretamente. O kubelet não gerencia contêineres que não foram criados pelo Kubernetes.

kube-proxy

kube-proxy é um proxy de rede executado em cada nó no seu cluster, implementando parte do conceito de serviço do Kubernetes.

kube-proxy mantém regras de rede nos nós. Estas regras de rede permitem a comunicação de rede com seus pods a partir de sessões de rede dentro ou fora de seu cluster.

kube-proxy usa a camada de filtragem de pacotes do sistema operacional se houver uma e estiver disponível. Caso contrário, o kube-proxy encaminha o tráfego ele mesmo.

Container runtime

O agente de execução (runtime) de contêiner é o software responsável por executar os contêineres.

O Kubernetes suporta diversos agentes de execução de contêineres: Docker, containerd, CRI-O, e qualquer implementação do Kubernetes CRI (Container Runtime Interface).

Addons

Complementos (addons) usam recursos do Kubernetes (DaemonSet, Deployment, etc) para implementar funcionalidades do cluster. Como fornecem funcionalidades em nível do cluster, recursos de addons que necessitem ser criados dentro de um namespace pertencem ao namespace kube-system.

Alguns addons selecionados são descritos abaixo; para uma lista estendida dos addons disponíveis, por favor consulte Addons.

DNS

Embora os outros complementos não sejam estritamente necessários, todos os clusters do Kubernetes devem ter um DNS do cluster, já que muitos exemplos dependem disso.

O DNS do cluster é um servidor DNS, além de outros servidores DNS em seu ambiente, que fornece registros DNS para serviços do Kubernetes.

Os contêineres iniciados pelo Kubernetes incluem automaticamente esse servidor DNS em suas pesquisas DNS.

Web UI (Dashboard)

Dashboard é uma interface de usuário Web, de uso geral, para clusters do Kubernetes. Ele permite que os usuários gerenciem e solucionem problemas de aplicações em execução no cluster, bem como o próprio cluster.

Monitoramento de recursos do contêiner

Monitoramento de recursos do contêiner registra métricas de série temporal genéricas sobre os contêineres em um banco de dados central e fornece uma interface de usuário para navegar por esses dados.

Logging a nivel do cluster

Um mecanismo de logging a nível do cluster é responsável por guardar os logs dos contêineres em um armazenamento central de logs com um interface para navegação/pesquisa.

Próximos passos

• Aprenda sobre Nós.
• Aprenda sobre Controladores.
• Aprenda sobre kube-scheduler.
• Leia a documentação oficial do etcd.

3 - Objetos do Kubernetes

3.1 - Nomes

Cada objeto em um cluster possui um Nome que é único para aquele tipo de recurso. Todo objeto do Kubernetes também possui um UID que é único para todo o cluster.

Por exemplo, você pode ter apenas um Pod chamado "myapp-1234", porém você pode ter um Pod e um Deployment ambos com o nome "myapp-1234".

Para atributos não únicos providenciados por usuário, Kubernetes providencia labels e annotations.

Nomes

Recursos Kubernetes podem ter nomes com até 253 caracteres. Os caracteres permitidos em nomes são: dígitos (0-9), letras minúsculas (a-z), -, e ..

A seguir, um exemplo para um Pod chamado nginx-demo.

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: nginx-demo
spec:
  containers:
  - name: nginx
    image: nginx:1.7.9
    ports:
    - containerPort: 80

UIDs

Kubernetes UIDs são identificadores únicos universais (também chamados de UUIDs). UUIDs utilizam padrões ISO/IEC 9834-8 e ITU-T X.667.

Próximos passos

• Leia sobre labels em Kubernetes.
• Consulte o documento de design Identificadores e Nomes em Kubernetes.

3.2 - Namespaces

No Kubernetes, namespaces disponibilizam um mecanismo para isolar grupos de recursos dentro de um único cluster. Nomes de recursos precisam ser únicos dentro de um namespace, porém podem se repetir em diferentes namespaces. Escopos baseados em namespaces são aplicáveis apenas para objetos com namespace (como: Deployments, Services, etc) e não em objetos que abrangem todo o cluster (como: StorageClass, Nodes, PersistentVolumes, etc).

Quando Utilizar Múltiplos Namespaces

Namespaces devem ser utilizados em ambientes com múltiplos usuários espalhados por diversos times ou projetos. Para clusters com poucos ou até algumas dezenas de usuários, você não deveria precisar criar ou pensar a respeito de namespaces. Comece a utilizar namespaces quando você precisar das funcionalidades que eles oferecem.

Namespaces oferecem escopo para nomes. Nomes de recursos precisam ser únicos dentro de um namespace, porém não em diferentes namespaces. Namespaces não podem ser aninhados dentro de outros namespaces e cada recurso Kubernetes pode pertencer à apenas um namespace.

Namespaces nos permitem dividir os recursos do cluster entre diferentes usuários (via resource quota).

Não é necessário utilizar múltiplos namespaces para separar recursos levemente diferentes, como diferentes versões de um mesmo software: use labels para distinguir recursos dentro de um mesmo namespace.

Trabalhando com Namespaces

Criação e eliminação de namespaces estão descritas na documentação de namespaces do guia de administradores.

Visualizando namespaces

Você pode obter uma lista dos namespaces atuais dentro de um cluster com:

kubectl get namespace

NAME              STATUS   AGE
default           Active   1d
kube-node-lease   Active   1d
kube-public       Active   1d
kube-system       Active   1d

O Kubernetes é inicializado com quatro namespaces:

• default O namespace padrão para objetos sem namespace
• kube-system O namespace para objetos criados pelo sistema Kubernetes
• kube-public Este namespace é criado automaticamente e é legível por todos os usuários (incluindo usuários não autenticados). Este namespace é reservado principalmente para uso do cluster, no caso de alguns recursos que precisem ser visíveis e legíveis publicamente por todo o cluster. O aspecto público deste namespace é apenas uma convenção, não um requisito.
• kube-node-lease Este namespace contém os objetos de Lease associados com cada node. Node leases permitem que o kubelet envie heartbeats para que a camada de gerenciamento detecte falhas nos nodes.

Preparando o namespace para uma requisição

Para preparar o namespace para a requisição atual, utilize o parâmetro --namespace. Por exemplo:

kubectl run nginx --image=nginx --namespace=<insert-namespace-name-here>
kubectl get pods --namespace=<insert-namespace-name-here>

Configurando a preferência de namespaces

Você pode salvar permanentemente o namespace para todos os comandos kubectl subsequentes no mesmo contexto:

kubectl config set-context --current --namespace=<insert-namespace-name-here>
# Validando
kubectl config view --minify | grep namespace:

Namespaces e DNS

Quando você cria um Serviço, ele cria uma entrada DNS correspondente. Esta entrada possui o formato: <service-name>.<namespace-name>.svc.cluster.local, de forma que se um contêiner utilizar apenas <service-name> ele será resolvido para um serviço que é local ao namespace. Isso é útil para utilizar a mesma configuração em vários namespaces, por exemplo em Desenvolvimento, Staging e Produç. Se você quiser acessar múltiplos namespaces, precisará utilizar um Fully Qualified Domain Name (FQDN).

Nem todos os objetos pertencem a algum Namespace

A maior parte dos recursos Kubernetes (como Pods, Services, controladores de replicação e outros) pertencem a algum namespace. Entretanto, recursos de namespaces não pertencem a nenhum namespace. Além deles, recursos de baixo nível, como nodes e persistentVolumes, também não pertencem a nenhum namespace.

Para visualizar quais recursos Kubernetes pertencem ou não a algum namespace, utilize:

# Em um namespace
kubectl api-resources --namespaced=true

# Sem namespace
kubectl api-resources --namespaced=false

Rotulamento Automático

A camada de gerenciamento Kubernetes configura um label imutável kubernetes.io/metadata.name em todos os namespaces se a feature gate NamespaceDefaultLabelName estiver habilitada. O valor do label é o nome do namespace.

Próximos passos

• Leia sobre a criação de um novo namespace.
• Leia sobre a eliminação de um namespace.

3.3 - Seletores de Campos

Os Seletores de Campos permitem que você selecione recursos do Kubernetes baseado no valor de um ou mais campos de um recurso. Seguem alguns exemplos de buscas utilizando seletores de campos:

• metadata.name=my-service
• metadata.namespace!=default
• status.phase=Pending

O comando kubectl, mostrado a seguir, seleciona todos os Pods nos quais o valor do campo status.phase é Running:

kubectl get pods --field-selector status.phase=Running

Campos suportados

Os campos de seleção suportados variam dependendo do tipo de recurso Kubernetes. Todos os tipos de recursos suportam os campos metadata.name e metadata.namespace. Utilizar campos não suportados produz um erro. Como por exemplo:

kubectl get ingress --field-selector foo.bar=baz

Error from server (BadRequest): Unable to find "ingresses" that match label selector "", field selector "foo.bar=baz": "foo.bar" is not a known field selector: only "metadata.name", "metadata.namespace"

Operadores suportados

Você pode utilizar os operadores =, == e != com seletores de campos (= e == significam a mesma coisa). Por exemplo, o comando kubectl a seguir seleciona todos os Kubernetes Services que não estão no namespace default:

kubectl get services  --all-namespaces --field-selector metadata.namespace!=default

Seletores em cadeia

Assim como label e outros tipos de seletores, podem ser utilizados em cadeia através de uma lista separada por vírgula. O comando kubectl a seguir seleciona todos os Pods nos quais status.phase não é igual a Running e spec.restartPolicy é igual a Always

kubectl get pods --field-selector=status.phase!=Running,spec.restartPolicy=Always

Múltiplos tipos de recursos

Você pode utilizar seletores de campos através de múltiplos tipos de recursos. Por exemplo, o comando kubectl a seguir seleciona todos Statefulsets e Services que não estão presentes no namespace default.

kubectl get statefulsets,services --all-namespaces --field-selector metadata.namespace!=default