Изучение компонентов управления Kubernetes (Control Plane)

• Роль: Control Plane является «мозгом» кластера Kubernetes. Он отвечает за принятие глобальных решений о кластере (например, планирование Pod'ов) и за обнаружение и реагирование на события в кластере (например, запуск нового Pod'а при сбое).
• Ключевые компоненты: kube-apiserver, etcd, kube-scheduler, kube-controller-manager, cloud-controller-manager.
• Взаимодействие: Эти компоненты работают вместе, чтобы поддерживать желаемое состояние кластера, определенное пользователем через API Kubernetes.

• Функция: API-сервер Kubernetes. Предоставляет HTTP/REST API для взаимодействия с кластером.
• Роль:
  • Единственная точка входа: Все взаимодействия с кластером (от пользователей, CLI kubectl, других компонентов) проходят через kube-apiserver.
  • Аутентификация и авторизация: Проверяет подлинность запросов и разрешает выполнение действий на основе настроенных политик.
  • Валидация: Проверяет корректность объектов Kubernetes (например, Deployment, Pod) перед их сохранением.
  • Хранение: Взаимодействует с etcd для сохранения и извлечения состояния кластера.
  • Интерфейс: Предоставляет RESTful API, который используется kubectl и другими клиентами.
• Принцип работы: 1. Пользователь (через kubectl или API-клиент) отправляет запрос на создание, изменение или удаление объекта Kubernetes. 2. kube-apiserver аутентифицирует и авторизует запрос. 3. Запрос валидируется. 4. kube-apiserver сохраняет или обновляет состояние объекта в etcd. 5. Другие компоненты Control Plane (например, kube-scheduler, kube-controller-manager) наблюдают за изменениями в etcd и предпринимают необходимые действия.

• Функция: Распределенное, консистентное хранилище key-value, используемое Kubernetes для хранения всех данных кластера, включая конфигурацию, состояние и метаданные.
• Роль:
  • Основной источник истины: etcd хранит текущее и желаемое состояние кластера.
  • Консистентность: Обеспечивает согласованность данных между всеми узлами Control Plane (в отказоустойчивых конфигурациях).
  • Надежность: Разработан для высокой доступности и отказоустойчивости.
  • Наблюдение (Watch): Предоставляет механизм для других компонентов Kubernetes отслеживать изменения в хранимых данных.
• Важность: Потеря данных etcd может привести к потере состояния кластера и его неработоспособности. Требует тщательной настройки резервного копирования.

• Функция: Планировщик Kubernetes. Отвечает за назначение новых Pod'ов на подходящие узлы в кластере.
• Роль:
  • Отслеживание новых Pod'ов: Наблюдает за kube-apiserver на предмет создания новых Pod'ов без назначенного узла.
  • Фильтрация узлов: Определяет список подходящих узлов для запуска Pod'а на основе различных критериев (доступные ресурсы, требования Pod'а, политики affinity/anti-affinity, taint'ы и toleration'ы, node selector и др.).
  • Ранжирование узлов: Оценивает подходящие узлы по определенным правилам (например, использование ресурсов, распределение Pod'ов) и выбирает наиболее подходящий узел.
  • Назначение узла: Обновляет объект Pod'а в kube-apiserver, указывая, на какой узел он должен быть запущен. Kubelet на этом узле затем запускает контейнеры Pod'а.
• Принцип работы: 1. kube-scheduler получает информацию о новом Pod'е без назначенного узла от kube-apiserver. 2. Он фильтрует все доступные узлы, чтобы найти те, которые удовлетворяют требованиям Pod'а. 3. Отфильтрованные узлы ранжируются на основе заданных политик. 4. Узел с наивысшим рейтингом выбирается, и информация об этом записывается в объект Pod'а через kube-apiserver.

• Функция: Запускает набор контроллеров Kubernetes. Каждый контроллер отвечает за определенный аспект управления состоянием кластера.
• Роль:
  • Реализация желаемого состояния: Контроллеры непрерывно следят за текущим состоянием кластера и предпринимают действия для приведения его к желаемому состоянию, определенному в объектах Kubernetes.
  • Примеры контроллеров:
    • Node Controller: Отвечает за мониторинг состояния узлов и обработку их выхода из строя.
    • Replication Controller / ReplicaSet Controller / Deployment Controller: Управляют количеством реплик Pod'ов.
    • StatefulSet Controller: Управляет StatefulSet'ами (Pod'ами с постоянным идентификатором и хранилищем).
    • Service Controller: Управляет балансировщиками нагрузки и IP-адресами для сервисов.
    • Volume Controller: Управляет созданием и подключением томов.
    • Namespace Controller: Управляет жизненным циклом Namespace'ов.
    • Endpoint Controller: Заполняет объект Endpoints информацией о Pod'ах, принадлежащих Service'у.
• Принцип работы: 1. Контроллеры наблюдают за состоянием объектов Kubernetes через kube-apiserver. 2. Они сравнивают текущее состояние с желаемым состоянием, определенным в спецификации объекта. 3. Если текущее состояние не соответствует желаемому, контроллер предпринимает действия для его изменения (например, создает новые Pod'ы, удаляет лишние, обновляет конфигурацию).

• Функция: Компонент, специфичный для облачных провайдеров (AWS, Azure, GCP и др.). Интегрирует Kubernetes с инфраструктурой облачного провайдера.
• Роль:
  • Управление облачными ресурсами: Отвечает за создание и управление ресурсами облачного провайдера, такими как балансировщики нагрузки, диски хранения, сетевые интерфейсы.
  • Абстракция от облачного провайдера: Позволяет Kubernetes работать с различными облачными платформами, предоставляя единый интерфейс.
  • Примеры контроллеров (в составе cloud-controller-manager):
    • Node Controller (cloud-specific): Получает информацию об узлах от облачного провайдера.
    • Service Controller (cloud-specific): Создает облачные балансировщики нагрузки при создании Service типа LoadBalancer.
    • Volume Controller (cloud-specific): Управляет созданием и подключением облачных томов PersistentVolume.
• Запуск: Может запускаться как отдельный набор бинарных файлов, а не как часть kube-controller-manager в современных версиях Kubernetes.

1. Пользователь взаимодействует с кластером через kubectl, который отправляет запросы к kube-apiserver.
2. kube-apiserver аутентифицирует, авторизует и валидирует запрос, затем сохраняет состояние в etcd.
3. kube-scheduler наблюдает за созданием новых Pod'ов без назначенного узла и выбирает подходящий узел, обновляя информацию в kube-apiserver.
4. kube-controller-manager (и его контроллеры) наблюдает за состоянием объектов и предпринимает действия для достижения желаемого состояния (например, создание новых ReplicaSet'ов или Service'ов), взаимодействуя с kube-apiserver.
5. cloud-controller-manager (при использовании облачного провайдера) взаимодействует с API облачного провайдера для управления облачными ресурсами на основе запросов от kube-apiserver (например, создание облачного LoadBalancer для Service типа LoadBalancer).
6. Узлы (через kubelet) наблюдают за назначенными им Pod'ами через kube-apiserver и управляют контейнерами (запускают, останавливают).

• Для обеспечения высокой доступности Control Plane ключевые компоненты (kube-apiserver, etcd, kube-scheduler, kube-controller-manager) обычно запускаются в нескольких экземплярах.
• etcd использует протокол Raft для обеспечения консистентности между репликами.
• kube-apiserver работает за балансировщиком нагрузки.
• kube-scheduler и kube-controller-manager работают в режиме leader election (выбирается один активный экземпляр).

Понимание компонентов Control Plane Kubernetes и их взаимодействия является ключевым для эффективного управления кластером и устранения неполадок. Эти компоненты совместно обеспечивают автоматическую оркестрацию контейнеризированных приложений, поддерживая желаемое состояние кластера и реагируя на изменения.