Vue d'ensemble

• 1: Qu'est-ce-que Kubernetes ?
• 2: Composants de Kubernetes
• 3: Utilisation des objets Kubernetes
• 3.1: Namespaces

1 - Qu'est-ce-que Kubernetes ?

Cette page est une vue d'ensemble de Kubernetes.

Kubernetes est une plate-forme open-source extensible et portable pour la gestion de charges de travail (workloads) et de services conteneurisés. Elle favorise à la fois l'écriture de configuration déclarative (declarative configuration) et l'automatisation. C'est un large écosystème en rapide expansion. Les services, le support et les outils Kubernetes sont largement disponibles.

Google a rendu open-source le projet Kubernetes en 2014. Le développement de Kubernetes est basé sur une décennie et demie d’expérience de Google avec la gestion de la charge et de la mise à l'échelle (scale) en production, associée aux meilleures idées et pratiques de la communauté.

Pourquoi ai-je besoin de Kubernetes et que peut-il faire ?

Kubernetes a un certain nombre de fonctionnalités. Il peut être considéré comme:

• une plate-forme de conteneurs
• une plate-forme de microservices
• une plate-forme cloud portable et beaucoup plus.

Kubernetes fournit un environnement de gestion focalisé sur le conteneur (container-centric). Il orchestre les ressources machines (computing), la mise en réseau et l’infrastructure de stockage sur les workloads des utilisateurs. Cela permet de se rapprocher de la simplicité des Platform as a Service (PaaS) avec la flexibilité des solutions d'Infrastructure as a Service (IaaS), tout en gardant de la portabilité entre les différents fournisseurs d'infrastructures (providers).

Comment Kubernetes est-il une plate-forme ?

Même si Kubernetes fournit de nombreuses fonctionnalités, il existe toujours de nouveaux scénarios qui bénéficieraient de fonctionnalités complémentaires. Ces workflows spécifiques à une application permettent d'accélérer la vitesse de développement. Si l'orchestration fournie de base est acceptable pour commencer, il est souvent nécessaire d'avoir une automatisation robuste lorsque l'on doit la faire évoluer. C'est pourquoi Kubernetes a également été conçu pour servir de plate-forme et favoriser la construction d’un écosystème de composants et d’outils facilitant le déploiement, la mise à l’échelle et la gestion des applications.

Les Labels permettent aux utilisateurs d'organiser leurs ressources comme ils/elles le souhaitent. Les Annotations autorisent les utilisateurs à définir des informations personnalisées sur les ressources pour faciliter leurs workflows et fournissent un moyen simple aux outils de gérer la vérification d'un état (checkpoint state).

De plus, le plan de contrôle Kubernetes (control plane) est construit sur les mêmes APIs que celles accessibles aux développeurs et utilisateurs. Les utilisateurs peuvent écrire leurs propres contrôleurs (controllers), tels que les ordonnanceurs (schedulers), avec leurs propres APIs qui peuvent être utilisés par un outil en ligne de commande.

Ce choix de conception a permis de construire un ensemble d'autres systèmes par dessus Kubernetes.

Ce que Kubernetes n'est pas

Kubernetes n’est pas une solution PaaS (Platform as a Service). Kubernetes opérant au niveau des conteneurs plutôt qu'au niveau du matériel, il fournit une partie des fonctionnalités des offres PaaS, telles que le déploiement, la mise à l'échelle, l'équilibrage de charge (load balancing), la journalisation (logging) et la surveillance (monitoring). Cependant, Kubernetes n'est pas monolithique. Ces implémentations par défaut sont optionnelles et interchangeables. Kubernetes fournit les bases permettant de construire des plates-formes orientées développeurs, en laissant la possibilité à l'utilisateur de faire ses propres choix.

Kubernetes:

• Ne limite pas les types d'applications supportées. Kubernetes prend en charge des workloads extrêmement diverses, dont des applications stateless, stateful ou orientées traitement de données (data-processing). Si l'application peut fonctionner dans un conteneur, elle devrait fonctionner correctement sur Kubernetes.
• Ne déploie pas de code source et ne build pas d'application non plus. Les workflows d'Intégration Continue, de Livraison Continue et de Déploiement Continu (CI/CD) sont réalisés en fonction de la culture d'entreprise, des préférences ou des pré-requis techniques.
• Ne fournit pas nativement de services au niveau applicatif tels que des middlewares (e.g., message buses), des frameworks de traitement de données (par exemple, Spark), des bases de données (e.g., mysql), caches, ou systèmes de stockage clusterisés (e.g., Ceph). Ces composants peuvent être lancés dans Kubernetes et/ou être accessibles à des applications tournant dans Kubernetes via des mécaniques d'intermédiation tel que Open Service Broker.
• N'impose pas de solutions de logging, monitoring, ou alerting. Kubernetes fournit quelques intégrations primaires et des mécanismes de collecte et export de métriques.
• Ne fournit ou n'impose un langague/système de configuration (e.g., jsonnet). Il fournit une API déclarative qui peut être ciblée par n'importe quelle forme de spécifications déclaratives.
• Ne fournit ou n'adopte aucune mécanique de configuration des machines, de maintenance, de gestion ou de contrôle de la santé des systèmes.

De plus, Kubernetes n'est pas vraiment un système d'orchestration. En réalité, il élimine le besoin d'orchestration. Techniquement, l'orchestration se définit par l'exécution d'un workflow spécifié : premièrement faire A, puis B, puis C. Kubernetes quant à lui est composé d'un ensemble de processus de contrôle qui pilotent l'état courant vers l'état désiré. Peu importe comment on arrive du point A au point C. Un contrôle centralisé n'est pas non plus requis. Cela aboutit à un système plus simple à utiliser et plus puissant, robuste, résiliant et extensible.

Pourquoi les conteneurs ?

Vous cherchez des raisons d'utiliser des conteneurs ?

L'ancienne façon (old way) de déployer des applications consistait à installer les applications sur un hôte en utilisant les systèmes de gestions de paquets natifs. Cela avait pour principale inconvénient de lier fortement les exécutables, la configuration, les librairies et le cycle de vie de chacun avec l'OS. Il est bien entendu possible de construire une image de machine virtuelle (VM) immuable pour arriver à produire des publications (rollouts) ou retours arrières (rollbacks), mais les VMs sont lourdes et non-portables.

La nouvelle façon (new way) consiste à déployer des conteneurs basés sur une virtualisation au niveau du système d'opération (operation-system-level) plutôt que de la virtualisation hardware. Ces conteneurs sont isolés les uns des autres et de l'hôte : ils ont leurs propres systèmes de fichiers, ne peuvent voir que leurs propres processus et leur usage des ressources peut être contraint. Ils sont aussi plus faciles à construire que des VMs, et vu qu'ils sont décorrélés de l'infrastructure sous-jacente et du système de fichiers de l'hôte, ils sont aussi portables entre les différents fournisseurs de Cloud et les OS.

Étant donné que les conteneurs sont petits et rapides, une application peut être packagée dans chaque image de conteneurs. Cette relation application-image tout-en-un permet de bénéficier de tous les bénéfices des conteneurs. Avec les conteneurs, des images immuables de conteneurs peuvent être créées au moment du build/release plutôt qu'au déploiement, vu que chaque application ne dépend pas du reste de la stack applicative et n'est pas liée à l'environnement de production. La génération d'images de conteneurs au moment du build permet d'obtenir un environnement constant qui peut être déployé tant en développement qu'en production. De la même manière, les conteneurs sont bien plus transparents que les VMs, ce qui facilite le monitoring et le management. Cela est particulièrement vrai lorsque le cycle de vie des conteneurs est géré par l'infrastructure plutôt que caché par un gestionnaire de processus à l'intérieur du conteneur. Avec une application par conteneur, gérer ces conteneurs équivaut à gérer le déploiement de son application.

Résumé des bénéfices des conteneurs :

• Création et déploiement agile d'applications : Augmente la simplicité et l'efficacité de la création d'images par rapport à l'utilisation d'images de VM.
• Développement, intégration et déploiement Continus: Fournit un processus pour constuire et déployer fréquemment et de façon fiable avec la capacité de faire des rollbacks rapides et simples (grâce à l'immuabilité de l'image).
• Séparation des besoins entre Dev et Ops: Création d'images applicatives au moment du build plutôt qu'au déploiement, tout en séparant l'application de l'infrastructure.
• Observabilité Informations venant non seulement du système d'exploitation sous-jacent mais aussi des signaux propres de l'application.
• Consistance entre les environnements de développement, tests et production: Fonctionne de la même manière que ce soit sur un poste local que chez un fournisseur d'hébergement / dans le Cloud.
• Portabilité entre Cloud et distribution système: Fonctionne sur Ubuntu, RHEL, CoreOS, on-prem, Google Kubernetes Engine, et n'importe où.
• Gestion centrée Application: Bascule le niveau d'abstraction d'une virtualisation hardware liée à l'OS à une logique de ressources orientée application.
• Micro-services faiblement couplés, distribués, élastiques: Les applications sont séparées en petits morceaux indépendants et peuvent être déployées et gérées dynamiquement -- pas une stack monolithique dans une seule machine à tout faire.
• Isolation des ressources: Performances de l'application prédictibles.
• Utilisation des ressources: Haute efficacité et densité.

Qu'est-ce-que Kubernetes signifie ? K8s ?

Le nom Kubernetes tire son origine du grec ancien, signifiant capitaine ou pilote et est la racine de gouverneur et cybernetic. K8s est l'abbréviation dérivée par le remplacement des 8 lettres "ubernete" par "8".

A suivre

• Prêt à commencer ?
• Pour plus de détails, voir la documentation Kubernetes.

2 - Composants de Kubernetes

Ce document résume les divers composants binaires requis pour livrer un cluster Kubernetes fonctionnel.

Composants Master

Les composants Master fournissent le plan de contrôle (control plane) du cluster. Les composants Master prennent des décisions globales à propos du cluster (par exemple, la planification (scheduling)). Ils détectent et répondent aux événements du cluster (par exemple, démarrer un nouveau Pod lorsque le champ replicas d'un déploiement n'est pas satisfait).

Les composants Master peuvent être exécutés sur n'importe quelle machine du cluster. Toutefois, par soucis de simplicité, les scripts de mise en route démarrent typiquement tous les composants master sur la même machine et n'exécutent pas de conteneurs utilisateur sur cette machine. Voir Construire des Clusters en Haute Disponibilité pour une configuration d'exemple en multi-master-VM.

kube-apiserver

Composant sur le master qui expose l'API Kubernetes. Il s'agit du front-end pour le plan de contrôle Kubernetes.

Il est conçu pour une mise à l'échelle horizontale, ce qui veut dire qu'il met à l'échelle en déployant des instances supplémentaires. Voir Construire des Clusters en Haute Disponibilité.

etcd

Base de données clé-valeur consistante et hautement disponible utilisée comme mémoire de sauvegarde pour toutes les données du cluster.

Si votre cluster Kubernetes utilise etcd comme mémoire de sauvegarde, assurez-vous d'avoir un plan de back up pour ces données.

Vous pouvez trouver plus d'informations à propos d'etcd dans la documentation officielle.

kube-scheduler

Composant sur le master qui surveille les pods nouvellement créés qui ne sont pas assignés à un nœud et sélectionne un nœud sur lequel ils vont s'exécuter.

Les facteurs pris en compte pour les décisions de planification (scheduling) comprennent les exigences individuelles et collectives en ressources, les contraintes matérielles/logicielles/politiques, les spécifications d'affinité et d'anti-affinité, la localité des données, les interférences entre charges de travail et les dates limites.

kube-controller-manager

Composant du master qui exécute les contrôleurs.

Logiquement, chaque contrôleur est un processus à part mais, pour réduire la complexité, les contrôleurs sont tous compilés dans un seul binaire et s'exécutent dans un seul processus.

Ces contrôleurs incluent :

• Node Controller : Responsable de détecter et apporter une réponse lorsqu'un nœud tombe en panne.
• Replication Controller : Responsable de maintenir le bon nombre de pods pour chaque objet ReplicationController dans le système.
• Endpoints Controller : Remplit les objets Endpoints (c'est-à-dire joint les Services et Pods).
• Service Account & Token Controllers : Créent des comptes par défaut et des jetons d'accès à l'API pour les nouveaux namespaces.

cloud-controller-manager

Le cloud-controller-manager exécute les contrôleurs qui interagissent avec les fournisseurs cloud sous-jacents. Le binaire du cloud-controller-manager est une fonctionnalité alpha introduite dans la version 1.6 de Kubernetes.

Le cloud-controller-manager exécute seulement les boucles spécifiques des fournisseurs cloud. Vous devez désactiver ces boucles de contrôleurs dans le kube-controller-manager. Vous pouvez désactiver les boucles de contrôleurs en définissant la valeur du flag --cloud-provider à external lors du démarrage du kube-controller-manager.

Le cloud-controller-manager permet au code du fournisseur cloud et au code de Kubernetes d'évoluer indépendamment l'un de l'autre. Dans des versions antérieures, le code de base de Kubernetes dépendait du code spécifique du fournisseur cloud pour la fonctionnalité. Dans des versions ultérieures, le code spécifique des fournisseurs cloud devrait être maintenu par les fournisseurs cloud eux-mêmes et lié au cloud-controller-manager lors de l'exécution de Kubernetes.

Les contrôleurs suivants ont des dépendances vers des fournisseurs cloud :

• Node Controller : Pour vérifier le fournisseur de cloud afin de déterminer si un nœud a été supprimé dans le cloud après avoir cessé de répondre
• Route Controller : Pour mettre en place des routes dans l'infrastructure cloud sous-jacente
• Service Controller : Pour créer, mettre à jour et supprimer les load balancers des fournisseurs cloud
• Volume Controller : Pour créer, attacher et monter des Volumes, et interagir avec le fournisseur cloud pour orchestrer les volumes.

Composants de nœud

Les composants de nœud (Node components) s'exécutent sur chaque nœud, en maintenant les pods en exécution et en fournissant l'environnement d'exécution Kubernetes.

kubelet

Un agent qui s'exécute sur chaque nœud du cluster. Il s'assure que les conteneurs fonctionnent dans un pod.

Le kubelet prend un ensemble de PodSpecs fournis par divers mécanismes et s'assure du fonctionnement et de la santé des conteneurs décrits dans ces PodSpecs. Le kubelet ne gère que les conteneurs créés par Kubernetes.

kube-proxy

kube-proxy est un proxy réseau qui s'exécute sur chaque nœud du cluster et implémente une partie du concept Kubernetes de Service.

kube-proxy maintient les règles réseau sur les nœuds. Ces règles réseau permettent une communication réseau vers les Pods depuis des sessions réseau à l'intérieur ou à l'extérieur du cluster.

kube-proxy utilise la couche de filtrage de paquets du système d'exploitation s'il y en a une et qu'elle est disponible. Sinon, kube-proxy transmet le trafic lui-même.

Container Runtime

L'environnement d'exécution de conteneurs est le logiciel responsable de l'exécution des conteneurs.

Kubernetes est compatible avec plusieurs environnements d'exécution de conteneur: Docker, containerd, cri-o, rktlet ainsi que toute implémentation de Kubernetes CRI (Container Runtime Interface).

Addons

Les addons utilisent les ressources Kubernetes (DaemonSet, Déploiement, etc) pour implémenter des fonctionnalités cluster. Comme ces derniers fournissent des fonctionnalités au niveau du cluster, les ressources dans des namespaces pour les addons appartiennent au namespace kube-system.

Les addons sélectionnés sont décrits ci-dessous. Pour une liste étendue des addons disponibles, voir la page Addons.

DNS

Tandis que les autres addons ne sont pas strictement requis, tous les clusters Kubernetes devraient avoir un DNS cluster car de nombreux exemples en dépendent.

Le DNS Cluster est un serveur DNS, en plus des autres serveurs DNS dans votre environnement, qui sert les enregistrements DNS pour les services Kubernetes.

Les conteneurs démarrés par Kubernetes incluent automatiquement ce serveur DNS dans leurs recherches DNS.

Interface utilisateur Web (Dashboard)

Le Dashboard est une interface utilisateur web à but général pour les clusters Kubernetes. Il permet aux utilisateurs de gérer et de dépanner aussi bien des applications s'exécutant dans le cluster que le cluster lui-même.

La surveillance des ressources de conteneur

La surveillance des ressources de conteneur enregistre des métriques chronologiques génériques à propos des conteneurs dans une base de données centrale et fournit une interface utilisateur pour parcourir ces données.

Le logging au niveau cluster

Un mécanisme de logging au niveau cluster est chargé de sauvegarder les logs des conteneurs dans un magasin de logs central avec une interface de recherche/navigation.

A suivre

• En savoir plus sur les Nœuds
• En savoir plus sur kube-scheduler
• Lire la documentation officielle d'etcd

3 - Utilisation des objets Kubernetes

3.1 - Namespaces

Kubernetes prend en charge plusieurs clusters virtuels présents sur le même cluster physique. Ces clusters virtuels sont appelés namespaces (espaces de nommage en français).

Quand utiliser plusieurs namespaces

Les namespaces sont destinés à être utilisés dans les environnements ayant de nombreux utilisateurs répartis en plusieurs équipes ou projets. Pour les clusters de quelques dizaines d'utilisateurs, vous n'avez pas besoin d'utiliser de namespaces. Commencez à utiliser des namespaces lorsque vous avez besoin des fonctionnalités qu'ils fournissent.

Les namespaces sont des groupes de noms. Ils fournissent un modèle d'isolation de nommage des ressources. Les noms des ressources doivent être uniques dans un namespace, mais pas dans l'ensemble des namespaces. Les namespaces ne peuvent pas être imbriqués les uns dans les autres et chaque ressource Kubernetes ne peut se trouver que dans un seul namespace.

Les namespaces sont un moyen de répartir les ressources d'un cluster entre plusieurs utilisateurs (via quota de ressources).

Dans les futures versions de Kubernetes, les objets du même namespace auront les mêmes stratégies de contrôle d'accès par défaut.

Il n'est pas nécessaire d'utiliser plusieurs namespaces juste pour séparer des ressources légèrement différentes, telles que les versions du même logiciel: utiliser les labels pour distinguer les ressources dans le même namespace.

Utilisation des namespaces

La création et la suppression des namespaces sont décrites dans la Documentation du guide d'administration pour les namespaces.

Affichage des namespaces

Dans un cluster vous pouvez lister les namespaces actuels à l'aide de :

kubectl get namespace

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

Kubernetes démarre avec quatre namespaces initiaux:

• default Le namespace par défaut pour les objets sans mention d'autre namespace
• kube-system Le namespace pour les objets créés par Kubernetes lui-même
• kube-public Ce namespace est créé automatiquement et est visible par tous les utilisateurs (y compris ceux qui ne sont pas authentifiés). Ce namespace est principalement réservé à l'utilisation du cluster, au cas où certaines ressources devraient être disponibles publiquement dans l'ensemble du cluster. L'aspect public de ce namespace n'est qu'une convention, pas une exigence.
• kube-node-lease Ce namespace contient les objets de bail associés à chaque nœud, ce qui améliore les performances des pulsations du nœud à mesure que le cluster évolue.

Définition du namespaces pour une requête

Pour définir le namespace pour une requête en cours, utilisez l'indicateur --namespace.

Par exemple:

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

Spécifier un namespace

Vous pouvez enregistrer de manière permanente le namespace à utiliser pour toutes les commandes kubectl à suivre.

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

Namespaces et DNS

Lorsque vous créez un Service, il crée une entrée DNS correspondante. Cette entrée est de la forme <nom-service>.<nom-namespace>.svc.cluster.local, ce qui signifie que si un conteneur utilise simplement <nom-service>, il résoudra le service qui est local à son namespace. Ceci est utile pour utiliser la même configuration pour plusieurs namespaces tels que le Développement, la Qualification et la Production. Si vous voulez naviguer entre plusieurs namespaces, vous devez utiliser le nom de domaine complet (FQDN ou nom de domaine complètement qualifié en français).

Tous les objets ne se trouvent pas dans un namespace

La plupart des ressources Kubernetes (par exemple, pods, services, contrôleurs de réplication et autres) sont dans des namespaces. Cependant, les ressources de type namespace ne sont pas elles-mêmes dans un namespace. Et les ressources de bas niveau, telles que les nœuds et les volumes persistants, ne se trouvent dans aucun namespace.

Pour voir quelles ressources Kubernetes sont et ne sont pas dans un namespace:

# Dans un namespace
kubectl api-resources --namespaced=true

# Pas dans un namespace
kubectl api-resources --namespaced=false

A suivre

• En savoir plus sur créer un nouveau namespace.
• En savoir plus sur suppression d'un namespace.