کوبرنتیس چیست؟ چگونه کار می کند؟
سرعت تغییرات فناوری و پیچیدگی مدیریت زیرساختها در دنیای کسبوکارهای دیجیتال به حدی رسیده که دیگر نمیتوانیم تنها به روشهای سنتی اکتفا کنیم. سازمانها برای حفظ بهرهوری و رقابتپذیری، به ابزارها و فناوریهایی نیاز دارند که بتوانند فرآیندهای را بهینه و مدیریت زیرساختها را ساده کنند. یکی از مهمترین این فناوریها، کوبرنتیس است؛ ابزاری که به شما کمک میکند اپلیکیشنهای خود را با کارایی بالا و بدون دردسر مدیریت کنید.
اما کوبرنتیس چیست؟ چرا در سالهای اخیر این فناوری به یکی از پایههای اصلی زیرساختهای مدرن تبدیل شدهاست؟ چگونه میتوانیم آن را به بهترین شکل در کسبوکارمان به کار بگیریم؟ در این مقاله فالنیک، هدف ما این است به زبان ساده بگوییم کوبرنتیز چیست؟ چگونه میتواند فرآیندها را بهینه کند و چرا پیادهسازی آن بدون کمک متخصصان یا استفاده از خدمات مشاوره شبکه چالشبرانگیز است. همچنین به ارتباط نزدیک کوبرنتیس با خدمات مجازیسازی شبکه میپردازیم تا ببینید چگونه این فناوریها دستبهدست هم میدهند تا مدیریت زیرساختهای فناوری به تجربهای هوشمندانه و کارآمد تبدیل شود.
کوبرنتیس چیست؟
کوبرنتیس یا کوبرنتیز (Kubernetes) به اختصارK8s ، پلتفرمی متنباز، پرتابل و قابلتوسعه است که برای مدیریت و ارکستراسیون برنامههای کانتینری طراحی شدهاست. برای درک کوبرنتیز چیست؟ تصور کنید یک رستوران شلوغ با آشپزهای زیادی دارید. هر آشپز یک ظرف خاص را آماده میکند و همه این ظرفها باید هماهنگ با هم سرو شوند. حالا فرض کنید این رستوران به جای غذا، برنامههای نرمافزاری مختلف را سرو میکند. هر برنامه مثل یک ظرف غذا، وظیفه خاصی دارد و باید با بقیه برنامهها بهخوبی کار کند.
کوبرنتیس مثل یک مدیر ماهر در این رستوران عمل میکند. او به همه آشپزها (یا همان برنامهها) میگوید کجا کار کنند، چه مقدار مواد اولیه (یا همان منابع سیستم) به آنها بدهد و چگونه با هم هماهنگ باشند. با کمک کوبرنتیس، میتوانید بهراحتی برنامههای خود را مدیریت کنید، آنها را مقیاسپذیر کنید (یعنی تعداد آنها را کم یا زیاد کنید) و مطمئن شوید که همیشه بهخوبی کار میکنند.
به زبان فنیتر، کوبرنتیس یک پلتفرم متنباز برای مدیریت خوشههای کانتینری است. کانتینرها مثل جعبههای کوچکی هستند که برنامههای نرمافزاری را در خود نگه میدارند. کوبرنتیس این جعبهها را مدیریت و آنها را به صورت خودکار در سرورهای مختلف توزیع میکند.
کوبرنتیس ابتدا به عنوان یک پروژه داخلی در گوگل با هدف مدیریت هزاران سرور و اجرای میلیونها کانتینر آغاز به کار کرد. با توجه به موفقیت این پروژه، گوگل تصمیم گرفت کوبرنتیس را به عنوان یک پروژه متنباز منتشر کند تا جامعه توسعهدهندگان بتوانند در توسعه و بهبود آن مشارکت کنند. از آن زمان، کوبرنتیس به سرعت به یکی از محبوبترین پلتفرمهای مدیریت کانتینر در جهان تبدیل شده و نقش مهمی در انقلاب کانتینرها ایفا کرده است.
برای آشنایی با انواع مجازی سازی مطالعه مقاله فرآیند مجازی سازی چیست را پیشنهاد میکنیم.
آشنایی با مفهوم کانتینر
برای اینکه بهتر مفهوم کوبرنتیز (Kubernetes) چیست؟ را درک کنید، بهتر است ابتدا با مفهوم کانتینر آشنا شوید. تصور کنید یک جعبه بستهبندی شده دارید. درون این جعبه، همه چیزهایی که برای راهاندازی یک برنامه خاص نیاز است، قرار دارد: کد برنامه، کتابخانهها، تنظیمات و… . این جعبه، همان کانتینر است. به زبان سادهتر، کانتینر یک واحد بستهبندی نرمافزاری است. هر کانتینر، یک برنامه را به همراه همه وابستگیهای آن در خود جای میدهد. این کار باعث میشود که برنامه به صورت مستقل و پرتابل در هر محیطی اجرا شود، بدون اینکه نگران ناسازگاریها یا مشکلات مربوط به محیط اجرا باشیم.
کوبرنتیس را میتوانیم به عنوان یک مدیر اُرکستر برای کانتینرها در نظر بگیریم. این ابزار قدرتمند، به شما کمک میکند تا هزاران کانتینر را به صورت خودکار و مقیاسپذیر مدیریت کنید. کوبرنتیس وظایفی مانند توزیع کانتینرها روی سرورهای مختلف، نظارت بر سلامت آنها و مقیاسبندی خودکار آنها را نیز بر عهده میگیرد. برای آشنایی بیشتر با این مفهوم خواندن مقاله کانتینر چیست را از دست ندهید.
معرفی مؤلفههای پایه کوبرنتیس
حالا که تعریف کوبرنتیز را درک کردیم، قبل از آشنایی با نحوه کار آن باید اجزای کوبرنتیز را بشناسیم. پس یک ارکستر بزرگ با صدها نوازنده را در نظر بگیرید. هر نوازنده یک ابزار موسیقی خاص مینوازد و همه آنها باید با هم هماهنگ باشند تا یک سمفونی زیبا را اجرا کنند. کوبرنتیس هم دقیقا همین کار را برای برنامههای نرمافزاری انجام میدهد. این ابزار قدرتمند، به شما کمک میکند تا هزاران برنامه را به صورت خودکار و مقیاسپذیر مدیریت کنید.
کوبرنتیس از مجموعهای از مؤلفههای کلیدی تشکیل شدهاست که با هم کار میکنند تا یک محیط پایدار و مقیاسپذیر برای اجرای برنامههای شما فراهم کنند. این اجزا مانند قطعات یک پازل هستند که در کنار هم تصوییر کامل را شکل میدهند:
اجزای اصلی کوبرنتیس
- صفحه کنترل (Control Plane): مغز متفکر کوبرنتیس است که بر کل سیستم نظارت دارد و تصمیمگیریهای مهم را انجام میدهد. اجزای اصلی صفحه کنترل عبارتند از:
- kube-apiserver: درگاه اصلی برای ارتباط با خوشه کوبرنتیس است. تمام درخواستها از طریق این مؤلفه پردازش میشوند.
- etcd: یک پایگاه داده توزیع شدهاست که تمام اطلاعات مربوط به وضعیت خوشه را در خود ذخیره میکند.
- kube-scheduler: وظیفه تخصیص برنامهها به گرههای مختلف خوشه را بر عهده دارد.
- kube-controller-manager: مجموعهای از کنترلرهاست که وظایف مختلفی مانند اطمینان از وجود تعداد مشخصی از برنامهها یا مدیریت حجمها را انجام میدهند.
- گرههای کارگر (Worker Nodes): این گرهها وظیفه اجرای برنامهها را بر عهده دارند. هر گره شامل یک یا چند پاد است که برنامهها در داخل آنها اجرا میشوند.
- سرویس (Service): یک لایه انتزاعی برای دسترسی به پادهاست و به شما امکان میدهد تا بدون دانستن آدرس IP دقیق یک پاد، به آن متصل شوید.
- Deployment: یک شی در کوبرنتیس است که برای تعریف و مدیریت تعداد مورد نظر از پادهای یک برنامه استفاده میشود.
سایر مفاهیم مهم در کوبرنتیس
- Namespace: مکانیزمی برای ایزوله کردن منابع در خوشه کوبرنتیس است.
- Volume: یک شی قابل اتصال است که میتواند برای ذخیره سازی دادههای پایدار استفاده شود.
- ConfigMap: یک شی برای نگهداری اطلاعات پیکربندی است.
- Secret: یک شی برای نگهداری اطلاعات حساس مانند رمزهای عبور است.
اصطلاحات رایج در کوبرنتیس
برای درک بهتر نحوه کار کوبرنتیس و نحوه استقرار برنامهها در آن، درک اصطلاحات زیر میتواند کمک کننده باشد:
کلاستر
پایه و اساس کوبرنتیس است. برنامههای کانتینری شده روی کلاسترها اجرا میشوند. یک کلاستر مجموعهای از ماشینهاست که برنامهها روی آنها مدیریت و اجرا میشوند. منظور از «ماشین» یک ماشین فیزیکی (server) یا یک ماشین مجازی(virtual machine) است که در محیطی مانند کلاستر کوبرنتیس استفاده میشود. به عبارت دیگر، ماشینها همان نودها هستند که در کلاستر کوبرنتیس قرار دارند و منابع لازم برای اجرای کانتینرها را تأمین میکنند. این ماشینها ممکن است در یک دیتاسنتر فیزیکی یا روی پلتفرمهای ابری مانند AWS،GCP یا Azure باشند.
نود
ماشینهای کاری که کلاسترها را تشکیل میدهند؛ به معنای دقیقتر به هر یک از سرورهایی که در خوشه کوبرنتیس شرکت میکنند، نود گفته میشود.
پاد
گروهی از کانتینرها که روی یک ماشین میزبان یکسان بهطور همزمان مستقر میشوند. در کوبرنتیس، پاد کوچکترین واحد اجرایی است. یک پاد میتواند شامل یک یا چند کانتینر باشد که منابع را با یکدیگر به اشتراک میگذارند (مانند IP آدرس، فضای ذخیرهسازی و … .) وقتی شما یک برنامه را در کوبرنتیس اجرا میکنید، این برنامه در قالب پاد مستقر میشود. کوبرنتیس بهطور خودکار پادها را روی نودهای مختلف کلاستر توزیع میکند تا بار کاری بهدرستی انجام شود.
Replication controller
مفهومی انتزاعی برای مدیریت چرخه عمر پادها
Selector
سیستم تطبیقی که برای پیدا کردن و طبقهبندی منابع خاص استفاده میشود.
Label
جفتهای مقداری که برای فیلتر کردن، سازماندهی و انجام عملیات گروهی روی مجموعهای از منابع به کار میروند.
Annotation
برچسبی با ظرفیت دادهای بسیار زیاد
Ingress
شی رابط برنامهنویسی کاربردی (API) که دسترسی خارجی به سرویسهای موجود در یک کلاستر را کنترل میکند – اغلب HTTP- این سیستم امکاناتی مانند میزبانی مجازی مبتنی بر نام، بارگذاری متوازن و لایه امنیتی اتصالات (SSL) را فراهم میکند..
کوبرنتیس چگونه کار میکند؟
کوبرنتیس ابزاری برای مدیریت برنامههای کانتینری است که از کلاستری شامل یک کنترل پلین (Control Plane) و چند نود کاری تشکیل شدهاست. کنترل پلین مدیریت کلاستر را بر عهده دارد، از طریق API Server رابط کاربری فراهم میکند و به هر نوع فعالیت یا تغییر در کلاستر (Cluster Events) واکنش نشان میدهد.
نودهای کاری کوچکترین واحد اجرایی هستند که شامل یک یا چند کانتینرند و مسئول اجرای پادها هستند. کانتینرها برنامهها را بهصورت بستههای قابل حمل اجرا میکنند. این معماری امکان استقرار، مقیاسگذاری و مدیریت خودکار برنامهها در محیطهای مختلف، از جمله سرورهای فیزیکی یا مجازی و پلتفرمهای ابری را فراهم میکند. در ادامه بهطور کلی نحوه کار این پلتفرم را توضیح میدهیم:
- ایجاد خوشه: ابتدا یک خوشه کوبرنتیس ایجاد میشود که شامل چندین گره است.
- تعریف برنامهها: برنامههای شما به صورت فایلهای YAML یا JSON تعریف میشوند. این فایلها حاوی اطلاعاتی مانند تعداد کپیهای مورد نیاز از هر برنامه، منابع مورد نیاز(CPU، حافظه و … ) هستند.
- استقرار برنامهها: با استفاده از دستور kubectl apply، فایلهای تعریف برنامهها به خوشه ارسال میشوند.
- تخصیص منابع: kube-scheduler وظیفه تخصیص منابع (CPU، حافظه و … ) و قرار دادن پادها روی گرههای مناسب را بر عهده دارد.
- مدیریت برنامهها: کوبرنتیس به صورت خودکار برنامهها را نظارت میکند و در صورت بروز مشکل، آنها را بازیابی میکند. همچنین، کوبرنتیس میتواند به صورت خودکار تعداد پادها را افزایش یا کاهش دهد تا با تغییرات در بار کاری سازگار شود.
مزایای کوبرنتیز
کوبرنتیز با ارائه امکانات مدیریتی، نظارتی، مقیاسپذیریی، امنیتی و قابلیت اطمینان بالا، به توسعهدهندگان و سازمانها کمک میکند تا برنامههای خود را به صورت کارآمد، مقیاسپذیر و قابل اعتماد اجرا کنند، از مهمترین مزایای کوبرنتیز باید به موارد زیر اشاره کنیم:
استقرار آسان (Deployment)
با کوبرنتیس میتوانید وضعیتهای مطلوب برای استقرار کانتینرها را تنظیم و تغییر دهید. شما میتوانید نمونههای جدید کانتینر را ایجاد کرده، کانتینرهای موجود را به آنها منتقل و نمونههای قدیمی را حذف کنید. همچنین تیمهای DevOps میتوانند از کوبرنتیس برای تنظیم سیاستهای خودکارسازی، مقیاسپذیری و تابآوری برنامهها استفاده و تغییرات کد را سریعاً اعمال کنند.
نظارت مداوم (Monitoring)
کوبرنتیس بهطور مداوم وضعیت سلامت کانتینرها را بررسی کرده و کانتینرهای خراب را دوباره راهاندازی و کانتینرهای غیرقابل پاسخ را حذف میکند.
توزیع متوازن بار (Load Balancing)
کوبرنتیس برای توزیع ترافیک میان چندین نمونه کانتینر از ویژگی بارگذاری متوازن استفاده میکند.
مدیریت ذخیرهسازی متنوع (Storage)
کوبرنتیس میتواند انواع مختلفی از ذخیرهسازی از ذخیرهسازی محلی تا منابع ابری را برای دادههای کانتینر مدیریت کند.
بهینهسازی منابع (Optimization)
کوبرنتیس قابلیتهای هوشمندانهای برای بهینهسازی منابع دارد. این سیستم میتواند نودهای کاری موجود را شناسایی کرده و کانتینرها را بهطور خودکار براساس نیازهای منابع، روی این نودها قرار دهد.
امنیت (Security)
کوبرنتیس برای مدیریت اطلاعات حساس مانند پسوردها، توکنها، مجوزهای SSH و دیگر اطلاعات امنیتی استفاده میشود.
دسترسپذیری (Availability)
با راهاندازی مجدد خودکار کانتینرهای خراب یا برنامهریزی مجدد آنها روی گرههای سالم، دسترسیپذیری بالا را تضمین میکند.
متنباز و قابل توسعه (Open Source)
کوبرنتیس یک پروژه منبع باز در حال توسعه و بهبود است و توسعهدهندگان و سازمانهای مختلف میتوانند در توسعه آن مشارکت کنند.
کاربردهای Kubernetes چیست؟
کوبرنتیس به سازمانها کمک میکند تا برنامههای خود را به صورت آسانتر، سریعتر، ایمنتر و با قابلیت اطمینان بیشتری اجرا و مدیریت کنند. کاربردهای Kubernetes عبارتند از:
هماهنگی کانتینرها: کوبرنتیس بهطور خودکار استقرار، مقیاسبندی و مدیریت برنامههای کانتینری را انجام میدهد و به توسعهدهندگان اجازه میدهد تا روی نوشتن کد تمرکز کنند و نه مدیریت زیرساخت.
بهبود شناسایی سرویس: سازمانها میتوانند با استفاده از کوبرنتیس، سرویسهای کانتینری را در یک شبکه بهطور خودکار شناسایی و تنظیم کنند.
مدیریت ابرهای ترکیبی و چند ابری: کسبوکارها با کوبرنتیس میتوانند بارهای کاری را از محیطهای داخلی به ابر و بین چندین ابر منتقل کنند و میزبانی نودها در ابرهای مختلف یا مناطق گوناگون، انعطافپذیری و مقاومت بیشتری برای کسبوکارها فراهم میکند.
گسترش گزینههای PaaS: کوبرنتیس میتواند از بارهای کاری سرورلس پشتیبانی کند و به بهبود قابلیتهای پلتفرم بهعنوان سرویس (PaaS) کمک کند. این موضوع میتواند شامل مقیاسپذیری بهتر، هزینههای پایینتر و مدلهای پرداخت دقیقتر باشد.
مدیریت بارهای کاری دادهمحور: با استفاده از خدماتی مانند Google Cloud Dataproc، تیمهای IT میتوانند برنامههای تجزیهوتحلیل داده در مقیاس بزرگ مانند Apache Spark را اجرا کنند.
گسترش محاسبات لبه (Edge Computing): سازمانهایی که از کوبرنتیس در مراکز داده و ابرها استفاده میکنند، میتوانند این قابلیتها را به محیطهای رایانش مرزی گسترش دهند. این محیطها ممکن است شامل مزارع سرور کوچک خارج از مراکز داده سنتی یا سیستمهای اینترنت اشیا (IoT) صنعتی باشند.
معماری میکروسرویسها: کوبرنتیس بهطور مداوم سیستمهای مبتنی بر میکروسرویس را میزبانی میکند. این پلتفرم ابزارهای لازم برای مدیریت چالشهای بزرگ معماری میکروسرویس مانند تحمل خطا، متعادلسازی بار و کشف سرویسها را فراهم میآورد.
پشتیبانی از شیوههای DevOps: کوبرنتیس نقش کلیدی در شیوههای DevOps دارد. این پلتفرم با پشتیبانی از خطوط توسعه و استقرار مداوم (CI/CD)، امکان توسعه سریعتر و کارآمدتر نرمافزارها را فراهم میکند.
چرا به کوبرنتیس نیاز داریم؟
کوبرنتیس ابزاری قدرتمند است که به شما کمک میکند کانتینرها و برنامههای کانتینری خود را به شکلی مقاوم و کارآمد مدیریت کنید. در محیطهای تولیدی (Production) به دلایل زیر کوبرنتیس نیاز داریم:
- امکان شناسایی سرویسها با نام DNS یا آدرس IP
- امکان اتصال خودکار به انواع سیستمهای ذخیرهسازی
- بهینهسازی استفاده از منابع (Bin Packing)
- امکان اجرای پردازشهای دستهای (Batch Execution)و کارهای مرتبط با ادغام مداوم (CI)
- پشتیبانی از IPv4 و IPv6
دیدگاههای نادرست درباره کوبرنتیس
کوبرنتیس یک ابزار بسیار قدرتمند برای مدیریت برنامههای کانتینری است، اما برای استفاده کامل از آن، شما باید درک درستی از محدودیتهای آن داشته باشید. با دانستن اینکه کوبرنتیس چه کاری انجام میدهد و چه کاری انجام نمیدهد، میتوانید تصمیم بگیرید که آیا کوبرنتیس ابزاری مناسب برای نیازهای شما است یا خیر.
- کوبرنتیس یک پلتفرم کامل به عنوان سرویس (PaaS) نیست.
کوبرنتیس یک پلتفرم بهعنوان سرویس (PaaS) سنتی نیست که تمام قابلیتها را یکجا ارائه دهد. در عوض، این سیستم ابزارهایی برای ساخت پلتفرمهای سفارشی فراهم میکند و کاربران را در انتخاب راهکارهای مناسب آزاد میگذارد. شما باید این سرویسها را خودتان فراهم یا از سرویسهای موجود در ابر استفاده کنید.
- کوبرنتیز یک ابزار برای ساخت یا استقرار برنامهها نیست.
کوبرنتیس به شما کمک میکند تا برنامههای آماده را اجرا کنید، اما فرآیند ساخت و استقرار برنامهها را خودکار نمیکند. شما به ابزارهای دیگری مانند سیستمهای CI/CD نیاز دارید تا این کار را انجام دهید.
- یک زبان برنامهنویسی یا یک سیستم پیکربندی نیست
کوبرنتیس یک API فراهم میکند که به شما اجازه میدهد تا منابع خود را تعریف کنید، اما شما آزاد هستید که از هر زبان یا سیستم پیکربندی که میخواهید استفاده کنید.
- یک سیستم عامل کامل نیست
کوبرنتیس روی سیستم عاملهای موجود اجرا میشود و مسئولیت مدیریت سختافزار را بر عهده ندارد.
مقایسه کوبرنتیس و داکر
کوبرنتیس و داکر دو تکنولوژی محبوب در زمینه مدیریت و اجرای کانتینرها هستند، اما اهداف و عملکردهای مختلفی دارند. در اینجا به مقایسه این دو میپردازیم:
1. داکر (Docker)
- وظیفه: داکر یک پلتفرم برای ساخت، ارسال و اجرای کانتینرهاست. این ابزار به توسعهدهندگان کمک میکند تا برنامهها را در یک محیط ایزوله و سبک به نام کانتینر اجرا کنند.
- عملکرد: داکر بهطور خاص برای ایجاد و اجرای کانتینرها طراحی شدهاست. با استفاده از داکر، برنامهها و وابستگیهای آنها میتوانند در کانتینرهای مستقل قرار بگیرند و در هر محیطی اجرا شوند.
- محدودیتها: داکر بهطور مستقیم برای مدیریت چندین کانتینر در مقیاس بزرگ طراحی نشدهاست و فاقد قابلیتهای پیشرفته برای مدیریت چندین سرور یا مقیاسپذیری در سطح کلاستر است.
2. کوبرنتیس (Kubernetes)
- وظیفه: کوبرنتیس یک پلتفرم مدیریت (هماهنگی) کانتینر است که برای اتوماسیون استقرار، مقیاسگذاری و مدیریت کانتینرها طراحی شدهاست.
- عملکرد: کوبرنتیس میتواند چندین کانتینر را در چندین ماشین یا سرور مختلف مدیریت کند و کارهایی مانند مقیاسگذاری خودکار، تعادل بار و بازیابی از خطا را انجام دهد. به عبارت دیگر، کوبرنتیس بهعنوان یک سیستم مدیریتی برای کانتینرها در مقیاس بزرگ عمل میکند.
- محدودیتها: کوبرنتیس بهتنهایی نمیتواند کانتینرها را بسازد یا اجرا کند؛ بلکه برای این منظور به ابزارهایی مانند داکر نیاز دارد.
آنچه در مقاله کوبرنتیس چیست گفتیم
در این مقاله توضیح دادیم که کوبرنتیس (Kubernetes) چیست و چگونه به مدیریت و هماهنگی کانتینرها کمک میکند. این پلتفرم ویژگیهایی مانند مقیاسپذیری، خودکارسازی و بهینهسازی منابع را فراهم میکند. همچنین بررسی کردیم که کوبرنتیس چگونه به سازمانها کمک میکند تا اپلیکیشنهای کانتینری را در محیطهای مختلف از جمله در ابری و محلی، بهطور کارآمدتر مدیریت و مقیاسگذاری کنند.