Kubernetes: Einfach erklärt

Kubernetes hat sich weltweit als führende Technologie in der Container-Orchestrierung durchgesetzt. Die Vielfalt an Funktionalitäten, die Kubernetes bereitstellt, ist aber nicht immer leicht zu nutzen. Lukas Gentele schreibt auf entwickler.de, dass "von vielen Entwicklern Kubernetes als zu komplex und kaum zu beherrschen wahrgenommen wird". Damit spricht er aus, was viele denken.

Ironischerweise besteht der Hauptnutzen von Kubernetes darin, viele Anwendungen überhaupt erst beherrschbar zu machen. Warum das kein Widerspruch ist, was Kubernetes ist und wie es funktioniert, erfährst du in diesem Artikel.

Inhaltsverzeichnis

• Kubernetes: Einfach erklärt
  • Kubernetes-Container: Kein Pod kommt ohne aus
  • Container – übersichtlich, kollaborativ, effizient
  • Pod: Container Kombinationen
  • Orchestrierung: Container kontrollieren
  • Abstraktion und Zustandsorientierung
  • Node, Kubelet, Cluster: Die Welt von Kubernetes
  • Wie funktioniert Kubernetes?
  • Kubernetes in der Praxis
  • Die Vorteile von Kubernetes
  • Wie funktioniert die Kubernetes-Integration unter GitLab?
  • FAQs zu Kubernetes (K8s)

Kubernetes-Container: Kein Pod kommt ohne aus

Wenn wir ein Verständnis über Kubernetes vermitteln wollen, kommen wir an einem Bestandteil nicht vorbei – dem Container.

Ähnlich wie Betriebssysteme wurden Anwendungen noch bis vor wenigen Jahre als Monolith entwickelt. Das bedeutet, Anwendungen bestanden aus einer einzigen unteilbaren Codebasis, welche alle Informationen enthält, die zum Betrieb notwendig sind.

Auch, wenn nur wenige Teile der Anwendung benötigt wurden, musste trotzdem das gesamte Programm geladen werden. Das verbrauchte offensichtlich viele Ressourcen, das System wurde langsam und fehleranfällig.

Container – übersichtlich, kollaborativ, effizient

Erste Versuche, die Nachteile einer monolithischen Architektur zu umgehen und Teile eines Programms gezielt zu isolieren, entstanden in den späten 70ern und frühen 80er-Jahren. Doch erst Docker, welches 2013 veröffentlicht wurde, verhalf dem Gedanken auf breiter Basis zum Durchbruch.

Die verschiedenen Funktionalitäten einer Anwendung werden mit einer Software wie Docker isoliert und in Pakete aufgeteilt. Diese Container enthalten sämtliche Daten, Software und Bibliotheken, die zum Betrieb genau dieser Funktionalitäten erforderlich sind.

Die Container können eigenständig genutzt oder getestet werden. Aber man kann sie auch zu einer größeren Architektur verknüpfen und "aufeinanderstapeln" wie Container (die Idee entstand laut dem ehemaligen Docker-CEO Ben Golub "als wir all die Containerschiffe im Hafen von Oakland einlaufen sahen").

Früher als monolithische Anwendungen entwickelt, werden Programme heute als Zusammensetzungen einzelner Container betrachtet. Anstatt den gesamten Code zu laden, werden nur die Container verwendet, die für die jeweils auszuführenden Aufgaben notwendig sind. Dadurch, dass die Container bereits alle Daten enthalten, die benötigt werden, um das Programm zu starten, wird es deutlich einfacher, einzelne Komponenten von einem Server mit Betriebssystem A auf einen anderen mit Betriebssystem B zu verschieben.

Pod: Container Kombinationen

Ausgehend von den einzelnen Docker-Containern bilden Anwender(innen) nun Gruppen aus Containern, die im Rahmen einer bestimmten Anwendung oder eines größeren Systems zusammenarbeiten. Jede dieser virtuellen Gruppen bezeichnet man als "Pod".

Im Beispiel eines E-Commerces Unternehmen, kann nun ein Pod die Benutzeroberfläche enthalten, während andere Pods die Bezahlung, oder die Lieferung abwickeln. Die Vorteile sind klar: Dieser Ansatz ist schlanker und robuster als der monolithische und lässt sich konsistent auf verschiedenen Betriebssystemen verwenden. Gerade in der Softwareentwicklung bedeutete diese Zuverlässigkeit einen deutlichen Sprung nach vorne.

Orchestrierung: Container kontrollieren

Gleichzeitig erfordert eine Anwendung, die aus mehreren Containern zusammengesetzt ist, ein höheres Maß an Management.

Was passiert beispielsweise, wenn ein Pod ausfällt? Wie geht man mit Fehlern in einem Pod um? Wo sollen die Pods ausgeführt werden? Wie wirkt sich die Containerisierung auf die Entwicklung neuer Funktionalitäten aus? Wie funktioniert überhaupt die ständige Neuverteilung verschiedener Pods innerhalb derselben Anwendung während des laufenden Betriebs?

Diese Fragen werden dringlicher, je mehr Container eine Anwendung verwendet. Und sie werden geradezu kritisch in einer Umgebung, in der sehr viele Nutzer(innen) auf eine Vielzahl containerisierter Anwendungen zugreifen sollen.

Wenn es keinen monolithischen Code mehr gibt, welcher festlegt, in welchen Situationen bestimmte Kombinationen zur Anwendung kommen, werden neue Prinzipien zur Aktivierung benötigt. Darüber hinaus ergeben sich durch die Containerisierung eine Vielzahl spezifischer Herausforderungen.

Die Lösungsansätze, die sich mit dieser Herausforderung beschäftigen, werden unter dem Begriff Container-Orchestrierung zusammengefasst. Einfach erklärt ist Kubernetes das derzeit wohl leistungsfähigste und effizienteste Orchestrierungs-Tool.

Abstraktion und Zustandsorientierung

Vor der Einführung der Containerisierung, die mit Docker ihren Durchbruch fand, waren Programme im Wesentlichen Stories, die durch ihren Code zusammengehalten wurden. Mit Containern wird dieses Narrativ jedoch aufgebrochen und in seine einzelnen Bestandteile zerlegt. Damit aus diesen Teilen wieder eine sinnvolle Geschichte entsteht, benötigt man einen „roten Faden", der die einzelnen Komponenten zusammenführt.

Aus der Perspektive von Kubernetes werden Anwendungen schlicht als „Arbeitslasten" (Workloads) betrachtet – also Dienste, die eine bestimmte Menge an Systemressourcen beanspruchen. Pods fungieren dabei als Abstraktionen, da der Zusammenhang zwischen den einzelnen Pods jederzeit aufgelöst und neu gestaltet werden kann.

Das bedeutet, dass du jederzeit eine bestehende Struktur aufbrechen und nach Belieben neu zusammensetzen kannst. Mit denselben Komponenten lässt sich so etwas völlig Neues erschaffen.

Wichtig bei der Wahl der geeigneten Abstraktion ist der Zustand (State), der durch die Kombination oder Aktivierung von Nutzlasten im System entsteht. Manche Zustände sind gewünscht, andere nicht.

Wenn man Kubernetes einfach definieren würde, würde man sagen Kubernetes stellt sicher, dass alle Komponenten im richtigen Zustand sind.

Node, Kubelet, Cluster: Die Welt von Kubernetes

In einem System werden Pods, also funktional zusammengehörige Kombinationen von Kubernetes-Containern auf sogenannte Knoten (englisch: Nodes) verteilt. Ein Knoten kann sowohl ein physischer Rechner (PC) als auch eine virtuelle Maschine (VM) sein.

Es gibt zwei Formen von Knoten:

• Die sogenannten Master-Nodes, welche die Steuerung und Kontrolle übernehmen sowie
• die Work-Nodes, auf denen die Anwendungen liegen, welche die Funktionalität einer Anwendung übernehmen.

Die Kommunikation zwischen diesen Ebenen wird von kleinen Managementagenten übernommen, den Kubelets.

Schließlich kann man mehrere Knoten zu Kubernetes-Clustern aufsetzen. Diese bilden dann die Umgebung ab, die Kubernetes verwaltet und auf welcher Kubernetes läuft.

Wie funktioniert Kubernetes?

Kubernetes automatisiert die Container-Orchestrierung, jedoch ist es als Administrator wichtig, stets die Kontrolle darüber zu behalten, welche Prioritäten dabei gesetzt und welche Aspekte berücksichtigt werden müssen.

Administrator(inn)en erarbeiten zusammen mit den Entwickler(innen)/Anwender(innen) eine Liste an gewünschten Zuständen. Dazu kann beispielsweise der Wunsch gehören, dass gewisse Pods stets aktiv sein sollten. Auch dann, wenn sie formal nicht ununterbrochen benötigt werden.

Das ist ein völlig neuer Ansatz, wie über die Kontrolle der Software nachgedacht werden muss. Statt ständig auf sich ändernde Anforderungen mit neuen Befehlen zu reagieren, definiert man stattdessen, welche Zustände erfüllt werden sollen und überlässt es dann Kubernetes diese zu erfüllen.

Man bezeichnet diese Form der Kontrolle auch als "deklarativ", gegenüber dem traditionellen Modell der "imperativen" (befehlsgebenden) Kontrolle.

Ein weiteres Eingreifen seitens Administrator(inn)en ist im Idealfall nicht mehr erforderlich. Senior Solutions Manager Brendan O'Leary von GitLab hat das einmal folgendermaßen auf den Punkt gebracht: "Kubernetes sorgt dafür, dass das System so bleibt, wie wir es haben wollen."

Kubernetes in der Praxis

Wie funktioniert die Orchestrierung nun?

Kubernetes übernimmt eine Vielzahl von Funktionen, welche die Verwendung der Pods im Cluster optimieren:

• Der Kubernetes Scheduler sorgt dafür, dass Pods den für sie besten Knoten zugeordnet werden.
• Kubernetes bringt die Nachfrage nach Nutzlasten mit dem Angebot in Einklang. Das bedeutet: Wenn besonders viele Nutzer(inn)en ein ganz bestimmtes Pod anfragen, droht eine Überlastung. Kubernetes kann hierauf mit zwei Antworten reagieren: Es kann für diesen Pod mehr Ressourcen bereitstellen, oder es kann den Pod duplizieren, also Kopien erstellen und die Anfragen auf diese neuen Pods verteilen. Dieser Prozess wird als load balancing bezeichnet.
• Kubernetes aktualisiert sich stets selbst und bleibt somit immer auf dem neuesten Stand.
• Entstehen in einem Pod Fehler, die zu einem Ausfall führen, kann Kubernetes im Rahmen seines Self-healings (Selbstheilung) entweder den Pod reparieren oder es auf einen funktionsfähigen früheren Zustand zurücksetzen.
• Hast du einmal ein Kubernetes-Cluster aufgesetzt, werden Nutzlasten oft von einem Knoten auf einen anderen verschoben. Interne IP-Adressen können hier also nicht mehr verwendet werden, um den aktuellen Ort eines Pods zu bestimmen (weil er sich ständig ändert). Mit der Service-Discovery-Funktion übernimmt Kubernetes die Aufgabe, dass Anfragen auf dem richtigen Pod auch ankommen.

Die Vorteile von Kubernetes

Gerade bei sehr großen Cloud-Umgebungen ist leicht ersichtlich, warum die oben beschriebene, automatisierte Gewährleistung eines optimalen Zustands einen großen Nutzen mit sich bringt.

Ein weiterer Vorteil von Kubernetes besteht in der Entwicklung neuer Funktionen. Es ermöglicht ein reibungsloses Testen, ohne dass es dabei zum Ausfall des Systems kommt. Neue Container und Pods können unkompliziert hinzugefügt werden. Teams können gezielt nur an den Diensten arbeiten, für die sie zuständig sind und so ganz gezielt und spezifisch das System optimieren.

Gerade Letzteres war der Grund, dass GitLab sich bereits 2017 für ein Container-zentriertes System mit Kubernetes entschieden hat.

Lukas Gentele schreibt dazu:

"Dass das Kubernetes-Ökosystem so vielseitig ist, mag auf den ersten Blick abschrecken, doch es ist notwendig, da die Architektur von Kubernetes ein großes Maß an Flexibilität bietet."

Wie funktioniert die Kubernetes-Integration unter GitLab?

GitLab ist eine Platform die Kontinuierlichen Integration und Auslieferung ermöglicht. Somit kannst du als GitLab-Nutzer(in) die Vorteile von Kubernetes bezüglich der Container-Orchestrierung für dich nutzen.

Weil GitLab CE und Kubernetes so natürlich miteinander harmonieren, fällt die Integration recht unkompliziert aus. Wir haben für dich einen Artikel vorbereitet, der genau erklärt, wie du ein Kubernetes Cluster mit GitLab verbindest.

Kurz zusammengefasst erfordert die Integration folgende Punkte:

• Definiere das Cluster, welches über Kubernetes automatisiert werden soll.
• Installiere einen Agenten, der die Kommunikation mit dem Cluster übernimmt.
• Konfiguriere die GitLab-CI/CD Pipeline so, dass sie die Kubernetes-API verwendet.

FAQs zu Kubernetes (K8s)

Warum wird Kubernetes auch K8s genannt? Was bedeutet der Begriff?

K8s ist eine smarte, leicht kryptische Abkürzung des Begriffs Kubernetes: "K" und "s" bezeichnen den ersten und letzten Buchstaben, die "8" schlicht die Anzahl der Buchstaben, die dazwischen liegen.

Das Wort Kubernetes stammt aus dem Griechischen und bedeutet Steuer- oder Fährmann. Der Begriff bezieht sich auf die zentrale Aufgabe von Kubernetes, ein System auch bei "hohem Wellengang" stets stabil zu halten und vor dem Kentern zu bewahren.

Wer hat Kubernetes entwickelt?

Die ersten Impulse für Kubernetes setzte Google mit seinen Vorläuferprojekten "Borg" und "Project 7". Beide beschäftigten sich mit der Problemstellung, die Komplexität containierisierter Anwendungen beherrschbar zu machen.

Bewusst als Open-Source-Plattform entwickelt, entstand Kubernetes aus der Kollaboration verschiedener großer und kleiner Unternehmen, die sich in der Cloud Native Computing Foundation zusammenschlossen.

Darüber hinaus wurde es maßgeblich über die Git-Community ergänzt und weiterentwickelt.

Was kostet die Nutzung von Kubernetes?

Bei Kubernetes handelt es sich um ein Open-Source-System. Das bedeutet, dass das Programm kostenfrei heruntergeladen werden kann. Trotzdem entstehen bei der Nutzung von Kubernetes in deinem Unternehmen Kosten, potentiell sogar recht hohe.

Der Grund dafür ist, dass die nackte Basisversion der Anwendung letzten Endes für die meisten Anwender(innen) nicht nutzbar ist.

Neben den Kosten, die für das Hosten der Kubernetes-Cluster in der Cloud anfallen, solltest du folgende möglichen Kostenpunkte berücksichtigen:

• Die Nutzung von Kubernetes-Dienstleistungen, welche den Einsatz vereinfachen.
• Experten, die das Kubernetes-System konfigurieren, es gegebenenfalls warten und es auf dem neuesten Stand halten. Gerade angesichts des hohen Spezialisierungsgrads des Anforderungsprofils sowie der Menge der anfallenden Arbeitsstunden können hierbei erhebliche Kosten entstehen.
• Nach dem Aufsetzen eines Kubernetes-Clusters liegen Ressourcen auf verschiedenen Cloud-Speichern. Ein wichtiger Teil der Funktionalität von Kubernetes besteht darin, Nutzlasten dynamisch zwischen diesen Cloud-Speichern zu verschieben, so dass die Stabilität, Sicherheit und Geschwindigkeit des Systems optimiert wird. Allerdings wird dir das Verschieben von Datenpaketen von einem Speicher auf einen anderen sogar dann berechnet, wenn alle deine Daten bei demselben/derselben Provider(in) liegen. Diese Egress-Kosten werden gemäß des verschobenen Datenvolumens kalkuliert und können sich, abhängig von der Größe der Kubernetes-Cluster, am Ende des Jahres wahrhaft auftürmen.

Immer mehr Anbieter(innen) haben inzwischen Kubernetes-Online-Rechner im Angebot, mit denen du einen besseren Eindruck über die möglichen Kosten erhältst. Allerdings bleibt es meistens bei einer Schätzung.