Kubernetes workloads là gì? Các thức hoạt động và các loại workload resources trong Kubernetes

Kubernetes workloads là các ứng dụng hoặc tác vụ container hóa chạy trên cluster Kubernetes, được quản lý thông qua Pod và các controller như Deployment, StatefulSet, DaemonSet. Bài viết này sẽ giúp bạn hiểu cách Kubernetes workloads hoạt động và các loại workload resources phổ biến để triển khai và vận hành ứng dụng hiệu quả.

Những điểm chính

1. Khái niệm Kubernetes workloads: Hiểu rõ workloads là tập hợp các ứng dụng chạy trên Kubernetes, giúp nắm được vai trò của chúng trong việc triển khai và quản lý ứng dụng container hóa.
2. Cách thức hoạt động: Nắm được cơ chế tự động hóa của Kubernetes workloads thông qua các controller, giúp hiểu cách hệ thống duy trì trạng thái mong muốn và tự phục hồi khi có sự cố.
3. Các loại workload resources: Phân biệt được các loại workload chính như Pod, Deployment, StatefulSet, DaemonSet, Job và CronJob, giúp lựa chọn đúng tài nguyên phù hợp cho từng loại ứng dụng.
4. Bảo mật workload: Biết các thành phần bảo mật quan trọng như RBAC, Network Policy và Pod Security Standards, giúp bảo vệ dữ liệu và ngăn chặn truy cập trái phép vào ứng dụng.
5. Quản lý trên nhiều môi trường: Hiểu được cách triển khai workload trên các môi trường on premises, multi cloud và hybrid cloud, giúp lựa chọn chiến lược phù hợp để tối ưu hiệu suất và giảm thiểu rủi ro.
6. Sử dụng Custom Workload Resources: Nắm được cách tạo và sử dụng tài nguyên tùy chỉnh (CRD), giúp mở rộng API của Kubernetes để quản lý các ứng dụng phức tạp theo nhu cầu riêng.
7. Tính năng hỗ trợ và mở rộng: Tìm hiểu về các tính năng như Garbage Collection và TTL controller, giúp quản lý tài nguyên hiệu quả và duy trì hệ thống luôn sạch sẽ, tối ưu.
8. Hướng dẫn triển khai: Nắm được các bước cơ bản để triển khai, kiểm tra, mở rộng và xóa một workload, giúp áp dụng vào thực tế để quản lý vòng đời ứng dụng một cách hiệu quả.
9. Thách thức và giải pháp: Nhận biết những khó khăn trong việc quản lý workload và các giải pháp tối ưu, giúp đơn giản hóa cấu hình và đảm bảo tính nhất quán khi vận hành ở quy mô lớn.
10. Biết thêm Vietnix: Tìm hiểu về Enterprise Cloud của Vietnix, giúp có thêm lựa chọn hạ tầng tối ưu cho Kubernetes workloads.
11. Câu hỏi thường gặp: Được giải đáp các thắc mắc phổ biến về Kubernetes workloads, giúp phân biệt các khái niệm và hiểu rõ hơn về các tài nguyên liên quan.

Kubernetes workloads là gì?

Kubernetes workloads là các ứng dụng hoặc tác vụ được container hóa chạy trên cụm Kubernetes. Chúng được triển khai và quản lý thông qua Pod cùng các controller như Deployment, StatefulSet, DaemonSet, giúp tự động hóa việc triển khai, mở rộng và quản lý vòng đời ứng dụng.

Cách thức hoạt động của Kubernetes workloads

Khi bạn tạo workload trong Kubernetes, hệ thống sẽ định nghĩa trạng thái mong muốn như số lượng Pod cần chạy hoặc thông số cụ thể của ứng dụng. Dựa vào cấu hình các loại workload (Deployment, StatefulSet, DaemonSet,…), Kubernetes liên tục so sánh trạng thái hiện tại của cluster với trạng thái mong muốn và tự động thực thi các thay đổi (tạo, xóa, cập nhật Pod) nếu có sự sai lệch.

Controller chịu trách nhiệm giám sát và khôi phục trạng thái vận hành thông qua cơ chế tự phục vụ và tự hồi phục. Quy trình làm việc bắt đầu từ việc mô tả workload bằng file YAML, trong đó quy định hình ảnh container, số lượng bản sao Pod, resource cần thiết, loại workload resource. Scheduler sẽ phân phối Pod lên node phù hợp, trong khi control plane luôn theo dõi, đảm bảo tính sẵn sàng của ứng dụng, tự hồi phục khi có sự cố và đơn giản hóa quản trị vận hành container hóa toàn hệ thống.

Các loại workload resources trong Kubernetes

Pod

Pod là đơn vị nhỏ nhất trong Kubernetes, dùng để nhóm một hoặc nhiều container cùng chạy trên một node. Các container trong Pod chia sẻ địa chỉ IP, mạng và ổ lưu trữ, giúp chúng phối hợp hiệu quả. Vòng đời của Pod được Kubernetes quản lý hoàn toàn từ lúc tạo, vận hành đến khi bị xóa hoặc tái tạo khi gặp sự cố. Nếu node gặp lỗi, Pod cũng bị mất theo và sẽ được controller tạo mới để duy trì trạng thái mong muốn.

Deployment và ReplicaSet

Deployment là loại workload phổ biến nhất dùng để quản lý các ứng dụng không trạng thái (stateless). Deployment đảm bảo rằng số lượng Pod luôn đúng theo cấu hình định nghĩa và có thể thay thế bất kỳ Pod nào khi cần. ReplicaSet là thành phần bên dưới, chịu trách nhiệm giữ số lượng Pod mong muốn, thường được quản lý bởi Deployment để dễ dàng mở rộng và cập nhật.

StatefulSet

StatefulSet được thiết kế cho các ứng dụng có trạng thái (stateful) cần lưu trữ dữ liệu bền vững. Mỗi Pod trong StatefulSet là một thực thể duy nhất được gắn với Persistent Volume riêng, phù hợp cho các hệ thống cơ sở dữ liệu hoặc các dịch vụ cần giữ trạng thái qua các lần khởi động lại và mở rộng.

DaemonSet

DaemonSet dùng để triển khai một Pod trên mỗi node trong cụm Kubernetes khớp với tiêu chí xác định. Các Pods này thường cung cấp các dịch vụ hệ thống như thu thập log, giám sát hoặc các tính năng mạng cục bộ, đảm bảo mỗi node đều có một instance của dịch vụ nào đó hoạt động.

Job và CronJob

Job tạo ra một hoặc nhiều Pod chạy đến khi hoàn thành một tác vụ cụ thể và sau đó dừng lại, phù hợp với các tác vụ chạy một lần. CronJob mở rộng Job để chạy định kỳ theo lịch trình được cấu hình bằng cú pháp cron, dùng cho các tác vụ tự động như sao lưu dữ liệu hay gửi báo cáo theo lịch.

Bảo mật workload trong Kubernetes

Cấu trúc bảo mật của Kubernetes giúp bảo vệ dữ liệu, truyền thông và ngăn chặn truy cập trái phép hoặc tấn công vào workload chạy trên cụm. Một số thành phần quan trọng của cơ chế bảo mật workload gồm:

Role Based Access Control (RBAC)

Role Based Access Control quy định quyền truy cập tài nguyên workload dựa trên vai trò, nhiệm vụ của từng người dùng hoặc dịch vụ. Bạn có thể kiểm soát chặt chẽ quyền thực thi bằng các đối tượng như Role, ClusterRole, RoleBinding và ClusterRoleBinding.

Network Policy

Network Policy cho phép cô lập và kiểm soát luồng dữ liệu mạng giữa các Pod, đảm bảo chỉ có traffic được phép mới đi vào hoặc rời khỏi workload. Bạn có thể thiết lập chính sách truy cập mạng chi tiết dựa trên địa chỉ nguồn, đích và từng ứng dụng.

Pod Security Standards

Pod Security Standards đưa ra tiêu chuẩn bảo mật tối thiểu cho các Pod trong workload trên Kubernetes. Thay thế Pod Security Policy (PSP) đã deprecated, PSS sử dụng label và admission webhook để gán các mức độ bảo mật: privileged (mở rộng quyền), baseline (mức sẵn sàng) và restricted (siết chặt bảo vệ, tuân thủ khuyến nghị). Điều này giúp kiểm soát môi trường chạy của ứng dụng tốt hơn, hạn chế rủi ro do cấu hình yếu hoặc sai lệch.

Quản lý workload Kubernetes trên nhiều môi trường

Workload Kubernetes có thể được triển khai và vận hành trên nhiều loại môi trường khác nhau như on premises, multi cloud hoặc hybrid cloud:

• Triển khai on premises giúp kiểm soát trực tiếp và tăng bảo mật, song hạn chế khả năng tự động mở rộng và tính sẵn sàng.
• Multi cloud và hybrid cloud sẽ tăng chủ động lựa chọn dịch vụ, tối ưu hiệu suất, giảm phụ thuộc cũng như rủi ro downtime; tuy nhiên cần vượt qua thách thức về sự phức tạp trong quản lý nhiều cấu hình.

Cách sử dụng Custom Workload Resources

Kubernetes cho phép tạo và sử dụng các workload tùy chỉnh thông qua Custom Resource Definitions (CRD). CRD mở rộng API của Kubernetes bằng cách định nghĩa một loại tài nguyên mới mà bạn tự thiết kế, chứa cấu trúc và quy tắc riêng. Khi tạo Custom Resource Definitions, bạn có thể quản lý các đối tượng này như các workload chuẩn trong Kubernetes.

Để tạo một Custom Resource Definition, bạn chuẩn bị file YAML định nghĩa Custom Workload Resources với tên API, nhóm, phiên bản và schema của tài nguyên. Sau đó, áp dụng lệnh:

kubectl apply -f your-crd-definition.yaml

Sau khi Custom Workload Resources được tạo, một API endpoint mới xuất hiện, cho phép bạn tạo và quản lý các custom workloads theo cách tương tự các workload mặc định.

Các tính năng hỗ trợ và mở rộng workload

Kubernetes cung cấp nhiều tính năng hỗ trợ và mở rộng giúp quản lý workload hiệu quả và duy trì hệ thống luôn tối ưu. Các tính năng tiêu biểu gồm:

• Garbage Collection tự động dọn dẹp các tài nguyên không còn sử dụng như các Pod đã bị hủy, Job đã hoàn thành, hoặc các container, hình ảnh bị bỏ quên, giúp giải phóng không gian và ngăn ngừa rác hệ thống tồn đọng.
• Time to live (TTL) controller cho Job cho phép tự động xóa các Job sau một khoảng thời gian kể từ khi chúng hoàn thành, giúp quản lý tài nguyên sạch sẽ và tối ưu hơn.
• Kết hợp với các dịch vụ Service và Ingress để cung cấp truy cập. Service giữ vai trò cân bằng tải và định danh ổn định cho các Pods, trong khi Ingress quản lý việc truy cập HTTP/HTTPS từ bên ngoài vào các ứng dụng chạy trên cluster, mở rộng và bảo vệ truy cập cho workload.

Nhờ các tính năng này, Kubernetes không chỉ giữ cho môi trường chạy workload mượt mà mà còn đảm bảo khả năng truy cập hiệu quả và đáng tin cậy cho ứng dụng.

Hướng dẫn triển khai workload

Đầu tiên, bạn cần viết file YAML định nghĩa workload (ví dụ: Deployment, StatefulSet) với thông tin container, số lượng bản sao (replicas) và tài nguyên sử dụng. Ví dụ cho một Deployment:

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: my-app-deployment
spec:
  replicas: 3
  selector:
    matchLabels:
      app: my-app
  template:
    metadata:
      labels:
        app: my-app
    spec:
      containers:
      - name: my-app-container
        image: nginx:latest
        resources:
          requests:
            memory: "64Mi"
            cpu: "250m"
          limits:
            memory: "128Mi"
            cpu: "500m"

Sau đó, bạn cần áp dụng file YAML để triển khai workload bằng việc sử dụng câu lệnh sau để apply cấu hình:

kubectl apply -f my-app-deployment.yaml

Lệnh này sẽ tạo các Pod và controller liên quan dựa trên nội dung file YAML. Tiếp theo, bạn cần số lượng Pod đang chạy bằng lệnh:

kubectl get pods -l app=my-app

Để kiểm tra trạng thái của Deployment thì bạn cần sử dụng lệnh:

kubectl get deployment my-app-deployment

Nếu bạn muốn mở rộng số lượng pod thì có thể áp dụng lệnh:

kubectl scale deployment my-app-deployment --replicas=5

Nếu bạn muốn cập nhật phiên bản ứng dụng/container thì có thể sử dụng lệnh:

kubectl set image deployment/my-app-deployment my-app-container=nginx:1.25

Để xóa workload khi không còn sử dụng thì bạn hãy sử dụng lệnh:

kubectl delete -f my-app-deployment.yaml

Thách thức và giải pháp tối ưu khi quản lý workload Kubernetes

Quản lý workload trên Kubernetes luôn tiềm ẩn nhiều thách thức bởi sự đa dạng, phức tạp của các loại workload, bối cảnh sử dụng và cùng môi trường triển khai khác nhau:

Giải quyết sự phức tạp trong cấu hình workload

Việc đơn giản hóa và chuẩn hóa cấu hình workload là điểm mấu chốt, đặc biệt khi vận hành trên nhiều môi trường hoặc cloud. Sử dụng công cụ như Helm, Kustomize hay Skaffold giúp bạn quản lý và tái sử dụng các manifest, controller, resource cũng như thông số cấu hình nhanh chóng, hạn chế sai lệch và tăng tính nhất quán khi cập nhật hoặc mở rộng hệ thống.

Đảm bảo tính nhất quán khi triển khai diện rộng

Duy trì nhất quán về trạng thái và hành vi của workloads giữa các cụm Kubernetes, các nhà cung cấp cloud hay môi trường phát triển khác nhau là yếu tố quyết định tính ổn định và khả năng vận hành. Việc này cần sự hỗ trợ của các giải pháp như Infrastructure as Code (IaC), quản lý mã nguồn, cùng các phương pháp như GitOps, Service Mesh hoặc Policy Engine để kiểm soát, tự động hóa và phát hiện kịp thời các sai lệch cấu hình.

Vietnix Enterprise Cloud: Nền tảng hạ tầng tối ưu cho Kubernetes workloads

Hiểu rõ các loại Kubernetes workload là bước đầu tiên, nhưng để chúng vận hành hiệu quả, bạn cần một nền tảng hạ tầng đủ mạnh mẽ và linh hoạt. Để giải quyết bài toán này, giải pháp Enterprise Cloud của Vietnix mang đến một nền tảng IaaS thế hệ mới. Thay vì thuê từng VPS đơn lẻ, bạn sẽ sở hữu một cụm tài nguyên (CPU, RAM, NVMe Storage) riêng biệt, từ đó có toàn quyền tạo và quản lý các Cloud Server đóng vai trò là node cho cụm Kubernetes một cách tự chủ và nhanh chóng.

Nền tảng này được thiết kế để tối ưu cho việc triển khai Kubernetes với các ưu điểm vượt trội: Hiệu năng đỉnh cao từ CPU AMD EPYC và 100% ổ cứng NVMe, hỗ trợ triển khai Kubernetes Cluster miễn phí ngay trên giao diện, khả năng tự động hóa qua API giúp tích hợp CI/CD, độ ổn định cao với kiến trúc HA và chi phí cố định, dễ dự toán. Đây là lựa chọn lý tưởng để doanh nghiệp xây dựng một nền tảng hạ tầng vững chắc cho các ứng dụng cloud-native.

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

Kubernetes workloads chính là chìa khóa để doanh nghiệp và kỹ sư hiện đại hóa vận hành ứng dụng, tối ưu tài nguyên và đảm bảo tính linh hoạt cho hệ thống container hóa. Việc áp dụng đúng các loại workloads, kết hợp quản lý bảo mật và tích hợp đa tầng môi trường sẽ giúp bạn xây dựng giải pháp vận hành thông minh, bền vững.