Kubernetes Cluster là gì? Tổng quan những điều cần biết về Kubernetes Cluster chi tiết

Kubernetes Cluster là một tập hợp các máy chủ riêng lẻ được liên kết và phối hợp làm việc với nhau để triển khai, quản lý và điều phối các ứng dụng container một cách tự động và linh hoạt. Trong bài viết này, mình sẽ cùng bạn tìm hiểu chi tiết về Kubernetes Cluster, phân tích chi tiết từng thành phần, từ Control Plane đến Worker Node để giúp bạn nắm vững nền tảng để triển khai và quản lý hệ thống một cách hiệu quả.

Những điểm chính

1. Khái niệm Kubernetes Cluster: Hiểu rõ Kubernetes Cluster là gì, vai trò của nó trong việc triển khai và điều phối các container ứng dụng.
2. Cấu trúc cơ bản của Kubernetes Cluster: Nắm được mô hình tổng thể gồm Control Plane và các Worker Node, cùng chức năng của từng thành phần.
3. Phân tích cấu trúc chi tiết: Nắm được vai trò của từng thành phần trong Control Plane, trên các Node và các thành phần mở rộng để hiểu cách cluster hoạt động.
4. Các khái niệm cơ bản: Biết được các khái niệm nền tảng như Pod, Deployment, Service và Ingress, là những khối xây dựng cần thiết cho mọi ứng dụng.
5. Cơ chế vận hành: Hiểu cách Kubernetes duy trì trạng thái mong muốn và các công cụ như kubectl được sử dụng để tương tác và quản lý cluster.
6. Sự linh hoạt trong kiến trúc: Khám phá các tùy chọn triển khai Control Plane và khả năng tùy chỉnh nâng cao, giúp bạn lựa chọn mô hình phù hợp.
7. Giải pháp từ Vietnix: Tìm hiểu về Cloud Server Enterprise của Vietnix, một nền tảng lý tưởng và được tối ưu sẵn để triển khai Kubernetes Cluster một cách dễ dàng và hiệu quả.
8. Giải đáp thắc mắc (FAQ): Nhận được câu trả lời cho các câu hỏi thực tế về khả năng tự động mở rộng, xử lý lỗi và các lựa chọn triển khai.

Kubernetes Cluster là gì?

Kubernetes Cluster là một tập hợp gồm nhiều máy chủ riêng lẻ, được gọi là các node, hoạt động và kết nối thống nhất với nhau. Mục tiêu cốt lõi của Kubernetes Cluster là để triển khai và điều phối các ứng dụng được đóng gói trong container. Các ứng dụng này có ưu điểm là gọn nhẹ và linh hoạt hơn so với máy ảo (VM), từ đó cho phép quá trình phát triển, di chuyển và quản lý trở nên dễ dàng hơn.

Hệ thống Kubernetes Cluster có khả năng tự động lên lịch và chạy các container trên một nhóm máy chủ, bất kể đó là máy chủ vật lý hay máy ảo. Cụm hoạt động như một bộ máy điều phối trung tâm, chịu trách nhiệm quản lý toàn diện mọi hoạt động diễn ra bên trong, bao gồm việc khởi chạy, tạm dừng, khởi động lại container, quản lý volume lưu trữ, phân chia quyền hạn, cân bằng tải và đưa ra các quyết định điều chỉnh quy mô ứng dụng khi cần thiết.

Cấu trúc cơ bản của Kubernetes Cluster

Một Cluster Kubernetes hoàn chỉnh, dù ở quy mô nhỏ nhất, luôn được cấu thành từ hai thành phần chính: Control Plane và một hoặc nhiều máy tính làm việc được gọi là các node:

• Control Plane: Thành phần này chịu trách nhiệm quản lý tổng thể các worker node và các Pod hoạt động bên trong cụm. Control Plane liên tục duy trì trạng thái mong muốn của cluster, ví dụ như xác định ứng dụng nào đang chạy và phiên bản container image nào được sử dụng.
• Worker Node: Đây là môi trường nơi các Pod – thành phần cấu thành nên ứng dụng, được triển khai và vận hành.

Để có thể hoạt động, một cluster đòi hỏi tối thiểu một node làm việc. Tuy nhiên, trong các môi trường sản xuất thực tế, Control Plane thường được triển khai trên nhiều máy tính và cluster sẽ bao gồm nhiều node. Kiến trúc phân tán này nhằm mục đích cung cấp khả năng chịu lỗi và đảm bảo tính sẵn sàng cao cho toàn bộ hệ thống.

Các thành phần của Control Plane

Control Plane chịu trách nhiệm đưa ra các quyết định mang tính toàn cục cho cluster cũng như phát hiện và phản hồi lại các sự kiện. Các thành phần này có thể chạy trên bất kỳ máy nào trong cụm, nhưng thông thường chúng được gom lại và vận hành trên cùng một máy chủ chính (Master Node).

• kube-apiserver (Máy chủ API): Thành phần này đóng vai trò là giao diện mặt trước (front end) của toàn bộ Control Plane. Chức năng chính của kube-apiserver là cung cấp API của Kubernetes, qua đó quản lý mọi giao tiếp cả bên trong và bên ngoài cluster. Để tăng cường hiệu năng, kube-apiserver được thiết kế để có thể mở rộng quy mô theo chiều ngang bằng cách triển khai thêm nhiều phiên bản.
• etcd (Kho lưu trữ): Là một kho lưu trữ dạng key-value, có đặc tính nhất quán và tính sẵn sàng cao, thường được sử dụng như một kho lưu trữ hậu thuẫn, nơi lưu trữ toàn bộ dữ liệu cấu hình và trạng thái của cluster. Với tầm quan trọng này, việc xây dựng một kế hoạch sao lưu cho dữ liệu etcd là yêu cầu bắt buộc.
• kube-scheduler (Bộ lập lịch): Thành phần này có nhiệm vụ theo dõi các Pod mới được tạo ra nhưng chưa được gán cho một node nào. Sau khi phát hiện, kube-scheduler sẽ đưa ra quyết định lựa chọn một node phù hợp nhất để Pod đó được triển khai và vận hành. Quá trình ra quyết định này dựa trên nhiều yếu tố phức tạp, bao gồm: Yêu cầu tài nguyên của Pod, các giới hạn về phần cứng/phần mềm/chính sách, các thông số về ái lực (affinity/anti-affinity), vị trí dữ liệu, và các yếu tố khác.
• kube-controller-manager (Trình quản lý bộ điều khiển): Thành phần này chịu trách nhiệm chạy các tiến trình điều khiển. Về mặt logic, mỗi bộ điều khiển là một tiến trình riêng biệt, nhưng để giảm độ phức tạp, chúng được biên dịch và chạy chung trong một tệp nhị phân duy nhất. Chức năng của các bộ điều khiển là liên tục so sánh trạng thái thực tế của cluster với trạng thái mong muốn đã được khai báo và tự động thực hiện các điều chỉnh cần thiết.
• cloud-controller-manager (Trình quản lý bộ điều khiển đám mây): Cho phép cluster có thể liên kết và tương tác với API của nhà cung cấp đám mây. Thành phần này chỉ cần thiết khi bạn vận hành Kubernetes trên một nền tảng đám mây công cộng. Các bộ điều khiển phụ thuộc vào nhà cung cấp đám mây có thể kể đến như: Node controller, Route controller, và Service controller.

Các thành phần trên Node

Các thành phần này được cài đặt và chạy trên mỗi worker node, có nhiệm vụ duy trì hoạt động của các Pod và cung cấp môi trường runtime cần thiết cho Kubernetes.

• kubelet: Là một agent hoạt động trên mỗi node trong cụm, không quản lý các container không được tạo bởi Kubernetes. Nhiệm vụ chính của kubelet là đảm bảo rằng các container được khai báo trong PodSpec đang thực sự chạy và ở trạng thái ổn định. Để làm được điều này, kubelet sẽ tương tác trực tiếp với container runtime.
• kube-proxy (Proxy mạng): Là một proxy mạng chạy trên mỗi node, chịu trách nhiệm duy trì các quy tắc mạng. Những quy tắc này cho phép việc giao tiếp mạng đến các Pod có thể diễn ra từ các phiên kết nối bên trong hoặc bên ngoài cluster. Thành phần này triển khai một phần của khái niệm Service trong Kubernetes.
• Container runtime: Là thành phần phần mềm nền tảng, chịu trách nhiệm quản lý việc thực thi và vòng đời của các container. Về cơ bản, container runtime chính là công cụ cho phép Kubernetes có thể chạy các container một cách hiệu quả. Kubernetes hỗ trợ nhiều loại runtime khác nhau, tiêu biểu như containerd, CRI-O, và bất kỳ triển khai nào tuân thủ theo tiêu chuẩn CRI.

Các thành phần mở rộng

Addons là các thành phần sử dụng tài nguyên của Kubernetes (như DaemonSet, Deployment) để triển khai các tính năng ở cấp độ toàn cluster. Các tài nguyên này thường thuộc về không gian tên kube-system.

• DNS (Cluster DNS): Đây là một máy chủ DNS, có vai trò phục vụ các bản ghi DNS cho các Kubernetes Service, giúp các dịch vụ có thể giao tiếp với nhau bằng tên thay vì địa chỉ IP. Thành phần này được xem là cực kỳ quan trọng và hầu hết các cluster Kubernetes đều cần phải có.
• Web UI (Dashboard): Cung cấp một giao diện người dùng đa năng dựa trên nền tảng web, giúp người dùng quản lý và khắc phục sự cố cho các ứng dụng đang chạy trong cluster một cách trực quan.
• Giám sát tài nguyên Container: Thành phần này thực hiện việc ghi lại các số liệu theo thời gian thực của các container vào một cơ sở dữ liệu tập trung, đồng thời cung cấp giao diện để người dùng có thể duyệt và phân tích các dữ liệu này.
• Ghi nhật ký cấp độ cụm: Cung cấp một cơ chế chịu trách nhiệm lưu trữ nhật ký (log) của các container vào một kho lưu trữ tập trung, đi kèm với giao diện tìm kiếm và duyệt log, giúp cho việc gỡ lỗi và giám sát hệ thống trở nên dễ dàng hơn.
• Network plugins: Các plugin mạng thực hiện đặc tả giao diện mạng container (CNI), chịu trách nhiệm cấp phát địa chỉ IP cho các Pod và cho phép các Pod có thể giao tiếp với nhau trên toàn bộ cluster.

1. Pod

Trong hệ sinh thái Kubernetes, Pod được định nghĩa là thực thể nhỏ nhất và là đơn vị triển khai tiêu chuẩn. Thay vì triển khai trực tiếp từng container, Kubernetes quản lý các Pod. Một Pod có thể chứa một hoặc nhiều container hoạt động cùng nhau. Các container bên trong cùng một Pod sẽ chia sẻ chung các tài nguyên hệ thống như không gian mạng và không gian lưu trữ.

2. Replica Set và Deployment

Pod là một thực thể độc lập và có vòng đời tạm thời. Nếu node chứa Pod đó gặp sự cố, Pod sẽ bị mất đi và không tự động được khởi tạo lại. Để giải quyết vấn đề này và đảm bảo tính ổn định, Kubernetes cung cấp các đối tượng quản lý cấp cao hơn:

• Replica Set: Đối tượng này có mục đích chính là đảm bảo một số lượng bản sao (replica) của một Pod luôn được duy trì và hoạt động ổn định. Nếu một Pod bị lỗi, Replica Set sẽ tự động tạo ra một Pod mới để thay thế, qua đó duy trì tính liên tục cho dịch vụ.
• Deployment: Đây là một đối tượng quản lý Kubernetes cấp cao hơn, thường được sử dụng để quản lý các Replica Set. Deployment cung cấp khả năng khai báo và quản lý vòng đời của ứng dụng, cho phép người dùng thực hiện các tác vụ như triển khai, cập nhật hoặc quay lại phiên bản trước một cách an toàn mà không làm gián đoạn dịch vụ.

3. Service và Ingress

Việc các Pod có thể bị thay thế và có địa chỉ IP thay đổi đòi hỏi một cơ chế kết nối mạng ổn định hơn.

• Service: Một Service được sử dụng để cung cấp một Pod hoặc một nhóm các Pod ra bên ngoài thông qua một điểm cuối (endpoint) mạng duy nhất và ổn định. Service hoạt động như một bộ cân bằng tải nội bộ, định tuyến lưu lượng truy cập đến các Pod phù hợp, giúp các thành phần của ứng dụng có thể giao tiếp với nhau một cách đáng tin cậy.
• Ingress: Trong khi Service chủ yếu phục vụ giao tiếp bên trong cluster, Ingress lại là đối tượng được sử dụng để quản lý truy cập từ bên ngoài vào các Service bên trong cluster. Ingress có thể cung cấp các quy tắc định tuyến dựa trên host hoặc path, cân bằng tải và kết thúc SSL/TLS, cho phép lưu lượng truy cập từ Internet công cộng có thể tiếp cận được ứng dụng.

1. Cách Cluster duy trì trạng thái mong muốn

Mỗi Kubernetes Cluster hoạt động dựa trên một tín hiệu đầu vào, được gọi là trạng thái mong muốn (desired state). Trạng thái này được người dùng định nghĩa thông qua các file cấu hình được viết dưới dạng YAML hoặc JSON. Các file này khai báo chi tiết về ứng dụng hoặc khối lượng công việc cần chạy, container image sẽ được sử dụng, tài nguyên cần cung cấp, số lượng bản sao cần thiết và các chi tiết cấu hình khác.

Sau khi nhận được khai báo, Kubernetes sẽ tự động và liên tục làm việc để điều chỉnh trạng thái thực tế của cluster sao cho khớp với trạng thái mong muốn đã được khai báo. Ví dụ, nếu trạng thái mong muốn yêu cầu chạy 3 bản sao của một ứng dụng và một trong số các container gặp sự cố, Kubernetes sẽ tự động phát hiện sự sai lệch này và khởi tạo một bản sao mới để thay thế, đảm bảo số lượng luôn là 3.

2. Phương thức làm việc và công cụ

Để truyền đạt trạng thái mong muốn này đến cluster, người dùng tương tác với hệ thống thông qua API Kubernetes. Công cụ dòng lệnh kubectl là phương thức phổ biến và mạnh mẽ nhất để giao tiếp với API này, cho phép người dùng đặt hoặc sửa đổi trạng thái mong muốn của cluster.

Đối với người dùng mới, việc khởi tạo một cluster có thể được đơn giản bằng các công cụ chuyên biệt:

• Các công cụ khởi tạo: Minikube là một công cụ mã nguồn mở phổ biến giúp tạo ra một cluster đơn giản chỉ với một Worker Node, rất phù hợp cho việc học tập và phát triển cục bộ. Đối với các môi trường phức tạp hơn, các công cụ như kubeadm, kops, và Kubespray cung cấp các phương pháp triển khai linh hoạt hơn.
• Quy trình làm việc cơ bản (sử dụng kubeadm):
  • Cài đặt: Cài đặt các phần mềm cần thiết như containerization tool (ví dụ: Docker), kubeadm, kubelet, và kubectl trên cả Master Node và các Worker Node.
  • Khởi tạo: Chạy lệnh kubeadm init trên Master Node để khởi tạo Control Plane.
    

    kubeadm init

  • Tham gia cụm: Sau khi khởi tạo thành công, một lệnh tham gia (join command) sẽ được tạo ra. Sử dụng lệnh này trên các Worker Node để chúng kết nối vào cluster.
  • Giao diện UI: Chạy lệnh kubectl proxy trên máy chủ chính để có thể truy cập vào giao diện dashboard của Kubernetes từ trình duyệt.

    kubectl proxy

3. Quản lý Kubernetes Cluster

Quản lý Kubernetes Cluster là quá trình giám sát và điều hành nhiều cụm Kubernetes hoạt động ở quy mô lớn. Trong môi trường doanh nghiệp, việc duy trì các cụm riêng biệt cho môi trường phát triển, kiểm thử và sản xuất là rất phổ biến. Các hoạt động quản lý bao gồm: Tạo, hủy bỏ, cập nhật tại chỗ, bảo trì, cấu hình lại, bảo mật và báo cáo dữ liệu của cụm.

Để tự động hóa việc quản lý ở quy mô lớn, các Kubernetes Pattern có thể được áp dụng để tự động điều chỉnh quy mô cụm dựa trên tải công việc thực tế, giúp tối ưu hóa tài nguyên và chi phí.

Sự linh hoạt trong kiến trúc trong Kubernetes Cluster

1. Các tùy chọn triển khai Control Plane

Mặc dù các thành phần cốt lõi của Control Plane là nhất quán, cách thức chúng được triển khai có thể thay đổi đáng kể để phù hợp với các nhu cầu khác nhau.

• Triển khai truyền thống: Theo phương pháp này, các thành phần của Control Plane như kube-apiserver hay etcd được chạy trực tiếp trên các máy chủ vật lý hoặc máy ảo (VM) chuyên dụng.
• Static Pods: Là một phương pháp phổ biến được áp dụng bởi công cụ kubeadm. Các thành phần của Control Plane được triển khai dưới dạng các Static Pod được quản lý trực tiếp bởi kubelet trên một node cụ thể thay vì bởi API server.
• Self-hosted: Trong mô hình này, Control Plane chạy dưới dạng các Pod bên trong Cluster Kubernetes. Các thành phần này được điều phối bởi các đối tượng như Deployments và StatefulSets.
• Managed Kubernetes services: Các nhà cung cấp đám mây lớn thường sẽ chịu trách nhiệm quản lý, bảo trì và đảm bảo tính sẵn sàng cho các thành phần này như một phần của dịch vụ, giải phóng người dùng khỏi các quy trình vận hành phức tạp.

2. Tích hợp và tùy chỉnh nâng cao

• Tùy chỉnh và khả năng mở rộng: Người dùng có thể triển khai các bộ lập lịch tùy chỉnh, mở rộng máy chủ API thông qua CustomResourceDefinitions (CRDs) và API Aggregation, hoặc tích hợp sâu hơn với cơ sở hạ tầng của nhà cung cấp đám mây thông qua thành phần cloud-controller-manager.
• Vị trí khối lượng công việc: Sự linh hoạt còn thể hiện ở cách phân bổ tài nguyên. Trong các cụm nhỏ hoặc môi trường phát triển, Control Plane và khối lượng công việc của người dùng có thể cùng chạy trên một node để tiết kiệm chi phí. Ngược lại, trong các cụm sản xuất quy mô lớn, các node chuyên dụng thường được dành riêng cho các thành phần Control Plane nhằm tách biệt và đảm bảo sự ổn định tối đa cho hệ thống.

Enterprise Cloud tại Vietnix – Nền tảng lý tưởng để triển khai Kubernetes Cluster

Để vận hành một cụm Kubernetes mạnh mẽ và ổn định, việc lựa chọn nền tảng hạ tầng linh hoạt và hiệu năng cao là yếu tố quyết định. Dịch vụ Enterprise Cloud tại Vietnix được thiết kế chuyên biệt để đáp ứng nhu cầu này, cung cấp cho bạn một cụm tài nguyên riêng biệt với sức mạnh từ CPU AMD EPYC và 100% ổ cứng NVMe, giúp bạn toàn quyền khởi tạo và quản lý các máy chủ ảo (nodes) một cách nhanh chóng.

Những ưu điểm vượt trội của Cloud Server Enterprise cho việc triển khai Kubernetes:

• Tích hợp sẵn nền tảng triển khai Kubernetes: Dễ dàng khởi tạo, mở rộng và quản lý các cluster trực tiếp từ giao diện quản trị mà không cần cấu hình phức tạp.
• Hiệu năng vượt trội: Sức mạnh từ CPU AMD EPYC thế hệ mới và 100% ổ cứng NVMe tốc độ cao, đảm bảo xử lý mượt mà các ứng dụng đòi hỏi khắt khe nhất trên cluster của bạn.
• Tự động hóa toàn diện qua API: Cung cấp API mạnh mẽ, cho phép tích hợp liền mạch với các công cụ IaC phổ biến như Terraform, Ansible để tự động hóa việc cấp phát và quản lý hạ tầng.
• Mạng riêng ảo an toàn: Dễ dàng thiết lập một mạng nội bộ cô lập, giúp các node trong cluster giao tiếp với nhau một cách an toàn và tốc độ cao, giảm thiểu rủi ro bảo mật.
• Chi phí minh bạch và tối ưu: Loại bỏ hoàn toàn các chi phí ẩn như phí băng thông, giúp bạn dự toán ngân sách chính xác và tiết kiệm đáng kể so với các nhà cung cấp quốc tế.

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

Việc nắm vững kiến trúc và các khái niệm cơ bản của Kubernetes Cluster là bước đệm quan trọng để có thể khai thác tối đa sức mạnh của nền tảng điều phối container hàng đầu này. Từ việc hiểu rõ vai trò của từng thành phần trong Control Plane và Worker Node cho đến cách tương tác thông qua các đối tượng như Pod, Deployment và Service, bạn đã có một nền tảng vững chắc để bắt đầu triển khai và quản lý các ứng dụng của mình một cách hiệu quả và linh hoạt.