کوبرنتیز چیست (Kubernetes) و چرا اینقدر محبوب شده؟

در دنیای فناوری اطلاعات و توسعه نرم‌افزارها، ابزارها و چارچوب‌های بسیاری برای مدیریت و استقرار اپلیکیشن‌ها روی کار آمده‌اند. در میان این ابزارها، کوبرنتیز (Kubernetes) به عنوان یکی از محبوب‌ترین پلتفرم‌های مدیریت کانتینر به‌‌شدت مورد‌توجه توسعه‌دهندگان قرار گرفته است. کوبرنتیز که ابتدا توسط گوگل توسعه داده شد، به توسعه‌دهندگان و تیم‌های IT این امکان را می‌دهد تا با استفاده از زیرساختی خودکار، اپلیکیشن‌های خود را به شکلی ساده و مقیاس‌پذیر، مدیریت و اجرا کنند. کوبرنتیز با رویکرد خاص خود در مدیریت کانتینرها، نیازهای پیچیده‌ی سازمان‌ها در خصوص مقیاس‌پذیری و انعطاف‌پذیری را به‌خوبی پاسخ می‌دهد. در این مقاله از وبلاگ ایران سرور خواهیم گفت کوبرنتیز چیست و چرا تا این میزان محبوب شده است؟ 

کوبرنتیز چیست؟

Kubernetes، که به اختصار K8s نیز نامیده می‌شود، پلتفرمی منبع‌باز (open-source) برای مدیریت و هماهنگ‌سازی کانتینرها است. این پلتفرم توسعه‌دهندگان را قادر می‌سازد تا اپلیکیشن‌های خود را در محیط‌های مختلف مانند سرورها، حافظه‌های ابری یا حتی دیتاسنترهای محلی اجرا کنند. کوبرنتیز طوری طراحی شده است که بتواند با خودکارسازی عملیات‌های مدیریت اپلیکیشن‌ها، روند توسعه و اجرای آن‌ها را بهینه‌سازی کند. این پلتفرم با امکاناتی مانند تنظیم خودکار (auto-scaling) و تعادل بار (load balancing) به تیم‌های توسعه کمک می‌کند تا با حداقل تلاش، اپلیکیشن‌های خود را مقیاس‌پذیر و پایدار کنند.

یکی از ویژگی‌های اصلی کوبرنتیز، مدیریت کانتینرها در سطح کلاستر (cluster) است؛ یعنی توسعه‌دهندگان می‌توانند به جای تمرکز بر اجرای مستقیم اپلیکیشن‌ها روی ماشین‌های مجازی یا سرورهای فیزیکی، اپلیکیشن‌های خود را به شکل کانتینرهای جداگانه در یک کلاستر کوبرنتیز مستقر کنند و کوبرنتیز مسئولیت مدیریت این کانتینرها، تخصیص منابع و نظارت بر سلامت آن‌ها را بر عهده خواهد داشت. به همین دلیل، توسعه‌دهندگان به‌سادگی می‌توانند به کار اصلی خود که توسعه و بهبود اپلیکیشن است بپردازند.

کوبرنتیز با استفاده از مفاهیمی مانند پاد (Pod)، کوچکترین واحد قابل مدیریت در این پلتفرم و نود (Node) که به ماشین‌های فیزیکی یا مجازی اشاره دارد، ساختار مقیاس‌پذیری از اجرای اپلیکیشن‌ها ایجاد می‌کند. علاوه بر این، کوبرنتیز با ابزارها و تکنولوژی‌های محبوب دیگری مانند داکر (Docker) ادغام می‌شود و این قابلیت را دارد که در محیط‌های مختلف اعم از سرویس‌های ابری عمومی و خصوصی و همچنین دیتاسنترهای محلی استفاده شود. با چنین ویژگی‌هایی که در ادامه بیشتر با آن‌ها آشنا خواهید شد، کوبرنتیز به راه‌حلی جامع برای مدیریت چرخه‌ی عمر اپلیکیشن‌ها تبدیل شده است.

کوبرنتیز چگونه کار می‌کند؟

همانطور که گفتیم کوبرنتیز پلتفرمی برای هماهنگ‌سازی کانتینرها است که به تیم‌های توسعه و عملیات اجازه می‌دهد اپلیکیشن‌های خود را به صورت خودکار مدیریت کنند. این پلتفرم از ساختاری به نام کلاستر (Cluster) برای سازماندهی و مدیریت اپلیکیشن‌ها در محیط‌های مختلف استفاده می‌کند. کلاستر کوبرنتیز از چندین نود (Node) که ماشینی فیزیکی یا مجازی است تشکیل شده و هر نود میزبان تعدادی پاد (Pod) است. پادها کوچکترین واحدهای اجرایی در کوبرنتیز هستند و می‌توانند شامل یک یا چند کانتینر باشند. تمام کانتینرها در یک پاد، منابع شبکه و فضای ذخیره‌سازی مشترکی دارند.

بیشتر بخوانید: OpenStack چیست و چه مزایا و معایبی دارد؟

برای درک بهتر، فرض کنید یک اپلیکیشن وب شامل سه سرویس مختلف است: یک سرویس وب، یک سرویس پایگاه‌داده و یک سرویس کش (Cache). هر یک از این سرویس‌ها می‌تواند به صورت کانتینری جداگانه در یک پاد قرار گیرد. کوبرنتیز با استفاده از پادها، کانتینرها را در یک یا چند نود مستقر و منابع مورد نیاز آن‌ها را مدیریت می‌کند. در ادامه با معرفی اجزای کلیدی کوبرنتیز و توضیح در مورد نحوه‌ی عملکرد این پلتفرم، سعی می‌کنیم شناخت شما را نسبت به کوبرنتیز ارتقا دهیم.

معماری کوبرنتیز

مهم‌ترین بخش کوبرنتیز، Control Plane است که مغز متفکر کوبرنتیز محسوب می‌شود و مسئولیت هماهنگ کردن نودها و پادها را دارد. Control Plane خود از بخش‌های API Server و etcd و Controller Manager و Scheduler تشکیل می‌شود.

• API Server به عنوان رابط اصلی کوبرنتیز عمل می‌کند و تمام درخواست‌های کاربران و سیستم‌ها را مدیریت می‌کند. وقتی توسعه‌دهنده‌ای درخواست استقرار اپلیکیشن جدیدی ارسال می‌کند، این درخواست ابتدا به سرور API می‌رود.
• etcd دیتابیسی توزیع‌شده است که تمام داده‌های وضعیت سیستم، شامل نودها، پادها و کانفیگ‌ها را ذخیره می‌کند. هر تغییر یا بروزرسانی که در سیستم ایجاد می‌شود، در etcd ثبت می‌شود.
• Controller Manager مسئول کنترل وضعیت سیستم است و اطمینان حاصل می‌کند که تمام اجزای کلاستر مطابق با تنظیمات مشخص‌شده عمل کنند. برای مثال، اگر تعداد پادها کمتر از حد تعیین‌شده باشد، این بخش دستور می‌دهد که پادهای جدیدی ایجاد شوند.
• Scheduler یا برنامه‌ریز مسئول انتخاب بهترین نود برای اجرای هر پاد است. این بخش وضعیت منابع نودها (مانند پردازنده و حافظه) را بررسی می‌کند و با توجه به آن‌ها تصمیم می‌گیرد که پاد جدید در کدام نود مستقر شود.

بخش مهم دیگر در کوبرنتیز، Worker Nodes (نودهای کاری) هستند. هر کلاستر شامل چندین نود کاری است که کانتینرهای اپلیکیشن را اجرا می‌کنند. این نود‌ها نیز از اجزای مختلفی به‌ نام‌های Kubelet و Container Runtime و Kube-proxy تشکیل شده‌اند که در ادامه آن‌ها را معرفی خواهیم کرد:

• Kubelet سرویسی است که بر روی هر نود اجرا می‌شود و مسئول برقراری ارتباط با Control Plane است. Kubelet اطمینان حاصل می‌کند پادهایی که به آن‌ها نود اختصاص داده شده‌ است، به درستی اجرا شوند.
• Container Runtime بخشی است که کانتینرهای اپلیکیشن را اجرا می‌کند. داکر یکی از موتورهای معروفی است که در کوبرنتیز استفاده می‌شود، اما کوبرنتیز از موتورهای دیگری نیز پشتیبانی می‌کند.
• Kube-proxy مسئول مدیریت شبکه و ارتباطات بین پادها و سرویس‌ها است. Kube-proxy ترافیک شبکه را به پادهای مناسب هدایت و به ارتباطات داخلی بین کانتینرها کمک می‌کند.

نحوه‌ی مدیریت و استقرار پادها

 وقتی توسعه‌دهنده‌ای قصد دارد اپلیکیشنی را در کوبرنتیز مستقر کند، ابتدا مانیفست (Manifest) اپلیکیشن را در قالب یک فایل YAML یا JSON تعریف می‌کند. این فایل شامل اطلاعاتی از قبیل تعداد پادها، کانتینرها، پیکربندی شبکه و منابع مورد نیاز است. به عنوان مثال، مانیفست زیر برای استقرار یک پاد شامل یک کانتینر Nginx است.

apiVersion: v1
kind: Pod
:metadata
  name: nginx-pod
:spec
  :containers
  - name: nginx
    image: nginx:latest
    :ports
    - containerPort: 80

با اجرای این مانیفست از طریق سرور API، کوبرنتیز این اپلیکیشن را در یک نود مناسب مستقر می‌کند. پس از استقرار، کانتینر Nginx در پاد nginx-pod اجرا می‌شود و اگر هرگونه مشکلی پیش آید، کوبرنتیز به طور خودکار آن را بازیابی می‌کند.

برای اطلاعات بیشتر، کد بالا به زبان YAML یا Yet Another Markup Language نوشته شده است. زبانی ساختاریافته و ساده برای تعریف تنظیمات که به‌طور گسترده در ابزارها و سرویس‌های مدرن مانند کوبرنتیز برای توصیف منابع و کانفیگ‌ها استفاده می‌شود.

در کوبرنتیز فایل‌های YAML برای تعریف منابع مختلفی مانند پادها، سرویس‌ها و دپلویمنت‌ها (Deployments) به کار می‌روند. YAML به دلیل خوانایی بالا و ساختار ساده‌ای که دارد، در میان توسعه‌دهندگان بسیار محبوب است.

بیشتر بخوانید: ردیس یا Redis چیست؟ با مزایای فوق‌العاده Redis آشنا شوید!

مزایا و معایب کوبرنتیز چیست؟

کوبرنتیز پلتفرمی قدرتمند و مقیاس‌پذیر برای مدیریت کانتینرها و اپلیکیشن‌ها است، اما به‌دلیل پیچیدگی و نیاز به منابع بالا، پیاده‌سازی و استفاده از آن برای همه سازمان‌ها مناسب نیست؛ از این رو بهتر است در کنار مزایای این پلتفرم محبوب، با معایب آن نیز آشنا شوید. ابتدا به مزایای آن می‌پردازیم.

1. مقیاس‌پذیری خودکار (Auto-scaling)

کوبرنتیز توانایی خودکارسازی مقیاس‌پذیری را دارا است، به این معنی که می‌تواند به طور خودکار تعداد پادها را بر اساس میزان ترافیک یا بار سیستم افزایش یا کاهش دهد. به عنوان مثال، اگر اپلیکیشن وبی که در کوبرنتیز اجرا شده است در زمان اوج ترافیک نیاز به منابع بیشتری داشته باشد، این پلتفرم به‌طور خودکار پادهای بیشتری ایجاد می‌کند تا بتواند بار اضافی را مدیریت کند.

چنین مکانیزمی با استفاده از ابزاری به نام Horizontal Pod Autoscaler (مقیاس‌پذیری افقی پادها) انجام می‌شود. ابزار یادشده تعداد پادها را بر اساس معیارهای مشخصی مانند استفاده از پردازنده و حافظه تنظیم می‌کند. به عنوان مثال، اگر استفاده از CPU از حد مجاز تعریف‌شده فراتر رود، مقیاس‌پذیری افقی فعال می‌شود و تعداد پادها افزایش می‌یابد.

2. انعطاف‌پذیری در استقرار (Flexible Deployment)

کوبرنتیز از مدل‌های استقرار متنوعی مانند بروزرسانی تدریجی (Rolling Updates) و بازگشت به نسخه قبلی (Rollback) پشتیبانی می‌کند. این ویژگی‌ها به تیم‌ها اجازه می‌دهند تا بدون قطعی سرویس، بروزرسانی‌های اپلیکیشن‌ها را انجام دهند و در صورت بروز مشکل، به سرعت به نسخه قبلی برگردند. به این ترتیب، سازمان‌ها می‌توانند با خیال راحت و بدون خطر توقف سرویس، اپلیکیشن‌های خود را به‌‌روز کنند.

3. سازگاری با چندین سرویس ابری و محیط‌های مختلف

کوبرنتیز قابلیت استقرار در محیط‌های ابری چندگانه (Multi-Cloud) و همچنین دیتاسنترهای محلی را دارا است. سازمان‌ها می‌توانند اپلیکیشن‌های خود را به‌راحتی بین سرویس‌های ابری مختلف مانند AWS و Google Cloud و Azure انتقال دهند. این سازگاری، امکان بهینه‌سازی هزینه‌ها و استفاده از بهترین سرویس‌های موجود را فراهم می‌کند.

4. پایدارسازی و بازیابی خودکار (Self-Healing)

یکی از ویژگی‌های کلیدی کوبرنتیز شناسایی خودکار مشکلات و رفع آن‌ها است. اگر یک پاد خراب شود یا کارایی‌اش پایین بیاید، کوبرنتیز به‌طور خودکار آن پاد را مجدداً راه‌اندازی یا پادهای جدیدی را جایگزین می‌کند تا سرویس به حالت پایدار بازگردد.

5. مدیریت منابع کارآمد

کوبرنتیز با تخصیص منابع پردازشی و حافظه به پادها و کانتینرها، به سازمان‌ها کمک می‌کند تا از منابع خود بهینه‌تر استفاده کنند و هزینه‌های زیرساخت را کاهش دهند.

حال با دانستن برخی از کلیدی‌ترین مزایای پلتفرم کوبرنتیز، بد نیست از معایب آن نیز چند مورد را نام ببریم.

6. پیچیدگی در پیاده‌سازی و مدیریت

یکی از معایب کوبرنتیز پیچیدگی بالای آن است. برای پیاده‌سازی و مدیریت یک کلاستر کوبرنتیز، نیاز به دانش تخصصی و تجربه در مدیریت زیرساخت‌ها دارید. به‌دلیل وجود اجزای مختلفی مانند API Server و Scheduler و Controller، مدیریت صحیح این پلتفرم می‌تواند چالش‌برانگیز باشد.

7. نیاز به منابع زیاد

کوبرنتیز برای عملکرد بهینه، نیاز به منابع پردازشی و حافظه‌ی زیادی دارد. این سیستم برای مدیریت موثر خود، معمولاً به تعداد زیادی نود و سرور نیاز دارد که ممکن است برای کسب‌وکارهای کوچک با محدودیت منابع، پرهزینه باشد.

8. پشتیبانی محدود از اپلیکیشن‌های مانونولیتیک

کوبرنتیز بیشتر برای اپلیکیشن‌های میکروسرویس‌محور طراحی شده است. اگر سازمانی از اپلیکیشن‌های بزرگ و مانونولیتیک (برنامه‌های نرم‌افزاری که تمامی اجزای آن‌ها به صورت یکپارچه و در یک واحد کد نوشته شده‌اند) استفاده کند، ممکن است از تمامی مزایای کوبرنتیز بهره‌مند نشود. در این شرایط، استفاده از این پلتفرم ممکن است پیچیدگی‌های اضافی و هزینه‌های بیشتری را بدون بهبود قابل‌توجه به همراه داشته باشد.

9. مشکلات امنیتی پیچیده

کوبرنتیز به دلیل ماهیت پیچیده‌ای که دارد، مستعد حملات امنیتی نیز است. مدیریت صحیح سیاست‌های دسترسی (RBAC)، شبکه‌های داخلی و تأمین امنیت کانتینرها نیازمند دانش و تجربه خاصی است. اگر امنیت به درستی پیکربندی نشود، سیستم می‌تواند در برابر حملات آسیب‌پذیر باشد.

10. نگهداری و بروزرسانی دشوار

بروزرسانی و نگهداری کلاسترهای کوبرنتیز در اکثر مواقع چالش‌برانگیز است. تغییراتی که در نسخه‌های جدید کوبرنتیز اعمال شده ممکن است به ناسازگاری‌های نرم‌افزاری یا پیکربندی منجر شود و تیم‌ها باید با دقت فرآیند بروزرسانی را مدیریت کنند تا جلوی بروز مشکلات را بگیرند.

بیشتر بخوانید: رایانش ابری چیست و چه کاربردی دارد؟ به زبان ساده بخوانید!

داکر یا کوبرنتیز، کدام را انتخاب کنیم؟

کوبرنتیز و داکر که پیش‌تر نام آن را در متن مشاهده کردید، دو فناوری مهم در دنیای کانتینرها هستند، اما هر یک نقش‌های متفاوتی را در اکوسیستم مدیریت کانتینرها ایفا می‌کنند. داکر بیشتر به‌عنوان پلتفرمی برای ساخت، حمل و اجرای کانتینرها شناخته می‌شود. این ابزار به توسعه‌دهندگان کمک می‌کند تا اپلیکیشن‌های خود را به‌صورت قابل‌حمل و ایزوله در محیط‌های مختلف اجرا کنند. به‌عبارت دیگر، داکر بیشتر روی بخش اجرای کانتینرها تمرکز دارد، در حالی که کوبرنتیز مدیریت و هماهنگ‌سازی کانتینرها را در ابعاد بزرگ انجام می‌دهد.

یکی از تفاوت‌های کلیدی میان دو فناوری، در سطح مقیاس‌پذیری آن‌ها است. داکر در محیط‌های کوچک و متوسط که به اجرای کانتینرهای محدود نیاز دارند، عالی عمل می‌کند. اما وقتی تعداد کانتینرها افزایش می‌یابد و نیاز به مدیریت و هماهنگی پیچیده‌تری احساس می‌شود، کوبرنتیز وارد عمل می‌شود. کوبرنتیز با قابلیت‌هایی مانند مقیاس‌پذیری خودکار، استقرار تدریجی و خودترمیمی (Self-Healing) به کاربر اجازه می‌دهد تا کلاسترهایی با صدها یا هزاران کانتینر را به صورت خودکار مدیریت کند.

از منظر استقرار و مدیریت، داکر ساده‌تر است و برای شروع سریع و پیاده‌سازی محیط‌های توسعه بسیار مناسب به‌نظر می‌رسد. ابزارهایی مانند Docker Compose امکان تعریف و استقرار چندین کانتینر به صورت همزمان را فراهم می‌کنند. در مقابل، کوبرنتیز پیچیدگی بیشتری دارد و برای استفاده‌ی بهینه از آن، نیاز به دانش عمیق‌تر و تنظیمات دقیق‌تری وجود دارد. مدیریت کلاسترهای کوبرنتیز شامل مدیریت نودها، شبکه‌ها و سرویس‌ها است که به تجربه و دانش فنی بیشتری نیاز دارد، اما در عین حال قابلیت‌های قدرتمندتری ارائه می‌دهد.

در زمینه‌ی سازگاری، داکر به‌عنوان Container Runtime به خوبی با کوبرنتیز ادغام می‌شود و به‌عنوان موتور اجرای کانتینرها مورد استفاده قرار می‌گیرد. با این حال، کوبرنتیز محدود به داکر نیست و از موتورهای دیگری مانند containerd یا CRI-O نیز پشتیبانی می‌کند. این انعطاف‌پذیری کوبرنتیز به آن اجازه می‌دهد تا با انواع مختلف موتورهای کانتینر کار کند، در حالی که داکر به عنوان سیستمی مستقل، به موتور خودش وابسته است.

بیشتر بخوانید: چگونه داکر را نصب کنیم؟ آموزش نصب داکر روی ویندوز 

جمع‌بندی

کوبرنتیز به‌عنوان پلتفرمی قدرتمند برای مدیریت و هماهنگی کانتینرها، با قابلیت‌های پیشرفته‌ای مانند مقیاس‌پذیری خودکار، بازیابی خودکار و انعطاف‌پذیری در استقرار، توانسته است به یکی از محبوب‌ترین ابزارها در دنیای توسعه و عملیات تبدیل شود.

کوبرنتیز به تیم‌های توسعه اجازه می‌دهد اپلیکیشن‌های خود را در محیط‌های مختلف و حتی سرویس‌های ابری چندگانه با مدیریت ساده‌تر و کارایی بالاتر مستقر کنند. هرچند که پیچیدگی‌های مربوط به پیاده‌سازی و مدیریت کوبرنتیز ممکن است چالش‌هایی برای سازمان‌ها به وجود آورد، مزایای بی‌نظیر آن در مدیریت منابع و اپلیکیشن‌ها، بهبود بهره‌وری و صرفه‌جویی در وقت، باعث شده است سازمان‌های زیادی به سمت استفاده از این ابزار حرکت کنند.

سوالات متداولی که شما می‌پرسید؟

1. آیا کوبرنتیز می‌تواند روی هر پلتفرمی اجرا شود؟

کوبرنتیز سرویسی چندکاره برای مدیریت کانتینر است که می‌تواند روی پلتفرم‌های مختلفی از جمله فضای ابری، محیط‌های محلی و محیط‌های ترکیبی اجرا شود. این سازگاری، پذیرش گسترده‌ی آن و انعطاف‌پذیری در مدیریت انواع بارهای کاری را امکان‌پذیر می‌کند.

2. آیا می‌توان از کوبرنتیز بدون استفاده از داکر استفاده کرد؟

بله، کوبرنتیز محدود به داکر نیست. این سیستم متن‌باز می‌تواند انواع کانتینرها را مدیریت کند و آزادی انتخاب اجرای کانتینر مناسب با نیازهای امنیتی و عملکردی شما را فراهم می‌آورد.

3. آیا کوبرنتیز فقط برای اپلیکیشن‌های در مقیاس بزرگ است؟

کوبرنتیز به صورت کارآمد اپلیکیشن‌هایی با هر اندازه را مدیریت می‌کند. این پلتفرم طوری طراحی شده است که با زیرساخت شما مقیاس‌پذیری داشته باشد و برای کسب‌وکارهای کوچک و شرکت‌های بزرگ مناسب است.

4. آیا کوبرنتیز فقط برای اپلیکیشن‌های مبتنی بر معماری میکروسرویس‌ها است؟

اگرچه کوبرنتیز در مدیریت معماری‌های میکروسرویس عملکرد بسیار خوبی دارد، اما محدود به آن‌ها نیست. شما می‌توانید اپلیکیشن‌های مونو‌لیتی (یکپارچه)، کارهای دسته‌ای و انواع دیگر بارهای کاری را با استفاده از ویژگی‌های قدرتمند مدیریت سرویس کوبرنتیز مدیریت کنید اما چنین اقداماتی نیازمند دانش فنی بالایی هستند.

5. کوبرنتیز چگونه امنیت اپلیکیشن‌ها را بهبود می‌بخشد؟

کوبرنتیز با خودکارسازی بروزرسانی‌ها و وصله‌ها، مدیریت کارآمد و جداسازی بارهای کاری مختلف در داخل کلاستر، امنیت موجود را تقویت می‌کند. این اقدامات به حفظ یکپارچگی و محرمانگی اپلیکیشن‌ها کمک زیادی می‌کنند.

6. آیا کوبرنتیز می‌تواند اپلیکیشن‌های حالت‌دار (stateful) را مدیریت کند؟

بله، کوبرنتیز می‌تواند اپلیکیشن‌های حالت‌دار را از طریق گزینه‌های ذخیره‌سازی پایدار و قابلیت‌های قدرتمند مدیریت داده‌ها مدیریت کند و اطمینان می‌دهد که اپلیکیشن‌ها به‌درستی اجرا می‌شوند و وضعیت خود را حفظ می‌کنند.

7. آیا کوبرنتیز پلتفرم پیچیده‌ای محسوب می‌شود؟

کوبرنتیز به‌دلیل منحنی یادگیری بالا، به‌ویژه به خاطر پیچیدگی هماهنگ‌سازی کانتینرها، مدیریت کلاستر و تنظیمات شبکه، به‌عنوان پلتفرم پیچیده‌ای شناخته می‌شود. با این حال، پلتفرم‌هایی مانند Qovery تجربه‌ی استفاده از کوبرنتیز را ساده‌تر می‌کنند و پیچیدگی‌های آن را پوشش می‌دهند تا توسعه‌دهندگان بتوانند بدون درگیر شدن با جزئیات زیرساخت کوبرنتیز، روی استقرار و مدیریت اپلیکیشن‌ها تمرکز کنند.

منابع:

medium

 redhat

 cloud.google

kubernetes