Kubernetes è emerso come uno dei pilastri fondamentali dell'ecosistema IT moderno, grazie alla sua capacità di orchestrare i container in modo efficiente e scalabile. Sviluppato originariamente da Google e poi rilasciato come progetto open source nel 2014, Kubernetes ha trasformato il modo in cui le aziende gestiscono le loro applicazioni, come abbiamo approfondito nella nostra Guida Completa a Kubernetes.
Al cuore di Kubernetes c’è un’architettura progettata per gestire container su larga scala. Un container è un'unità leggera e portatile che racchiude un'applicazione e tutte le sue dipendenze, rendendola eseguibile in maniera coerente su diversi ambienti. Tuttavia, quando si passa dalla gestione di pochi container a centinaia o migliaia, la complessità aumenta esponenzialmente. Qui entra in gioco Kubernetes, che non solo automatizza la distribuzione, il monitoraggio e la gestione dei container, ma fa in modo che l'utilizzo delle risorse sia ottimizzato e che le applicazioni siano sempre disponibili e performanti.
Kubernetes si basa su un'architettura modulare e ben definita, composta da una serie di componenti che lavorano in sinergia per orchestrare i container in modo efficace. Queste componenti svolgono ruoli diversi ma complementari, ed è proprio grazie alla loro interazione che Kubernetes è in grado di garantire automazione, scalabilità e resilienza alle applicazioni moderne. In questo articolo li esploreremo nel dettaglio, iniziando con una rapida panoramica su Control Plane e Worker Nodes, per poi munirci di una lente di ingrandimento e analizzare nel dettaglio i singoli elementi.
Il Control Plane rappresenta il cuore pulsante di Kubernetes, responsabile delle decisioni di gestione e controllo dell'intero cluster. Il suo funzionamento è a lungo rimasto misterioso, tanto da venire percepito quasi “magico” ai suoi esordi, quanto Kubernetes iniziò a diffondersi al di fuori di Google come tecnologia open source. Col tempo Google e la community Kubernetes si impegnarono a migliorare la documentazione per chiarire il funzionamento del Control Plane e la sua natura distribuita.
Ma come funziona esattamente il Control Plane? La sua funzione principale è quella di mantenere lo "stato desiderato" del sistema, ossia assicurare che l'infrastruttura e le applicazioni distribuite funzionino esattamente come specificato dagli utenti o dagli amministratori. Questo compito è reso possibile dall’interazione di diversi componenti chiave che, in sinergia, monitorano e regolano l’intero ecosistema Kubernetes. Questi componenti - che analizzeremo successivamente nel dettaglio - sono:
Mentre il Control Plane si occupa di gestire le decisioni e monitorare lo stato del cluster, esistono altri elementi che svolgono un ruolo più operativo: stiamo parlando dei Worker Nodes.
I Worker Nodes sono i veri e propri esecutori dei carichi di lavoro all'interno di un cluster Kubernetes. Se il Control Plane si occupa di gestire le decisioni e monitorare lo stato del cluster, i Worker Nodes sono responsabili dell'esecuzione effettiva dei container che costituiscono le applicazioni. Per far sì che tutto questo avvenga in modo efficiente e coordinato, all'interno di ogni nodo esistono una serie di componenti fondamentali che permettono l’esecuzione dei container e la comunicazione con il Control Plane. Questi componenti principali sono:
L’interazione tra i Worker Nodes e il Control Plane è essenziale per il corretto funzionamento del cluster. Il Control Plane stabilisce quale deve essere lo "stato desiderato" del cluster, come il numero di Pod in esecuzione e la loro distribuzione, mentre i Worker Nodes, attraverso il Kubelet, eseguono tali istruzioni. Il Kubelet invia costantemente aggiornamenti al Control Plane, informandolo sullo stato attuale dei container e dei nodi. Questa comunicazione bidirezionale permette a Kubernetes di rispondere dinamicamente ai cambiamenti: se un nodo diventa inaccessibile o un container smette di funzionare, il Control Plane può intervenire prontamente per ripristinare lo stato desiderato.
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Abbiamo visto come Control Plane e Worker Nodes lavorino in modo complementare per garantire il corretto funzionamento di un cluster Kubernetes. Ora focalizziamoci sugli elementi che compongono il Control Plane, per comprenderne a fondo il funzionamento.
Il Kube-API server è il punto centrale attraverso il quale tutte le interazioni con Kubernetes vengono orchestrate. Funziona come un intermediario tra gli utenti, i componenti interni e le risorse del cluster, garantendo che ogni richiesta sia gestita in modo coerente e sicuro. Questo componente è di fatto il "portiere" del cluster, e ogni comando, richiesta o modifica passa attraverso di lui prima di essere processata. Il Kube-API server implementa un'interfaccia RESTful, il che significa che tutte le operazioni all'interno di Kubernetes sono esposte e accessibili tramite una REST API. Questa API è il cuore del sistema, consentendo una gestione programmatica e flessibile del cluster.
Etcd è uno dei componenti più critici dell'architettura di Kubernetes, fungendo da archivio distribuito che memorizza tutte le informazioni vitali relative allo stato e alla configurazione del cluster. Si tratta di un database chiave-valore leggero e altamente disponibile, progettato per garantire che ogni cambiamento nello stato del cluster venga tracciato e che le informazioni più aggiornate siano sempre accessibili ai componenti di Kubernetes che ne hanno bisogno. La sua affidabilità e coerenza sono fondamentali per il corretto funzionamento di Kubernetes, poiché il cluster si affida a etcd per mantenere un registro accurato dello stato delle risorse.
Il Kube-scheduler è il componente di Kubernetes incaricato di decidere dove i Pod devono essere eseguiti all'interno del cluster. Ogni volta che viene creato un nuovo Pod, il Kube-scheduler entra in azione per trovare il nodo più adatto in cui collocarlo. Questo processo di assegnazione dei Pod ai nodi, noto come "scheduling", è una delle funzioni centrali di Kubernetes, poiché garantisce che le applicazioni vengano distribuite in modo efficiente e che le risorse del cluster vengano utilizzate al meglio.
Il compito del Kube-scheduler non è solo quello di trovare un nodo disponibile, ma di assicurarsi che il nodo scelto sia in grado di soddisfare le esigenze del Pod, tenendo conto di una serie di criteri e vincoli che possono influenzare la scelta. Il processo di scheduling inizia quando un nuovo Pod viene creato e non è ancora stato assegnato a nessun nodo. Il Kube-scheduler analizza lo stato corrente del cluster e prende in considerazione tutti i nodi disponibili, applicando una serie di criteri di selezione per individuare quelli idonei.
I criteri principali includono la disponibilità di risorse come CPU e memoria, i vincoli di affinità o anti-affinità tra Pod, e i requisiti specifici del Pod stesso, come la necessità di un determinato tipo di storage o di un nodo che abbia accesso a particolari periferiche o GPU. Un altro fattore importante che il Kube-scheduler considera è il taint e la toleration, meccanismo che consente di definire nodi che possono o non possono ospitare determinati tipi di carichi di lavoro, garantendo così una corretta segregazione delle risorse.
Il Kube-controller-manager è un componente essenziale dell'architettura di Kubernetes, responsabile della gestione dei controller, che sono i veri e propri "custodi" dello stato desiderato del cluster. Ogni controller è progettato per monitorare e mantenere un particolare tipo di risorsa, assicurandosi che il numero e lo stato delle risorse nel cluster siano sempre in linea con le specifiche definite dagli utenti. Questo processo è cruciale per garantire che le applicazioni siano sempre disponibili e funzionanti come previsto, contribuendo così alla resilienza e all'affidabilità del sistema.
Tra i principali controller gestiti dal Kube-controller-manager troviamo: il Replication Controller - che garantisce che un numero specifico di repliche di un Pod siano sempre in esecuzione, intervenendo automaticamente per avviarne di nuovi in caso di fallimento - e il Deployment Controller, che gestisce le strategie di aggiornamento e rollback delle applicazioni, permettendo di aggiornare le versioni dei Pod in modo controllato e senza interruzioni. Un altro esempio di controller è lo StatefulSet Controller, progettato per applicazioni con stato, come i database, che assicura che ogni Pod abbia un'identità unica e può mantenere la persistenza dei Pod attraverso un PersistentVolume.
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Come abbiamo visto nella prima parte dell’articolo, i Worker Nodes sono i responsabili dell'esecuzione effettiva dei carichi di lavoro all'interno del cluster. Questi nodi svolgono un ruolo cruciale nella gestione delle applicazioni containerizzate, ospitando i Pod e garantendo che vengano eseguiti in modo efficiente e sicuro.
In questa sezione, esploreremo più a fondo come i Worker Nodes interagiscono con il Control Plane e quali componenti chiave contribuiscono al loro funzionamento, assicurando così la resilienza e l'affidabilità del cluster. Vediamo nel dettaglio il funzionamento dei Worker Nodes, esplorando il ruolo di Pod, Kubelet e Kube-proxy.
I Pod rappresentano l'unità di base di esecuzione in Kubernetes, fungendo da contenitore per le applicazioni e i relativi servizi. Ogni Pod può ospitare uno o più container, che condividono risorse e possono comunicare tra loro all'interno di un ambiente isolato. Questa architettura consente di raggruppare insieme i componenti di un'applicazione che devono funzionare in modo congiunto, facilitando la gestione e la scalabilità delle applicazioni containerizzate.
Quando un'applicazione viene distribuita su un cluster Kubernetes, i Pod vengono creati in risposta alle specifiche definite dagli utenti, ad esempio, nei Deployment o negli StatefulSet. Ogni Pod è dotato di un proprio indirizzo IP e di un nome univoco, permettendo così una facile identificazione e accesso. All'interno di un Pod, i container possono condividere lo stesso storage, che consente loro di accedere ai dati in modo simultaneo, e possono anche condividere la rete, facilitando la comunicazione tra i vari componenti.
Il Kubelet e il Kube-proxy sono due componenti chiave che operano all'interno dei Worker Nodes di Kubernetes, ognuno con ruoli distinti ma complementari nel garantire il corretto funzionamento e la connettività delle applicazioni containerizzate.
Il Kubelet è un agente responsabile dell'esecuzione e della gestione dei container sui nodi. Ogni Worker Node nel cluster Kubernetes ha un'istanza di Kubelet che registra il nodo sull’API server e monitora costantemente lo stato dei Pod in esecuzione. Quando un Pod viene creato, il Kubelet si occupa di avviare i container associati e di garantire che rimangano in esecuzione come previsto. Se un container all'interno di un Pod si arresta o fallisce, il Kubelet interviene per riavviarlo, assicurandosi così che il Pod mantenga il numero desiderato di repliche.
Il Kubelet comunica regolarmente con il Kube-API server per aggiornare lo stato dei Pod e ricevere istruzioni su quali container avviare o terminare. Questa interazione costante permette al Control Plane di avere una visione accurata dello stato attuale del cluster, facilitando la gestione automatica delle risorse e la risposta a eventuali guasti. Il Kubelet gioca quindi un ruolo cruciale nell'assicurare che le applicazioni possano scalare e adattarsi dinamicamente alle esigenze degli utenti e alle condizioni del cluster.
Dall'altro lato, il Kube-proxy si occupa della gestione del networking e delle richieste di servizio tra i Pod. Il suo compito principale è quello di garantire che le richieste di rete vengano instradate correttamente tra i Pod e i servizi, permettendo così una comunicazione fluida all'interno del cluster. Il Kube-proxy opera a livello di rete, utilizzando diversi strumenti, come iptables o IPVS, per gestire il traffico in ingresso e in uscita.
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Se sei arrivato fin qui, avrai senz’altro compreso che l'architettura di Kubernetes è progettata per garantire un'interazione fluida e continua tra il Control Plane e i Worker Nodes, creando così un ambiente altamente dinamico e resiliente per l'esecuzione delle applicazioni containerizzate. Questa interazione è, di fatti, fondamentale per il monitoraggio dello stato del cluster, l'assegnazione delle risorse e la garanzia di un funzionamento continuo delle applicazioni. Facciamo un ultimo focus sull’interazione dei diversi elementi chiamati in causa fino ad ora.
Il Control Plane è, come abbiamo visto, il cervello del cluster Kubernetes. Ogni volta che un utente o un sistema esterno invia una richiesta al cluster, questa viene indirizzata al Kube-API server, che funge da punto centrale di comunicazione. Il Kube-API server gestisce tutte le interazioni con il cluster e funge da intermediario tra il Control Plane e i Worker Nodes. Ogni cambiamento nello stato desiderato delle risorse, come la creazione o la modifica di un Pod, viene inviato al Kube-API server, che lo registra in Etcd, l'archivio chiave-valore utilizzato per mantenere la configurazione del cluster.
Quando viene creato un nuovo Pod, quindi un nuovo container o gruppo di container, il Kube-scheduler interviene per assegnarlo a uno dei Worker Nodes disponibili, valutando una serie di criteri come la disponibilità delle risorse e le affinità tra i Pod. Una volta che il Kube-scheduler ha preso una decisione, comunica l'assegnazione al Kubelet del Worker Node scelto. A questo punto, il Kubelet avvia i container all'interno del Pod e inizia a monitorarne lo stato. Questa continua comunicazione tra il Control Plane e i Worker Nodes è essenziale per garantire che il cluster mantenga lo stato desiderato, ed è facilitata da un flusso costante di informazioni. I Kubelet, presenti su ogni Worker Node, inviano regolarmente aggiornamenti sullo stato dei Pod o dei nodi al Kube-API server, informando il Control Plane di eventuali cambiamenti, come riavvii di Pod, utilizzo delle risorse o guasti dei nodi.
Il Kube-controller-manager, nel frattempo, svolge un ruolo cruciale nel monitorare e mantenere l'integrità del cluster. Ogni controller, che gestisce diversi tipi di risorse come Deployment, StatefulSet o DaemonSet, osserva costantemente lo stato dei Pod e degli altri oggetti. Se un Pod si arresta o un nodo diventa non disponibile, il Kube-controller-manager interviene per ripristinare lo stato desiderato, avviando nuovi Pod o ripristinando risorse come necessario.
Analizzare l'architettura di Kubernetes richiede una buona dose di comprensione tecnica, ma è capace di restituire un quadro affascinante. Kubernetes rappresenta una soluzione potente e flessibile per la gestione delle applicazioni containerizzate su larga scala. Attraverso un'accurata interazione tra il Control Plane e i Worker Nodes, Kubernetes offre un ambiente altamente automatizzato e resiliente, capace di garantire disponibilità e scalabilità anche in condizioni di carico variabile.
Se questa esplorazione dell’architettura di Kubernetes ti ha incoraggiato ad approfondire le possibilità offerte da questa tecnologia, siamo qui per aiutarti. SparkFabrik da anni supporta le aziende nella costruzione e manutenzione di applicazioni moderne e Cloud Native, sfruttando al massimo le potenzialità di Kubernetes.