کوبرنتیز چیست و چگونه کار می‌کند؟

مدیریت زیرساخت‌های مدرن بدون ابزارهایی مانند کوبرنتیز تقریبن غیرممکن شده است. با گسترش معماری میکروسرویس‌ها و افزایش استفاده از کانتینرها، نیاز به یک سیستم قوی برای ارکستراسیون کانتینر‌ها و خودکارسازی فرآیندهای توسعه، بیش از پیش احساس می‌شود.

اگر بخواهید نرم‌افزارهایی را که با کانتینر (Container) اجرا کرده‌اید، به‌شکل مناسبی مدیریت و مقیاس‌دهی کنید، کوبرنتیز (Kubernetes) یکی از بهترین ابزارهایی است که برای این‌کار در اختیار شما قرار دارد. این ابزار که به‌شکل متن‌باز برای سامان‌دهی Container طراحی شده است، می‌تواند به شما در پیاده‌سازی، مدیریت و مقیاس‌دهی آنی کمک کند. 

کوبرنتیز، مدیریت کلاسترهایی که ماشین‌های اجرایی Container هستند را ساده و کارآمد خواهد کرد. این فناوری که برای نخستین بار به‌دست مهندسان گوگل توسعه داده شده، ابزاری مناسب برای میزبانی از برنامه‌هایی است که در فضای ابری توسعه داده می‌شوند. کوبرنتیز می‌تواند ماشین‌های حقیقی و مجازی در دسترسش را به‌شکل یک کلاستر در یک شبکه‌ی یکسان کنار هم جمع کند. در این حالت به هر ماشین در کلاستر یک نقش داده می‌شود.

اگر به دنبال درک عمیق‌تری از سیستم مدیریت کانتینرها و کاربرد آن در فضای ابری هستید، ادامه‌ی این مقاله را از دست ندهید.

کوبرنتیز چیست؟ 

کوبرنتیز (Kubernetes) یک سیستم ارکستراسیون کانتینر برای مدیریت و خودکارسازی برنامه‌های توزیع‌شده است. این پلتفرم با هدف تسهیل مدیریت کانتینرها در مقیاس وسیع، به‌ویژه در محیط‌های ابری و میکروسرویس‌ها، توسعه داده شده و هم‌اکنون به‌شکل متن‌باز در دسترس است.

تاریخچه‌ی کوبرنتیز به گوگل باز می‌گردد. این ابزار از تجربیات گوگل در زمینه مدیریت زیرساخت‌های مقیاس‌پذیر و ارکستراسیون کانتینرها در پروژه‌هایی مانند Google Borg الهام گرفته است. کوبرنتیز به‌عنوان یک سیستم پیشرفته به سازمان‌ها این امکان را می‌دهد که به‌طور خودکار کانتینرها را مدیریت، استقرار و مقیاس‌دهی کنند، به‌ویژه در محیط‌های ابری که تعداد کانتینرها می‌تواند به‌سرعت افزایش یابد.

اگر بخواهیم کوبرنتیز را ساده توضیح دهیم، می‌توان آن را یک مدیر هوشمند برای زیرساخت نرم‌افزارها در نظر گرفت. فرض کنید ده‌ها اپلیکیشن کوچک دارید که هرکدام در یک کانتینر ابری اجرا می‌شوند. مدیریت دستی این کانتینرها، به‌خصوص در یک فضای ابری، می‌تواند بسیار دشوار و زمان‌بر باشد. این ابزار با تشکیل یک خوشه‌ی کوبرنتیز (Kubernetes Cluster) و استفاده از گره‌های کوبرنتیز (Kubernetes Nodes)، به‌شکل خودکار تصمیم می‌گیرد که هر اپلیکیشن در کدام سرور اجرا شود، هنگام بروز خطا چه کاری انجام دهد و چگونه منابع را بهینه تخصیص دهد.

کاربردهای عملی کوبرنتیز

کوبرنتیز تنها یک ابزار نیست؛ بلکه سنگ‌ بنای تحول دیجیتال در دنیای DevOps ،Cloud و CI/CD محسوب می‌شود. در ادامه برخی از کاربردهای کلیدی آن را بررسی می‌کنیم:

1. مقیاس‌پذیری خودکار برنامه‌ها

با استفاده از اتوماسیون در کوبرنتیز، می‌توان منابع مورد نیاز اپلیکیشن‌ها را به‌شکل خودکار افزایش یا کاهش داد. این ویژگی به تیم‌ها کمک می‌کند تا بدون دخالت دستی، بار کاری سیستم را متعادل نگه دارند.

2. استفاده در DevOps

در فرآیندهای DevOps، سرعت و پایداری اهمیت بالایی دارد. کوبرنتیز و DevOps با هم ترکیب قدرت‌مندی را می‌سازند، زیرا کوبرنتیز امکان اتوماسیون در کوبرنتیز را برای دیپلوی، مقیاس‌دهی و مانیتورینگ اپلیکیشن‌ها فراهم می‌کند. این موضوع منجر به کاهش خطاهای انسانی و افزایش بهره‌وری تیم‌های توسعه و عملیات می‌شود.

3. معماری میکروسرویس‌ها

در معماری میکروسرویس‌ها، هر جز از برنامه به‌شکل مستقل اجرا و مدیریت می‌شود. کوبرنتیز با قابلیت‌هایی مانند بارگذاری مستقل، مقیاس‌پذیری افقی و به‌روزرسانی بدون توقف، ابزار ایده‌آلی برای پیاده‌سازی این معماری در کانتینر ابری است. این موضوع موجب افزایش انعطاف‌پذیری و تاب‌آوری اپلیکیشن‌ها در زمان اجرا می‌شود.

4. مدیریت چندین محیط ابری

سازمان‌ها برای بهره‌مندی از مزایای سرویس‌های ابری و کوبرنتیز، اغلب به استفاده از Kubernetes در محیط ابری چندگانه (Multi-Cloud) روی می‌آورند. کوبرنتیز با ارایه‌ی یک لایه انتزاعی، مدیریت یکپارچه منابع در محیط‌های مختلف ابری را ممکن می‌سازد و از قفل‌شدگی در یک ارایه‌دهنده‌ی خاص جلوگیری می‌کند.

در مجموع، کوبرنتیز نه‌تنها ابزاری برای مدیریت کانتینرها، بلکه سکویی برای ساختاردهی مدرن‌ترین اپلیکیشن‌های ابری محسوب می‌شود.

بررسی معماری اصلی کوبرنتیز

معماری کوبرنتیز بر پایه‌ی چند جز اصلی شکل گرفته که با همکاری یک‌دیگر، امکان ارکستراسیون کانتینرها را در مقیاس وسیع فراهم می‌کنند. در ادامه به مهم‌ترین عناصر این معماری اشاره می‌کنیم:

Podها

Pod‌ کوچک‌ترین و ابتدایی‌ترین واحد قابل اجرا در معماری کوبرنتیز است که یک یا چند کانتینر را در خود جای می‌دهد. این کانتینرها منابعی مانند شبکه، حافظه و فضای ذخیره‌سازی را با یک‌دیگر به اشتراک می‌گذارند. از دید کوبرنتیز، همه چیز در قالب Pod اجرا می‌شود.

گره‌ها (Nodes)

هر Pod برای اجرا نیاز به یک محیط فیزیکی یا مجازی دارد که در کوبرنتیز با نام گره (Node) شناخته می‌شود. هر گره کوبرنتیز (Kubernetes Node) شامل اجزایی مانند kubelet و kube-proxy است که وظیفه‌ی اجرای Podها و مدیریت منابع مانند CPU و حافظه را بر عهده دارند. گره‌ها بخشی از یک خوشه هستند و می‌توانند به‌شکل پویا به آن اضافه یا از آن جدا شوند.

خوشه‌ها (Clusters)

مجموعه‌ای از گره‌ها در کنار هم، یک خوشه کوبرنتیز (Kubernetes Cluster) را تشکیل می‌دهند. خوشه‌ها به‌طور متمرکز توسط یک کامپوننت کنترلی به نام Control Plane مدیریت می‌شوند. این ساختار به کوبرنتیز اجازه می‌دهد تا اپلیکیشن‌ها را در مقیاس وسیع، با پایداری بالا و در محیط‌های متنوع مانند فضای ابری یا On-Premise اجرا کند.

کنترلرها و سرویس‌ها

کنترلرها مانند ReplicaSet یا Deployment وظیفه دارند تا وضعیت مطلوب Podها را حفظ کنند (مثلن اگر یکی از آن‌ها از کار افتاد، به‌شکل خودکار جایگزین شود). سرویس‌ها نیز امکان دسترسی پایدار و قابل‌اطمینان به Podها را از طریق آدرس IP و نام دامنه داخلی فراهم می‌کنند. این دو مولفه نقش حیاتی در توزیع بار، خودترمیمی و اتوماسیون در کوبرنتیز دارند.

در بخش بعدی، به سراغ مزایای کوبرنتیز می‌رویم تا ببینیم چرا این پلتفرم در میان توسعه‌دهندگان و تیم‌های DevOps محبوبیت زیادی پیدا کرده است.

مزایای کوبرنتیز چیست؟

کوبرنتیز به‌عنوان یکی از ستون‌های اصلی فضای ابری و مدیریت کانتینرها، مجموعه‌ای از مزایای کلیدی را برای تیم‌های فنی و سازمان‌ها به‌همراه دارد که در ادامه به معرفی آن‌ها می‌پردازیم.

1. مقیاس‌پذیری خودکار

با استفاده از قابلیت Horizontal Pod Autoscaler، کوبرنتیز می‌تواند به‌طور خودکار منابع را بر اساس بار کاری افزایش یا کاهش دهد.

2. بازیابی خودکار

هنگام بروز خطا یا اختلال در اجرای Podها، سیستم به‌شکل خودکار آن‌ها را دوباره راه‌اندازی می‌کند تا در دسترس باقی بمانند.

3. انعطاف‌پذیری در محیط‌های چندگانه ابری

Kubernetes در محیط ابری این امکان را فراهم می‌کند تا برنامه‌ها را به‌شکل هم‌زمان در چند سرویس ابری و کوبرنتیز مختلف اجرا و مدیریت کنید.

4. مدیریت ساده‌تر کانتینرها

کوبرنتیز نقش یک سیستم مدیریت کانتینر قدرت‌مند را ایفا می‌کند که عملیات ساخت، اجرا، به‌روزرسانی و مقیاس‌دهی کانتینرها را ساده می‌سازد.

5. افزایش بهره‌وری توسعه‌دهندگان

با فراهم‌کردن زیرساخت قابل‌اعتماد و خودکار، توسعه‌دهندگان می‌توانند روی توسعه‌ی کد تمرکز کنند و از پیچیدگی‌های زیرساخت دور بمانند.

6. پشتیبانی از معماری میکروسرویس‌ها

کوبرنتیز با قابلیت‌هایی مانند بارگذاری مستقل و مدیریت جداگانه‌ی منابع، گزینه‌ای ایده‌آل برای اجرای معماری میکروسرویس‌ها است.

7. صرفه‌جویی در هزینه‌ها

با استفاده بهینه از منابع، مقیاس‌پذیری هوشمند و حذف نیاز به زیرساخت‌های سنتی، کوبرنتیز به کاهش چشم‌گیر هزینه‌های عملیاتی کمک می‌کند.

8. مدیریت فضای ذخیره‌سازی 

کوبرنتیز این امکان را به شما می‌دهد تا به انتخاب خودتان یک فضای ذخیره‌سازی را به سیستم اضافه کنید. توجه داشته باشید که این فضا می‌تواند فضای ابری عمومی یا خصوصی یا حتا یک فضای ذخیره‌سازی محلی باشد. با این تعریف، کوبرنتیز دست شما را باز می‌گذارد تا هنگام نیاز بتوانید با بهترین انتخاب، کار خود را ‌پیش ببرید

در کنار تمام مزایایی که کوبرنتیز برای تیم‌های فنی و کسب‌وکارها به‌همراه دارد درک چالش‌ها و محدودیت‌های آن نیز برای استفاده‌ی موثر ضروری است. در بخش بعد به بررسی چالش‌های استفاده از کوبرنتیز می‌پردازیم.

چالش‌های استفاده از کوبرنتیز چیست؟

با وجود تمام مزایای کوبرنتیز، استفاده از آن بدون دردسر نیست و نیاز به آگاهی از چالش‌های فنی، عملیاتی و امنیتی دارد.

1. پیچیدگی مدیریت

کوبرنتیز دارای ساختاری پیچیده است که شامل اجزای متعددی مانند Pod، گره‌های کوبرنتیز (Kubernetes Nodes) و خوشه کوبرنتیز می‌شود. راه‌اندازی، پیکربندی و نگه‌داری این ساختار نیازمند دانش تخصصی و تجربه در زمینه DevOps و ارکستراسیون کانتینر است.

2. هزینه‌های اجرایی

اجرای Kubernetes در محیط ابری یا زیرساخت‌های اختصاصی، به‌ویژه در مقیاس گسترده، می‌تواند هزینه‌بر باشد. هزینه‌های مرتبط با منابع محاسباتی، نگه‌داری، مانیتورینگ و امنیت باید به‌دقت مدیریت شود تا صرفه‌جویی در هزینه‌ها حفظ شود.

3. امنیت

در محیط‌های مبتنی بر کوبرنتیز، چالش‌های امنیتی مختلفی مانند کنترل دسترسی، ایزوله کردن شبکه، مدیریت رمزها و آسیب‌پذیری‌های کانتینر وجود دارد. به‌کارگیری سیاست‌های امنیتی سخت‌گیرانه، رمزنگاری داده‌ها و استفاده از ابزارهای تخصصی، بخشی از راه‌حل‌های مقابله با این چالش‌ها هستند.

آشنایی با ابزارهای مکمل و اکوسیستم کوبرنتیز

یکی از دلایل موفقیت کوبرنتیز، انعطاف‌پذیری آن در اتصال به ابزارهای جانبی است که اکوسیستم این پلتفرم را قدرت‌مندتر و کامل‌تر می‌کنند. در ادامه با سه ابزار کلیدی و پرکاربرد آشنا می‌شویم:

1. ابزار Helm

Helm به عنوان ابزار مدیریت پکیج در کوبرنتیز عمل می‌کند و امکان نصب، به‌روزرسانی و حذف اپلیکیشن‌ها را از طریق قالب‌هایی به نام «Chart» فراهم می‌سازد. این ابزار باعث می‌شود مدیریت و دیپلوی اپلیکیشن‌های پیچیده در Kubernetes Cluster بسیار ساده‌تر، ماژولار و قابل اتوماسیون شود.

2. سرویس Istio

Istio یک سرویس مش (Service Mesh) متن‌باز است که امکان مدیریت سرویس‌ها و ترافیک را در معماری میکروسرویس‌ها فراهم می‌کند. این ابزار با ارایه‌ی قابلیت‌هایی مانند احراز هویت، رمزنگاری، کنترل ترافیک، رصد و مانیتورینگ دقیق، امنیت و کنترل بیش‌تری در محیط‌های Kubernetes ایجاد می‌کند.

3. ابزار Prometheus

Prometheus یکی از محبوب‌ترین ابزارهای پایش و نظارت در اکوسیستم کوبرنتیز است. این ابزار با جمع‌آوری متریک‌ها از اجزای مختلف کوبرنتیز و ارایه‌ی داشبوردهای تحلیلی، به تیم‌های فنی کمک می‌کند تا عملکرد سیستم را در لحظه بررسی کرده و اقدامات لازم را انجام دهند.

این ابزارها تنها بخشی از گستره‌ی بزرگ ابزارهای مکمل کوبرنتیز هستند که در کنار هم، ساختار قدرت‌مند و یکپارچه‌ای برای توسعه و اجرای اپلیکیشن‌های مدرن در فضای ابری فراهم می‌کنند. انتخاب و پیاده‌سازی درست آن‌ها، عامل کلیدی در موفقیت پروژه‌های مبتنی بر کوبرنتیز خواهد بود.

مقایسه کوبرنتیز با سایر ابزارها

با وجود اینکه کوبرنتیز ابزار قدرتمندی برای مدیریت زیرساخت‌های کانتینری است، ابزارهای دیگری نیز در این فضا حضور دارند که هرکدام ویژگی‌ها و مزایای خاص خود را دارند. در ادامه، Kubernetes را با دو ابزار مهم دیگر مقایسه می‌کنیم.

مقایسه Docker و Kubernetes

این دو ابزار معمولن در کنار هم استفاده می‌شوند، اما تفاوت‌های بنیادی در کاربرد و عملکرد دارند. در جدول زیر به مقایسه Docker و Kubernetes پرداخته شده است.

با اینکه Docker ابزاری ضروری برای ایجاد کانتینرها است، اما کوبرنتیز برای اجرای آن‌ها در مقیاس و در کانتینر ابری طراحی شده است؛ این دو مکمل یک‌دیگر هستند، نه جایگزین.

مقایسه Kubernetes و OpenShift

OpenShift یک پلتفرم سازمانی مبتنی بر Kubernetes است که امکانات بیش‌تری برای مدیریت چرخه‌ی عمر اپلیکیشن‌ها ارایه می‌دهد.

اگر نیاز به سفارشی‌سازی و آزادی بیش‌تر دارید، Kubernetes گزینه‌ی بهتری است؛ اما اگر به‌دنبال محیطی سازمانی با ابزارهای از پیش یکپارچه‌شده هستید، OpenShift می‌تواند انتخاب مناسب‌تری باشد.

بهترین شیوه‌ها و توصیه‌ها برای پیاده‌سازی کوبرنتیز

پیاده‌سازی کوبرنتیز نیازمند رعایت مجموعه‌ای از اصول مهندسی و مدیریتی است که در ادامه به مهم‌ترین آن‌ها می‌پردازیم.

نحوه استقرار صحیح

برای یک استقرار بهینه، ابتدا باید مشخص کنید که Kubernetes در محیط ابری، On-Premise یا هیبرید پیاده‌سازی خواهد شد. انتخاب ابزار مناسب برای دیپلوی مانند kubeadm، kops یا استفاده از سرویس‌های مدیریت‌شده مانند GKE یا AKS، نقش کلیدی دارد. توصیه می‌شود برای شروع، از محیط‌های تستی با حداقل گره و Pod استفاده کنید و سپس به‌تدریج گسترش دهید.

مدیریت منابع

مدیریت درست منابع مانند CPU ،RAM و Storage در کوبرنتیز به کاهش هزینه‌های اجرایی و جلوگیری از هدررفت منابع کمک می‌کند. استفاده از Resource Quotas ،LimitRange و تنظیمات autoscaling باعث می‌شود بار پردازشی به‌شکل هوشمند توزیع شود. هم‌چنین، نظارت مستمر با ابزارهایی مانند Prometheus به تحلیل بهتر مصرف منابع کمک خواهد کرد.

پشتیبانی و نگه‌داری

برای حفظ پایداری خوشه کوبرنتیز، به‌روزرسانی مداوم اجزا، مانیتورینگ وضعیت گره‌ها و Podها و پشتیبان‌گیری منظم از داده‌ها ضروری است. استفاده از ابزارهایی مانند Velero برای بکاپ و تعریف سیاست‌های خودترمیمی، جزو اقداماتی است که نگه‌داری کوبرنتیز را ساده‌تر و موثرتر می‌کند.

استفاده از کانتینر ابری آروان‌کلاد

اگر به‌دنبال پیاده‌سازی سریع، امن و مقیاس‌پذیر کوبرنتیز در محیط ابری هستید، استفاده از کانتینر ابری آروان‌کلاد می‌تواند انتخابی هوشمندانه باشد. این سرویس مدیریت‌شده، امکان اجرای اپلیکیشن‌های کانتینری بدون نیاز به درگیری با پیچیدگی‌های زیرساخت را فراهم می‌کند. شما می‌توانید تنها با چند کلیک، خوشه کوبرنتیز خود را بسازید، سرویس‌های خود را به‌راحتی مستقر کنید و از امکاناتی مانند اتوماسیون در کوبرنتیز، مقیاس‌پذیری پویا و نظارت لحظه‌ای بهره‌مند شوید.

با رعایت این توصیه‌ها، می‌توانید از تمام ظرفیت‌های کوبرنتیز بهره‌برداری کرده و زیرساختی مقیاس‌پذیر، پایدار و قابل اعتماد در زیرساخت ابری ایجاد کنید.

جمع‌بندی

کوبرنتیز امروز به یکی از اجزای جدایی‌ناپذیر در دنیای توسعه، مدیریت کانتینرها و فضای ابری تبدیل شده است. از خودکارسازی فرآیندهای DevOps گرفته تا پشتیبانی از معماری میکروسرویس‌ها و اجرای پایدار اپلیکیشن‌ها در محیط‌های چندگانه ابری، همگی نشان‌دهنده انعطاف و قدرت این پلتفرم هستند. اما در کنار مزایا، چالش‌هایی مانند پیچیدگی مدیریتی و مسایل امنیتی نیز وجود دارند که نیازمند دانش، ابزارهای مناسب و زیرساخت قابل‌اعتماد هستند.