Kubernetes: Container-Orchestrierung verstehen und einsetzen

Kubernetes automatisiert die Bereitstellung und Verwaltung containerisierter Anwendungen in großem Maßstab. Mit der Zeit ist Kubernetes zu einem zentralen Werkzeug für die Anwendungsentwicklung geworden – etwa in den Bereichen Microservices, Webanwendungen und Datenbanken. Leistungsfähigkeit und Skalierbarkeit machen K8s heute zum anerkannten Standard im Container-Management.

Dieser Artikel bietet einen umfassenden Einstieg in Kubernetes.

Was ist Kubernetes?

Kubernetes ist ein Open-Source-System zur effizienten Orchestrierung von Containern einer Softwareanwendung. Containerisierung ist ein weit verbreiteter Ansatz in der Anwendungsentwicklung – besonders im Bereich der digitalen Transformation und der Cloud.

Zur Erinnerung: Containerisierung ist eine Methode der Anwendungsentwicklung, bei der die Komponenten einer Anwendung in standardisierte, geräte- und betriebssystemunabhängige Einheiten – sogenannte Container – zusammengefasst werden. Durch die Isolierung von Anwendungen von ihrer Umgebung erleichtert diese Technologie die Bereitstellung und Portabilität und reduziert Kompatibilitätsprobleme.

Hier kommt Kubernetes ins Spiel. Container ermöglichen zwar die Aufteilung von Anwendungen in kleinere, eigenständige Module, die leichter bereitzustellen sind. Damit Container jedoch innerhalb einer Anwendung zusammenarbeiten können, ist ein übergeordnetes Verwaltungssystem erforderlich. Genau das leistet Kubernetes: Die Plattform steuert, wo und wie Container ausgeführt werden, und ermöglicht so die Orchestrierung und Planung containerisierter Anwendungen in großem Maßstab.

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Wie funktioniert eine Kubernetes-Architektur?

Um die Kubernetes-Architektur zu verstehen, sind einige grundlegende Konzepte wichtig – allen voran das des Clusters, der die umfassendste Einheit innerhalb der Architektur darstellt. Ein Kubernetes-Cluster ist die Gesamtheit der virtuellen oder physischen Maschinen, auf denen eine containerisierte Anwendung betrieben wird.

Quelle: Kubernetes.

Ein Cluster besteht aus verschiedenen Elementen:

• Node: Eine Arbeitseinheit im Kubernetes-Cluster – eine virtuelle oder physische Maschine, die Aufgaben im Auftrag der Anwendung übernimmt.
• Pod: Der kleinste bereitstellbare Baustein in Kubernetes. Ein Pod ist eine Gruppe von Containern, die gemeinsam auf demselben Node ausgeführt werden. Container innerhalb eines Pods teilen dasselbe Netzwerk und kommunizieren über localhost miteinander.
• Service: Ein Kubernetes-Service macht einen Pod für das Netzwerk oder andere Pods zugänglich und bietet einen stabilen, klar definierten Zugangspunkt zu den in Pods gehosteten Anwendungen.
• Volume: Eine Ordnerabstraktion, die Probleme beim Teilen und Abrufen von Dateien innerhalb eines Containers löst.
• Namespace: Ein Namespace ermöglicht die Gruppierung und Isolierung von Ressourcen zu einem virtuellen Cluster.

Die Kubernetes-Architektur basiert auf zwei Knotentypen: dem Master Node und den Worker Nodes. Der Master Node ist für die übergeordnete Verwaltung des Kubernetes-Clusters und die Kommunikation mit den Worker Nodes zuständig. Zu seinen zentralen Komponenten zählt die API als Kommunikationszentrum zwischen Nutzenden und Cluster. Das etcd ist die Key-Value-Datenbank, in der Konfigurationen, Systemzustand und Objekt-Metadaten gespeichert werden. Der Controller Manager koordiniert Hintergrundoperationen wie die Pod-Replikation, der Scheduler platziert Pods auf Nodes entsprechend der verfügbaren Ressourcen.

Worker Nodes hingegen sind die Maschinen, auf denen die in den Pods enthaltenen Anwendungen ausgeführt und verwaltet werden. Das kubelet ist der Agent, der auf jedem Node läuft und mit dem Master kommuniziert, um Befehle zu empfangen und den Status der Pods zu übermitteln. Der Netzwerk-Proxy kube-proxy pflegt die Netzwerkregeln auf den Nodes und ermöglicht so den Zugriff auf Services von außerhalb des Kubernetes-Clusters. Die Container-Runtime schließlich ist die Software, die für die Ausführung und Verwaltung der Container innerhalb der Pods verantwortlich ist.

Die Rolle von Docker

Bei allen Komponenten eines K8s-Clusters ist die Wahl der Runtime innerhalb der Worker Nodes von Bedeutung. Verschiedene Softwarelösungen stehen dafür zur Verfügung, etwa CRI-O – Docker ist jedoch das am häufigsten eingesetzte Werkzeug.

Was ist der Unterschied zwischen Docker und Kubernetes?

Docker ist eine Open-Source-Lösung, die speziell auf Container-Ebene eingesetzt wird. Sie ermöglicht die Paketierung von Containern in einem standardisierten und schlanken Format, was ihre Portabilität in verschiedenen Umgebungen erhöht. Docker ist damit ein ergänzendes Werkzeug zu K8s: Es vereinfacht die Verwaltung der Container selbst, während Kubernetes deren Integration und Kommunikation innerhalb der Anwendung erleichtert.

Welche Vorteile bietet Kubernetes?

Seit dem Start durch Google im Jahr 2014 und der ersten stabilen Version im Juli 2015 hat sich Kubernetes als Referenz im Bereich der Container-Orchestrierung etabliert – insbesondere für Microservice-orientierte Architekturen. Diese Verbreitung ist vor allem auf die Leistungsfähigkeit von K8s in der Container-Orchestrierung zurückzuführen.

Die Vorteile von Kubernetes im Überblick:

• Automatisierung: Kubernetes erleichtert die Automatisierung von Aufgaben rund um Bereitstellung, Skalierung und Aktualisierung containerisierter Anwendungen.
• Flexibilität: Die Software passt sich an unterschiedliche Container-Technologien sowie verschiedene Hardware-Architekturen und Betriebssysteme an.
• Skalierbarkeit: K8s ermöglicht die Bereitstellung und Verwaltung tausender Container – unabhängig von deren Status: laufend, pausiert oder gestoppt.
• Migration: Anwendungen lassen sich zu Kubernetes migrieren, ohne den Quellcode ändern zu müssen.
• Multi-Cluster-Unterstützung: Kubernetes verwaltet zentral mehrere Container-Cluster, die über verschiedene Infrastrukturen verteilt sind.
• Update-Management: Die Software unterstützt Rolling-Update-Deployments, um Anwendungen ohne Serviceunterbrechung zu aktualisieren.

Ein robustes und skalierbares Ökosystem

Kubernetes zeichnet sich durch die Fähigkeit aus, Container effizient und zuverlässig zu verwalten und dabei unabhängig von Cloud-Infrastrukturanbietern zu bleiben. Die modulare Architektur passt sich den spezifischen Anforderungen jedes Unternehmens an und unterstützt ein breites Spektrum an Anwendungen und Diensten – von Webservices über Datenverarbeitung bis hin zu mobilen Anwendungen.

Kubernetes profitiert dabei von einem umfangreichen und aktiven Open-Source-Ökosystem. Verwaltet von der Cloud Native Computing Foundation (CNCF), wird K8s von tausenden Entwicklerinnen und Entwicklern weltweit unterstützt, die kontinuierlich zur Weiterentwicklung des Projekts und seiner Funktionen beitragen.

Was sind die Grenzen von Kubernetes?

Die Stärken von Kubernetes machen es für viele Entwicklungsteams im Cloud-nativen Bereich zur soliden Grundlage. Dennoch lohnt es sich, einige Einschränkungen zu benennen. Kubernetes erfordert fundierte technische Kenntnisse sowie die Einarbeitung in neue Entwicklungskonzepte und -methoden. Die Konfiguration kann zu Beginn eines Projekts komplex sein – ist dabei aber entscheidend, insbesondere für die Absicherung der Plattform. Ein erfahrenes Entwicklungsteam mit K8s-Kenntnissen ist daher ein wesentlicher Vorteil.

Eine weitere Herausforderung ist die Implementierung und Wartung einer K8s-Architektur, die Zeit und Ressourcen erfordert – vor allem für die Aktualisierung der verschiedenen Komponenten und Softwareteile. Dabei stellt sich auch die Frage nach möglichem Oversizing: Bei kleineren Anwendungen oder Projekten ohne besondere Skalierungsanforderungen kann eine einfachere Architektur ausreichend und wirtschaftlicher sein.

Kubernetes im Unternehmenseinsatz

Zehntausende Unternehmen haben eine Kubernetes-Architektur für ihre digitale Transformation übernommen. K8s wird von Organisationen aller Größen genutzt – von Startups bis zu multinationalen Konzernen.

Ein Beispiel für eine erfolgreiche Integration ist Haven Technologies. Das Unternehmen hat seine SaaS-Dienste zu K8s migriert. Dabei setzt es auf eine Kubernetes-Strategie mit der GitLab-DevSecOps-Plattform – mit messbaren Verbesserungen bei Effizienz, Sicherheit und Entwicklungsgeschwindigkeit. Weitere Details in der Kundenreferenz.

Kubernetes, Git und GitLab

Kubernetes, Git und GitLab sind zentrale Bausteine der DevOps-Landschaft. Kubernetes bietet hohe Flexibilität bei der Bereitstellung und Verwaltung der verschiedenen Anwendungskomponenten. GitLab – aufgebaut auf Git und dessen nativer Versionskontrolle – ermöglicht eine präzise Nachverfolgung von Quellcode und Änderungen und stellt eine umfassende Werkzeugsammlung für den gesamten Software-Entwicklungslebenszyklus bereit.

Diese Kombination schafft gemeinsam mit einem GitOps-Ansatz, der die Automatisierung moderner Cloud-Infrastrukturen zum Ziel hat, eine agile Umgebung für Anwendungsentwicklung und -bereitstellung. Alle GitLab-Lösungen für den Einsatz mit Kubernetes im Überblick.

Kubernetes FAQ

Welche Alternativen zu K8s gibt es?

Es gibt verschiedene Alternativen zu Kubernetes, darunter Docker Swarm und Marathon. Kubernetes gilt jedoch als die ausgereifteste und am weitesten verbreitete Lösung auf dem Markt. Die große Nutzerbasis, umfangreiche Dokumentation und eine aktive Community machen K8s zur soliden Wahl für alle, die ein Container-Orchestrierungssystem einsetzen möchten.

Was ist ein Kubernetes-Cluster?

Ein Kubernetes-Cluster besteht aus einem Master Node und mehreren Worker Nodes. Der Master Node koordiniert die Aufgaben im Cluster, während die Worker Nodes diese Orchestrierungsaufgaben ausführen und die Container hosten. K8s-Cluster sind hoch skalierbar – Nodes lassen sich hinzufügen oder entfernen, um die Clusterressourcen an die Anforderungen der Anwendung anzupassen.

Wie startet man mit Kubernetes?

Zunächst ist die Installation der Kubernetes-Software in einer kompatiblen Umgebung (Linux, macOS oder Windows) erforderlich. Kubernetes lässt sich sowohl in einer klassischen Hosting-Umgebung als auch in der Cloud installieren – etwa auf Google Kubernetes Engine oder Amazon EKS. Nach dem Download und der Installation von der offiziellen Website folgt die Erstkonfiguration zur Verbindung von Master und Worker Nodes. Danach ist die erste Anwendung mit Kubernetes einsatzbereit.

Warum Kubernetes wählen?

Kubernetes bietet hohe Flexibilität und vollständige Portabilität zwischen verschiedenen Cloud-Plattformen oder On-Premises-Infrastrukturen. Durch die Automatisierung von Orchestrierungsaufgaben lassen sich Ressourcen optimieren und Betriebskosten senken. Das Kubernetes-Ökosystem ist umfangreich und wird von einer großen Open-Source-Community kontinuierlich weiterentwickelt.

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