Kubernetes là gì?

Kubernetes là gì?

Kubernetes — còn được gọi là “k8s” hoặc “kube” — là một nền tảng điều phối bộ chứa “Container Orchestration Platform” để lên lịch và tự động hóa việc triển khai, quản lý và mở rộng quy mô các ứng dụng được chứa trong bộ chứa “Containers”.

Kubernetes lần đầu tiên được phát triển bởi các kỹ sư tại Google trước khi được trở thành mã nguồn mở vào năm 2014. Nó là hậu duệ của Borg, một nền tảng điều phối bộ chứa được sử dụng nội bộ tại Google. Kubernetes trong tiếng Hy Lạp có nghĩa là người lái thuyền hoặc phi công, do đó, trong logo Kubernetes có biểu tượng bánh lái  (liên kết nằm bên ngoài ibm.com).

Ngày nay, Kubernetes và hệ sinh thái bộ chứa rộng lớn hơn đang phát triển thành một hệ sinh thái và nền tảng điện toán đa năng có thể cạnh tranh — nếu không muốn nói là vượt qua — máy ảo (VM) với tư cách là khối xây dựng cơ bản của cơ sở hạ tầng và ứng dụng đám mây hiện đại. Hệ sinh thái này cho phép các tổ chức cung cấp Nền tảng dưới dạng dịch vụ (Platform-as-a-Service, viết tắt là PaaS) năng suất cao, giải quyết nhiều nhiệm vụ liên quan đến cơ sở hạ tầng và liên quan đến hoạt động cũng như các vấn đề xung quanh quá trình phát triển trên nền tảng đám mây để các nhóm phát triển có thể chỉ tập trung vào mã hóa và đổi mới.

Container là gì?

Container (dịch sang tiếng Việt là bộ chứa hoặc vùng chứa) là các thành phần ứng dụng nhẹ, có thể thực thi, kết hợp mã nguồn ứng dụng với tất cả các thư viện hệ điều hành (OS) và các thành phần phụ thuộc cần thiết để chạy mã code trong bất kỳ môi trường nào.

Bộ chứa “Containers” tận dụng một dạng ảo hóa “virtualization” hệ điều hành (OS) cho phép nhiều ứng dụng chia sẻ một phiên bản duy nhất của hệ điều hành bằng cách cô lập các quy trình và kiểm soát lượng CPU, bộ nhớ và ổ đĩa mà các quy trình đó có thể truy cập. Vì chúng nhỏ hơn, tiết kiệm tài nguyên hơn và di động hơn so với máy ảo (VM - Virtual Machines), nên các bộ chứa đã trở thành đơn vị tính toán trên thực tế của các ứng dụng gốc trên nền tảng đám mây “Cloud-Nativa applications” hiện đại.

Trong một nghiên cứu gần đây của IBM (PDF, 1,4 MB), người dùng đã báo cáo một số lợi ích kinh doanh và kỹ thuật cụ thể do họ áp dụng các bộ chứa và các công nghệ liên quan.

Container & Máy ảo & Cơ sở hạ tầng truyền thống

Có thể dễ dàng hơn hoặc hữu ích hơn nếu hiểu các bộ chứa “container” là điểm mới nhất trong quá trình trừu tượng hóa và tự động hóa cơ sở hạ tầng CNTT liên tục.

Trong cơ sở hạ tầng truyền thống, các ứng dụng chạy trên một máy chủ vật lý và lấy tất cả các tài nguyên mà chúng có thể lấy được. Điều này cho phép bạn lựa chọn chạy nhiều ứng dụng trên một máy chủ và hy vọng một máy chủ không chiếm dụng tài nguyên của các máy chủ khác hoặc dành riêng một máy chủ cho mỗi ứng dụng, điều này gây lãng phí tài nguyên và không mở rộng quy mô.

Máy ảo (VM - Virtual machines) là các máy chủ được trừu tượng hóa từ phần cứng máy tính thực tế, cho phép bạn chạy nhiều VM trên một máy chủ vật lý hoặc một VM duy nhất mở rộng trên nhiều máy chủ vật lý. Mỗi máy ảo chạy phiên bản hệ điều hành riêng và bạn có thể cách ly từng ứng dụng trong máy ảo riêng của mình, giảm khả năng các ứng dụng chạy trên cùng một phần cứng vật lý cơ bản sẽ tác động lẫn nhau. Máy ảo sử dụng tài nguyên tốt hơn và mở rộng quy mô dễ dàng và tiết kiệm chi phí hơn nhiều so với cơ sở hạ tầng truyền thống. Và, chúng chỉ dùng một lần — khi bạn không cần chạy ứng dụng nữa, bạn gỡ VM là xong.

Để biết thêm thông tin về khái niệm máy ảo, hãy xem bài viết "Máy ảo là gì?"

Các bộ chứa container đưa sự trừu tượng hóa này lên một cấp độ cao hơn—đặc biệt, ngoài việc chia sẻ phần cứng ảo hóa cơ bản, chúng còn chia sẻ một nhân hệ điều hành “OS kernel” ảo hóa cơ bản. Các bộ chứa container cung cấp khả năng cách ly, khả năng mở rộng và khả năng dùng một lần giống như các máy ảo, nhưng vì chúng không mang trọng tải của phiên bản hệ điều hành riêng nên chúng có trọng lượng nhẹ hơn (nghĩa là chúng chiếm ít dung lượng hơn) so với các máy ảo. Chúng tiết kiệm tài nguyên hơn—chúng cho phép bạn chạy nhiều ứng dụng hơn trên ít máy hơn (ảo và vật lý), với ít phiên bản hệ điều hành hơn. Các bộ chứa container dễ dàng di chuyển hơn trên môi trường máy tính để bàn “Desktop”, trung tâm dữ liệu “Datacenter” và đám mây “Cloud”. Và chúng rất phù hợp với các phương pháp phát triển Agile và DevOps.

"Container là gì?" cung cấp một lời giải thích đầy đủ về container và containerization. Và bài đăng trên blog "Containers & VM: Sự khác biệt là gì?" đưa ra một tóm tắt đầy đủ về sự khác biệt.

Docker là gì?

Docker là công cụ phổ biến nhất để tạo và chạy các bộ chứa Linux® containers. Mặc dù các dạng ban đầu của bộ chứa container đã được giới thiệu từ nhiều thập kỷ trước (với các công nghệ như FreeBSD Jails và AIX Workload Partitions), nhưng các bộ chứa container đã được dân chủ hóa vào năm 2013 khi Docker đưa chúng đến với đại chúng bằng một triển khai mới thân thiện với nhà phát triển và thân thiện với đám mây.

Docker bắt đầu như một dự án nguồn mở, nhưng ngày nay nó còn đề cập đến Docker Inc., công ty sản xuất Docker—một bộ công cụ chứa thương mại được xây dựng trên dự án nguồn mở (và đóng góp những cải tiến đó lại cho cộng đồng nguồn mở).

Docker được xây dựng trên công nghệ bộ chứa Linux Container (LXC) truyền thống, nhưng cho phép ảo hóa chi tiết hơn các quy trình nhân Linux và thêm các tính năng để giúp các nhà phát triển xây dựng, triển khai, quản lý và bảo mật các bộ chứa dễ dàng hơn.

Mặc dù các nền tảng bộ chứa Container Platform thay thế tồn tại ngày nay (chẳng hạn như Open Container Initiative (OCI), CoreOS và Canonical (Ubuntu) LXD), Docker được ưa chuộng rộng rãi đến mức nó hầu như đồng nghĩa với bộ chứa container và đôi khi bị nhầm là đối thủ cạnh tranh với các công nghệ miễn phí như Kubernetes.

Điều phối vùng chứa với Kubernetes

Khi các bộ chứa container phát triển nhanh chóng — ngày nay, một tổ chức có thể có hàng trăm hoặc hàng nghìn bộ chứa — các nhóm vận hành cần thiết để lên lịch và tự động hóa việc triển khai, kết nối mạng, khả năng mở rộng và tính khả dụng của bộ chứa container. Và thế là thị trường điều phối container ra đời.

Trong khi các tùy chọn điều phối vùng chứa khác - đáng chú ý nhất là Docker Swarm và Apache Mesos - đã sớm đạt được một số sức hút, Kubernetes nhanh chóng được áp dụng rộng rãi nhất (trên thực tế, tại một thời điểm, đây là dự án phát triển nhanh nhất trong lịch sử phần mềm nguồn mở) .

Các nhà phát triển đã chọn và tiếp tục chọn Kubernetes vì phạm vi chức năng, hệ sinh thái rộng lớn và đang phát triển của các công cụ hỗ trợ nguồn mở cũng như khả năng hỗ trợ và tính di động của nó trên các nhà cung cấp dịch vụ đám mây. Tất cả các nhà cung cấp đám mây công cộng hàng đầu — bao gồm Amazon Web Services (AWS), Google Cloud, IBM Cloud và Microsoft Azure — đều cung cấp các dịch vụ Kubernetes được quản lý hoàn toàn.

Kubernetes làm gì?

Kubernetes lên lịch và tự động hóa các tác vụ liên quan đến vùng chứa trong suốt vòng đời của ứng dụng, bao gồm:

• Triển khai “Deployment”: Triển khai một số lượng vùng chứa được chỉ định cho một máy chủ được chỉ định và giữ cho chúng chạy ở trạng thái mong muốn.
• Rollouts: Rollouts là một thay đổi đối với việc triển khai. Kubernetes cho phép bạn bắt đầu, tạm dừng, tiếp tục hoặc khôi phục các lần Rollouts.
• Khám phá dịch vụ “Service Discovery”: Kubernetes có thể tự động hiển thị vùng chứa với internet hoặc các vùng chứa khác bằng tên miền DNS hoặc địa chỉ IP.
• Cung phát bộ nhớ “Storage provisioning”: Đặt Kubernetes để gắn bộ nhớ cục bộ hoặc bộ nhớ đám mây liên tục cho các bộ chứa container của bạn khi cần.
• Cân bằng tải “Load Balancing”: Dựa trên mức sử dụng CPU hoặc số liệu tùy chỉnh, cân bằng tải Kubernetes có thể phân phối khối lượng công việc trên mạng để duy trì hiệu suất và sự ổn định.
• Tự động thay đổi quy mô “Autoscaling”: Khi lưu lượng truy cập tăng đột biến, tính năng tự động thay đổi quy mô của Kubernetes có thể tạo ra các cụm mới khi cần để xử lý khối lượng công việc bổ sung.
• Tự phục hồi để có tính sẵn sàng cao “Self-healing for high availability”: Khi một bộ chứa bị lỗi, Kubernetes có thể tự động khởi động lại hoặc thay thế bộ chứa đó để tránh thời gian chết. Nó cũng có thể loại bỏ các bộ chứa container không đáp ứng các yêu cầu kiểm tra sức khỏe của bạn.

Kubernetes so với Docker

Nếu bạn đã đọc đến đây, bạn đã hiểu rằng mặc dù Kubernetes là một giải pháp thay thế cho Docker Swarm, nhưng nó không phải là một đối thủ cạnh tranh với chính Docker.

Trên thực tế, nếu bạn đã nhiệt tình áp dụng Docker và đang tạo triển khai vùng chứa dựa trên Docker quy mô lớn, thì việc điều phối Kubernetes là bước tiếp theo hợp lý để quản lý các khối lượng công việc này.

Kiến trúc Kubernetes Architecture
 

Các thành phần chính của kiến trúc Kubernetes architecture bao gồm:

Cụm và nút (điện toán)

Các cụm “Clusters” là các khối xây dựng của kiến trúc Kubernetes architecture. Các cụm được tạo thành từ các nút “node”, mỗi nút đại diện cho một máy chủ điện toán duy nhất (máy ảo hoặc máy vật lý).

Mỗi cụm bao gồm một nút chính “master node” đóng vai trò là kế hoạch kiểm soát cho cụm và nhiều nút công nhân “worker node” triển khai, chạy và quản lý các ứng dụng được chứa trong bộ chứa container. Nút chính chạy dịch vụ lập lịch biểu tự động hóa thời điểm và vị trí các vùng chứa được triển khai dựa trên các yêu cầu triển khai do nhà phát triển thiết lập và khả năng tính toán khả dụng. Mỗi nút công nhân bao gồm công cụ đang được sử dụng để quản lý các bộ chứa container — chẳng hạn như Docker — và một tác nhân phần mềm được gọi là Kubelet nhận và thực thi các lệnh từ nút chính.

Các nhà phát triển quản lý các hoạt động của cụm bằng cách sử dụng kubectl, giao diện dòng lệnh (cli) giao tiếp trực tiếp với API Kubernetes.

Để tìm hiểu sâu hơn về các cụm Kubernetes clusters, hãy đọc: “Kubernetes Clusters: Kiến trúc để phân phối ứng dụng đám mây có kiểm soát, nhanh chóng.”

Pods và triển khai (phần mềm)

Pods (tiếng Việt là Nhóm các bộ chứa container, gọi tắt là nhóm bộ chứa) là nhóm các bộ chứa container chia sẻ cùng tài nguyên điện toán và cùng một mạng. Chúng cũng là đơn vị của khả năng mở rộng trong Kubernetes: nếu một bộ chứa container trong Pods nhận được nhiều lưu lượng truy cập hơn mức nó có thể xử lý, Kubernetes sẽ sao chép nhóm đó sang các nút khác trong cụm. Vì lý do này, nên giữ các nhóm nhỏ gọn để chúng chỉ chứa các bộ chứa container phải chia sẻ tài nguyên.

Việc triển khai kiểm soát việc tạo và trạng thái của ứng dụng được chứa trong vùng chứa và giữ cho ứng dụng đó chạy. Nó chỉ định có bao nhiêu bản sao của một Pods sẽ chạy trên cụm. Nếu một Pod không thành công, quá trình triển khai sẽ tạo một Pod mới.

Lưới dịch vụ Istio

Kubernetes có thể triển khai và mở rộng các nhóm bộ chứa “Pods”, nhưng nó không thể quản lý hoặc tự động định tuyến giữa chúng và không cung cấp bất kỳ công cụ nào để theo dõi, bảo mật hoặc gỡ lỗi các kết nối này. Khi số lượng bộ chứa container trong một cụm tăng lên, số lượng đường dẫn kết nối có thể có giữa chúng sẽ tăng theo cấp số nhân (ví dụ: hai bộ chứa container có hai kết nối tiềm năng, nhưng 10 nhóm có 90), tạo ra cơn ác mộng quản lý và cấu hình tiềm ẩn.

Nhập Istio, một lớp lưới dịch vụ “Service mesh” nguồn mở cho các cụm Kubernetes Clusters. Đối với mỗi cụm Kubernetes Clusters, Istio thêm một bộ chứa sidecar container — về cơ bản là vô hình đối với lập trình viên và quản trị viên — để định cấu hình, giám sát và quản lý tương tác giữa các bộ chứa container khác.

Với Istio, bạn đặt một chính sách duy nhất định cấu hình kết nối giữa các bộ chứa container để bạn không phải định cấu hình từng kết nối riêng lẻ. Điều này làm cho các kết nối giữa các bộ chứa container dễ dàng gỡ lỗi hơn.

Istio cũng cung cấp một bảng điều khiển mà các nhóm DevOps và quản trị viên có thể sử dụng để theo dõi độ trễ, lỗi thời gian trong dịch vụ và các đặc điểm khác của kết nối giữa các vùng chứa. Và, nó được xây dựng trong bảo mật — cụ thể là quản lý danh tính giúp ngăn người dùng trái phép giả mạo lệnh gọi dịch vụ giữa các vùng chứa — và các khả năng xác thực, ủy quyền và kiểm tra (AAA) mà các chuyên gia bảo mật có thể sử dụng để giám sát cụm.

Tìm hiểu thêm về Istio

Knative và Điện toán không máy chủ

Knative (phát âm là 'kay-native') là một nền tảng nguồn mở dựa trên Kubernetes và cung cấp hai loại lợi ích quan trọng cho sự phát triển dựa trên đám mây:

Knative cung cấp một onramp dễ dàng cho Điện toán không máy chủ

Điện toán không máy chủ “Serverless Computing” là một cách triển khai mã code tương đối mới giúp các ứng dụng gốc trên đám mây hiệu quả hơn và tiết kiệm chi phí hơn. Thay vì triển khai một phiên bản mã code liên tục không hoạt động trong khi chờ yêu cầu, serverless hiển thị mã code khi cần — tăng hoặc giảm quy mô mã code khi nhu cầu biến động — và sau đó gỡ mã code xuống khi không sử dụng. Serverless tránh lãng phí năng lực và điện năng tính toán, đồng thời giảm chi phí vì bạn chỉ trả tiền để chạy mã khi mã thực sự chạy.

Knative cho phép các nhà phát triển xây dựng bộ chứa container một lần và chạy bộ chứa container đó dưới dạng dịch vụ phần mềm hoặc dưới dạng chức năng không cần máy chủ. Tất cả đều rõ ràng đối với nhà phát triển: Knative xử lý các chi tiết ở chế độ nền và nhà phát triển có thể tập trung vào mã code của họ.

Knative đơn giản hóa việc phát triển và điều phối bộ chứa container

Đối với nhà phát triển, việc mã hóa bộ chứa yêu cầu nhiều bước lặp đi lặp lại và việc sắp xếp bộ chứa yêu cầu nhiều cấu hình và tập lệnh (chẳng hạn như tạo tệp cấu hình, cài đặt phần phụ thuộc, quản lý ghi nhật ký và theo dõi cũng như viết tập lệnh tích hợp liên tục/triển khai liên tục (CI/CD).)

Knative làm cho các tác vụ này dễ dàng hơn bằng cách tự động hóa chúng thông qua ba thành phần:

• Bản dựng “Build”: Thành phần Bản dựng “Build” của Knative tự động chuyển đổi mã nguồn thành bộ chứa hoặc chức năng gốc trên đám mây. Cụ thể, nó lấy mã code từ kho lưu trữ “repository”, cài đặt các phần phụ thuộc “dependencies” cần thiết, xây dựng ảnh bộ chứa “Container image” và đặt nó vào regitry của bộ chứa “container registry” để các nhà phát triển khác sử dụng. Các nhà phát triển cần chỉ định vị trí của các thành phần này để Knative có thể tìm thấy chúng, nhưng sau khi hoàn thành, Knative sẽ tự động hóa quá trình dựng bản.
• Máy chủ “Server”: Thành phần Máy chủ “Server” chạy các bộ chứa container dưới dạng các dịch vụ có thể mở rộng; nó có thể mở rộng quy mô lên tới hàng nghìn phiên bản bộ chứa “container instances” hoặc giảm tỷ lệ xuống không (được gọi là mở rộng quy mô về 0). Ngoài ra, Máy chủ “Server” có hai tính năng rất hữu ích: cấu hình, giúp lưu các phiên bản của bộ chứa (được gọi là ảnh chụp nhanh “Snapshot”) mỗi khi bạn đẩy bộ chứa container vào sản xuất và cho phép bạn chạy đồng thời các phiên bản đó; và định tuyến dịch vụ, cho phép bạn hướng các lượng lưu lượng truy cập khác nhau đến các phiên bản này. Bạn có thể sử dụng các tính năng này cùng nhau để dần dần triển khai bộ chứa container hoặc để tạo giai đoạn thử nghiệm toàn diện cho ứng dụng được chứa trong bộ chứa container trước khi đưa ứng dụng đó vào sản xuất toàn cầu.
• Sự kiện “Events”: Thành phần Sự kiện “Events” cho phép các sự kiện được chỉ định kích hoạt các dịch vụ hoặc chức năng dựa trên bộ chứa container. Điều này đặc biệt không thể thiếu đối với các khả năng không cần máy chủ của Knative; một cái gì đó cần báo cho hệ thống để đưa ra một chức năng khi cần thiết. Sự kiện cho phép các nhóm thể hiện sự quan tâm đến các loại sự kiện, sau đó, sự kiện sẽ tự động kết nối với nhà sản xuất sự kiện và định tuyến các sự kiện tới bộ chứa container, loại bỏ nhu cầu lập trình các kết nối này.

Tìm hiểu thêm về Knative

Các cam kết Kubernetes GitHub và nhiều bằng chứng về mức độ phổ biến ngày càng tăng

Kubernetes là một trong những dự án nguồn mở phát triển nhanh nhất trong lịch sử và tốc độ tăng trưởng đang tăng tốc. Việc áp dụng tiếp tục tăng cao giữa các nhà phát triển và các công ty sử dụng chúng. Một vài điểm dữ liệu đáng chú ý:

• Tại thời điểm viết bài này, hơn 120.190 cam kết đã được thực hiện đối với kho lưu trữ Kubernetes repository trên GitHub (liên kết nằm bên ngoài ibm.com) — tăng gần 34.000 cam kết trong 18 tháng qua — và có hơn 3.100 người đóng góp tích cực cho dự án. Theo Cloud Native Computing Foundation (CNCF), đã có hơn 148.000 cam kết trên tất cả các kho lưu trữ liên quan đến Kubernetes (bao gồm Kubernetes Dashboard và Kubernetes MiniKube). Bạn có thể đọc tất cả số liệu thống kê tại đây (liên kết nằm bên ngoài ibm.com).
• Hơn 2.000 công ty sử dụng Kubernetes trong kho phần mềm sản xuất của họ. Chúng bao gồm các doanh nghiệp nổi tiếng thế giới như AirBnB, Ancestry, Bose, CapitalOne, Intuit, Nordstrom, Philips, Reddit, Slack, Spotify, Tinder và dĩ nhiên là cả IBM. Đọc những nghiên cứu này và các trường hợp khác (liên kết nằm bên ngoài ibm.com)
• Một cuộc khảo sát năm 2021 được trích dẫn trên tạp chí Container Journal (liên kết nằm bên ngoài ibm.com) cho thấy 68% chuyên gia CNTT đã tăng cường sử dụng Kubernetes trong đại dịch COVID-19.
• Theo ZipRecruiter (liên kết nằm bên ngoài ibm.com), mức lương trung bình hàng năm (ở Bắc Mỹ) cho một công việc liên quan đến Kubernetes là 147.732 USD. Tại thời điểm viết bài này, hiện có hơn 57.000 vị trí liên quan đến Kubernetes được liệt kê trên LinkedIn (liên kết nằm bên ngoài ibm.com), so với 21.000 vị trí được liệt kê chỉ 18 tháng trước.

Hướng dẫn Kubernetes

Nếu bạn đã sẵn sàng bắt đầu làm việc với Kubernetes hoặc đang tìm cách xây dựng kỹ năng của mình với Kubernetes và các công cụ hệ sinh thái Kubernetes, hãy thử một trong các hướng dẫn sau:

• Hướng dẫn Kubernetes: Phòng thí nghiệm thực hành miễn phí có chứng nhận
• Hướng dẫn về Kubernetes: 5 cách giúp bạn xây dựng nhanh chóng
• 8 mẹo và thủ thuật Kubernetes
• Triển khai ứng dụng microservices trên IBM Cloud bằng Kubernetes
• Gỡ lỗi và ghi nhật ký các ứng dụng Kubernetes của bạn
• Mạng Kubernetes: Phòng thí nghiệm về các khái niệm mạng cơ bản
• Istio 101: Phòng thí nghiệm để tìm hiểu cách sử dụng Istio trên Kubernetes (liên kết nằm bên ngoài ibm.com)
• Knative 101: Các bài tập được thiết kế để giúp bạn đạt được sự hiểu biết về Knative

Các giải pháp liên quan

Tham khảo thêm

Nguồn: https://www.ibm.com/topics/kubernetes?lnk=fle