Kubernetes Architecture là gì? Các thành phần chính của kiến trúc Kubernetes

Kubernetes Architecture là kiến trúc hệ thống giúp vận hành, tự động hóa và mở rộng các ứng dụng container ở quy mô lớn một cách linh hoạt, nhất quán và an toàn. Kiến trúc này bao gồm nhiều thành phần tích hợp chặt chẽ, đảm nhận các vai trò khác nhau. Trong bài viết này mình sẽ giúp bạn hiểu rõ hơn về khái niệm, các thành phần chính, kiến trúc mạng của Kubernetes và một số tiện ích bổ sung.

Những điểm chính

1. Khái niệm: Hiểu rõ Kubernetes Architecture là hệ thống quản lý các containers ở quy mô lớn, giúp bạn hình dung cách các thành phần phối hợp để tự động hóa và quản lý hệ thống ở quy mô lớn.
2. Các thành phần chính: Nắm vững các thành phần cốt lõi của Control Plane và Node, giúp bạn hiểu rõ vai trò và trách nhiệm của từng bộ phận trong việc vận hành và duy trì trạng thái của cluster.
3. Kiến trúc mạng: Hiểu rõ cách Kubernetes xử lý kết nối mạng thông qua CNI và CoreDNS, qua đó vận hành hệ thống an toàn và hiệu quả.
4. Các tiện ích bổ sung: Nhận biết vai trò của các Add-ons trong việc mở rộng chức năng của Kubernetes, giúp bạn biết cách tích hợp thêm các công cụ giám sát, quản lý và bảo mật để hoàn thiện hệ thống.
5. Ví dụ triển khai thực tế: Tham khảo một ví dụ kiến trúc hoàn chỉnh, giúp bạn hình dung rõ ràng cách các thành phần như Cilium, CoreDNS và Cluster Autoscaler phối hợp với nhau trong một hệ thống thực tế.
6. Biết thêm Vietnix là nhà cung cấp nền tảng Cloud Server mạnh mẽ để triển khai và vận hành các kiến trúc Kubernetes một cách ổn định và hiệu quả.
7. Câu hỏi thường gặp: Giải đáp các thắc mắc liên quan đến Kubernetes Architecture.

Kubernetes Architecture là gì?

Kubernetes Architecture (gọi tắt là K8s) là kiến trúc hệ thống giúp vận hành, tự động hóa và mở rộng các ứng dụng được đóng gói trong các container ở quy mô lớn một cách linh hoạt, nhất quán và an toàn. Về bản chất, kiến trúc Kubernetes gồm nhiều thành phần tích hợp chặt chẽ, đảm nhận các vai trò khác nhau như quản lý trạng thái, lập lịch, giám sát, bảo mật và giao tiếp mạng giữa các container trên toàn bộ cluster.

Kiến trúc này cho phép triển khai các ứng dụng với tính sẵn sàng cao, dễ mở rộng, dễ tích hợp các dịch vụ hiện đại như monitoring, logging, bảo mật và quản lý tài nguyên. Nhờ đó, Kubernetes Architecture trở thành nền tảng chuẩn mực cho hầu hết các hệ thống cloud native và DevOps hiện đại.

1. Control Plane

Control Plane là trung tâm quản lý của Kubernetes, chịu trách nhiệm duy trì trạng thái toàn cụm Kubernetes. Các thành phần chính trong Control Plane bao gồm:

• Cluster: Đại diện cho toàn bộ hệ thống Kubernetes, bao gồm nhiều node kết nối với nhau và được điều khiển tập trung qua Control Plane.
• Kube-apiserver: Là thành phần cốt lõi, cung cấp HTTP API giao diện của Kubernetes. Đây là điểm tiếp theo nhận tất cả các yêu cầu từ người dùng cũng như các thành phần khác trong hệ thống và xác thực, lưu trữ các thay đổi vào etcd.
• etcd: Là một cơ sở dữ liệu đặc biệt, lưu trữ mọi thông tin quan trọng của cụm Kubernetes dưới dạng Key-Value (Khóa – Giá trị)
• Kube-scheduler: Là thành phần giúp bổ sung Pod chưa hoạt động đến Node phù hợp dựa trên tài nguyên và yêu cầu.
• Kube-controller-manager: Chạy các bộ điều khiển khác nhau như bộ điều khiển sao chép, bộ điều khiển điểm cuối để duy trì trạng thái mong muốn của hệ thống.
• Cloud-controller- manager (tùy chọn): Là thành phần giúp Kubernetes tích hợp sâu với các dịch vụ của nhà cung cấp đám mây, tách biệt các logic xử lý nội bộ của Kubernetes khỏi các logic riêng biệt của từng hãng cloud.

2. Worker Node

Worker Node là máy chủ vật lý hoặc máy ảo nơi các container được triển khai và vận hành. Mỗi Worker Node bao gồm các thành phần chính sau:

• Kubelet: Đóng vai trò là đại diện của Control Plane trên mỗi máy chủ, có nhiệm vụ tiếp nhận bản thiết kế (PodSpec) từ API Server. Kubelet trực tiếp giám sát vòng đời của các Pod, đảm bảo các container luôn chạy đúng trạng thái mong muốn và báo cáo sức khỏe của Node về trung tâm.
• Kube-proxy (tùy chọn): Đảm nhiệm việc quản lý và thực thi các quy tắc mạng (Network Rules) trên từng Node để duy trì sự thông suốt dữ liệu. Kube-proxy giúp định tuyến chính xác lưu lượng truy cập từ người dùng đến các Pod và hỗ trợ cân bằng tải nội bộ giữa các thành phần trong hệ thống.
• Container Runtime: Là phần mềm chuyên dụng (như containerd hoặc CRI-O) chịu trách nhiệm trực tiếp vào việc khởi tạo, chạy và dừng các container. Khi nhận lệnh từ Kubelet, nó sẽ tải các tệp thực thi (Images) về và tạo ra môi trường hoạt động cô lập cho ứng dụng.

Kiến trúc mạng trong Kubernetes

Kiến trúc mạng trong Kubernetes Kiến trúc mạng trong Kubernetes được thiết kế để đảm bảo kết nối ổn định, bảo mật và khả năng mở rộng cho các container ở quy mô lớn. Hệ thống này sử dụng chuẩn CNI (Container Network Interface) để tích hợp các plugin mạng khác nhau. Nhờ CNI, mỗi Pod trong cụm đều được cấp một địa chỉ IP riêng biệt, cho phép chúng giao tiếp trực tiếp với nhau trên toàn cụm mà không cần thông qua NAT.

Các plugin mạng phổ biến:

• Cilium: Sử dụng công nghệ eBPF tiên tiến, giúp tối ưu hiệu năng mạng, tăng cường bảo mật và cho phép kiểm soát lưu lượng chi tiết ở tầng ứng dụng (Layer 7).
• Calico: Nổi bật với khả năng quản trị Network Policy (chính sách mạng) mạnh mẽ, giúp kiểm soát chặt chẽ quyền truy cập giữa các Pod và hỗ trợ mở rộng hệ thống linh hoạt.
• Flannel: Là giải pháp mạng lớp phủ (overlay) đơn giản, dễ triển khai, phù hợp cho các môi trường vừa và nhỏ hoặc các cụm ưu tiên sự tinh gọn.
• Dịch vụ phân giải tên miền (CoreDNS): CoreDNS là thành phần thiết yếu cung cấp dịch vụ DNS nội bộ cho cụm. Nó tự động ánh xạ tên dịch vụ (Service Name) sang địa chỉ IP tương ứng, giúp các ứng dụng tự tìm thấy nhau (Service Discovery) một cách dễ dàng mà không cần ghi nhớ địa chỉ IP động của từng Pod.

Tiện ích bổ sung của Kubernetes

Tiện ích bổ sung (Add-ons) của Kubernetes Tiện ích bổ sung là các plugin giúp mở rộng chức năng của cụm Kubernetes. Chúng thường được triển khai dưới dạng DaemonSet hoặc Deployment trong namespace kube-system. Các tiện ích này hỗ trợ quản lý, giám sát hiệu suất và tăng cường bảo mật cho toàn bộ hệ thống.

Một số tiện ích nổi bật:

• CoreDNS: Máy chủ DNS nội bộ giúp phân giải tên dịch vụ (Service Name) sang địa chỉ IP của Pod, hỗ trợ cơ chế tự động khám phá dịch vụ (Service Discovery).
• KubeVirt: Một tiện ích mạnh mẽ cho phép chạy và quản lý máy ảo ngay bên trong các container trên cùng một hạ tầng Kubernetes.
• Metrics Server: Thu thập dữ liệu sử dụng CPU và bộ nhớ từ các Node và Pod, cung cấp dữ liệu cho bộ tự động mở rộng (Horizontal Pod Autoscaler).
• Calico: Cung cấp giải pháp mạng và chính sách bảo mật (Network Policy), giúp kiểm soát chi tiết lưu lượng ra/vào giữa các Pod.
• Kubernetes Dashboard: Giao diện đồ họa (Web UI) hỗ trợ quản lý, triển khai ứng dụng và xử lý lỗi trực quan thay vì chỉ dùng dòng lệnh.
• Các nền tảng quản trị nâng cao: Ngoài giao diện mặc định, các công cụ như Rancher, Devtron và Komodor cung cấp giải pháp quản trị tập trung nhiều cụm (Multi-cluster), quản lý vòng đời ứng dụng qua Helm Chart và phân quyền truy cập chuyên sâu.

Ví dụ thực tế triển khai kiến trúc Kubernetes

Bạn tiến hành thiết lập một cụm Kubernetes theo mô hình tiêu chuẩn bao gồm 01 Control Plane (Master Node) và 02 Worker Nodes. Sau khi hoàn tất cấu hình, hệ thống sẽ hiển thị danh sách 03 nút (nodes) hoạt động như sau:

1. Network – Cilium

Về kiến trúc mạng, cụm K8s triển khai Cilium CNI với cơ chế vận hành như sau:

• Cilium Pods (cilium-*): Chạy trên từng Node để xử lý networking trực tiếp, bao gồm gán địa chỉ IP, định tuyến Pod-to-Pod và áp dụng các quy tắc tường lửa.
• Cilium Operator: Quản lý tập trung các tác vụ điều phối ở mức Cluster (như quản lý IPAM và duy trì sức khỏe hệ thống mạng), giúp giảm tải cho các Agent tại từng Node.

2. DNS – CoreDNS + kube-dns-autoscaler

Về cơ chế phân giải tên miền nội bộ, chúng ta có các thành phần sau:

• CoreDNS (coredns-*): Chịu trách nhiệm ánh xạ (resolve) các tên dịch vụ nội bộ sang địa chỉ IP cụ thể, cho phép các Pod giao tiếp với nhau qua tên gọi thay vì địa chỉ IP động.
• kube-dns-autoscaler: Đảm nhiệm vai trò tự động hóa (Autoscaling). Nó đảm bảo số lượng instance CoreDNS luôn tương xứng với kích thước của Cluster, duy trì độ trễ thấp cho các thao tác tìm kiếm dịch vụ.

3. Storage – Cinder CSI

Cơ chế quản lý lưu trữ thông qua CSI Cinder được chia làm hai lớp xử lý:

• Tầng quản trị (Controller Plugin): Tiếp nhận yêu cầu từ người dùng để cấp phát tài nguyên lưu trữ và điều hướng việc gắn ổ đĩa vào đúng máy chủ mục tiêu.
• Tầng thực thi (Node Plugin): Chạy thường trực trên từng Worker Node để hoàn tất công đoạn cuối cùng là mount (gắn) các Volume vật lý vào thư mục làm việc của Pod.

Sự phối hợp này đảm bảo dữ liệu ứng dụng luôn được bảo toàn và có khả năng di động cao (Persistent Storage) trong cụm.

4. OpenStack Cloud Controller & Keystone

Việc tích hợp sâu với hạ tầng OpenStack được thực hiện qua hai thành phần then chốt:

• openstack-cloud-controller-manager: Chịu trách nhiệm đồng bộ hóa tài nguyên giữa tầng ứng dụng và tầng vật lý. Nó giúp quản lý tự động địa chỉ IP của Node và điều phối các dịch vụ LoadBalancer của đám mây theo yêu cầu từ Kubernetes.
• k8s-keystone-auth: Cung cấp cơ chế xác thực tập trung. Thay vì quản lý người dùng riêng biệt, hệ thống sẽ sử dụng trực tiếp tài khoản từ Keystone (OpenStack) để kiểm soát quyền hạn truy cập cụm, giúp tăng cường tính bảo mật và nhất quán cho toàn hệ thống.

5. Cluster Autoscaler

Cơ chế tự động điều chỉnh số lượng Node (Auto-scaling) được thực hiện như sau:

• Phát hiện thiếu hụt: Hệ thống nhận diện các Pod không được lập lịch (unschedulable) do các Node hiện tại đã đầy tải.
• Kích hoạt mở rộng: Cluster Autoscaler tương tác với API Cloud Vietnix để yêu cầu bổ sung thêm máy ảo làm Worker Node mới.
• Cân bằng cụm: Ngay khi Node mới sẵn sàng, Kubernetes sẽ tự động đẩy các Pod đang chờ vào thực thi, đảm bảo ứng dụng luôn có đủ tài nguyên để hoạt động ổn định.

6. Observability & Dashboard

Về khía cạnh giám sát và quản lý trực quan, chúng ta có:

• Giám sát sức khỏe Node (NPD): Tự động phát hiện các lỗi tiềm ẩn từ tầng sâu (Kernel, Disk) mà các thành phần mặc định của K8s có thể bỏ qua, giúp tăng cường độ tin cậy cho hạ tầng.
• Phân tích số liệu (Metrics): Thu thập dữ liệu thực tế từ các Node và Pod, phục vụ cho việc tự động điều chỉnh quy mô ứng dụng và hiển thị thông tin trực quan.
• Giao diện điều khiển (Dashboard): Công cụ hỗ trợ người dùng theo dõi toàn diện cụm K8s, cho phép xử lý sự cố (troubleshooting) thông qua việc xem log và sự kiện trực tiếp trên trình duyệt.

Vietnix – Nhà cung cấp nền tảng Cloud Server cho mọi kiến trúc Kubernetes

Vietnix là nhà cung cấp nền tảng cloud được hỗ trợ triển khai Kubernetes, từ môi trường thử nghiệm đến hệ thống production quy mô lớn. Với hạ tầng ổn định, khả năng mở rộng tài nguyên nhanh chóng và hiệu năng tối ưu cho workload container, bạn có thể dễ dàng xây dựng, vận hành và mở rộng cluster Kubernetes theo đúng nhu cầu thực tế. Bên cạnh đó, Vietnix còn cung cấp dịch vụ S3 Object Storage – Là lựa chọn hoàn hảo cho việc lưu trữ tài nguyên thông tin giúp doanh nghiệp vận hành hệ thống linh hoạt và chuyên nghiệp hơn. Liên hệ ngay!

Thông tin liên hệ:

• Website: https://vietnix.vn/
• Hotline: 1800 1093
• Email: sales@vietnix.com.vn
• Địa chỉ: 265 Hồng Lạc, Phường Bảy Hiền, Thành Phố Hồ Chí Minh

Qua bài viết này, hy vọng bạn đã nắm được kiến trúc Kubernetes cùng vai trò của các thành phần chính trong cluster. Việc hiểu rõ Kubernetes Architecture giúp bạn triển khai, vận hành và mở rộng hệ thống container hiệu quả, đồng thời xử lý sự cố chính xác hơn. Đây là nền tảng quan trọng để tiếp tục khai thác Kubernetes trong các môi trường thực tế và quy mô lớn. Cảm ơn bạn đã theo dõi bài viết!