Kubernetes — это платформа для управления масштабными развертываниями контейнерных приложений, однако настройка кластера Kubernetes сложный и трудной процесс требующий учета множества факторов. В этой статье мы рассмотрим различные ключевые аспекты оптимизации кластера Kubernetes, включая выбор количества кластеров, конфигурацию узлов и режимы изоляции нагрузок.

Для обеспечения одновременной работе в кластере множества микросервисов и разработчиков необходимо выбрать оптимальную конфигурацию кластера и узлов, минимизировать риски для различных приложений и при необходимости протестировать выбранную конфигурацию в режиме «песочница».

Kubernetes предназначена для управления крупномасштабными контейнерными приложениями. Предположим, что ваша организация обслуживает 1000 одновременных пользователей с 10 микросервисами и 30 разработчиками. Необходимо обеспечить доступ каждой команды приложения к необходимым ресурсам и одновременно снизить риски конфликта/компрометации приложений, совместно использующих вычислительные ресурсы.

Это связано с тем, что 1000 пользователей будут подключаться и обмениваться своими данными, например адресами или информацией о кредитных картах, с экземплярами приложений, работающими в контейнерах на одних и тех же серверах. Кроме того, необходимо создать несколько сред, в том числе dev, staging и production, чтобы обеспечить тестирование новых версий перед запуском.

Для достижения всех этих целей необходимо тщательно продумать конфигурацию кластера и узлов, включая количество и размер узлов и ограничения на взаимодействия между сервисами. Ниже мы рассмотрим лучшие практики для построения оптимальной архитектуры Kubernetes.

При проектировании кластерной архитектуры одним из первых решений является вопрос об использовании одного или нескольких кластеров. Каждый подход имеет свои плюсы и минусы. Использование одного кластера позволяет упростить управление и снизить нагрузку на ресурсы, но при этом возрастает риск возникновения единой точки отказа. В случае отказа это приведет к остановке всех сервисов, а также к возможным последствиям в виде длительного простоя, потери данных и ущерба для репутации организации. Поэтому важно тщательно продумать компромиссные решения и разработать такую архитектуру кластера, которая обеспечит баланс между простотой и отказоустойчивостью.

Напротив, использование нескольких кластеров может обеспечить большую отказоустойчивость, но увеличивает сложность управления и накладные расходы ресурсов.

Еще одним важным моментом в архитектуре кластера Kubernetes является определение количества и размера узлов в кластере. Оба фактора влияют на общую производительность кластера, а также на его надежность и процедуру его обновления.
Для управления несколькими приложениями, требующими различных ресурсов, одним из подходов является групировка похожих по конфигурациям приложений и привязка их к конкретным узлам. Другой способ — установить соответствующие ограничения на запросы ресурсов для каждого приложения, гарантируя им доступность необходимых для оптимальной работы ресурсов.

Вам также необходимо решить, что будет эффективнее несколько “мощных” узлов или много “мелких”. Меньшее количество “мощных” узлов может быть более эффективным с точки зрения накладных расходов на каждый узел, но может быть сложным для обработки во время обновлений и перерывов в работе. Например, при обновлении кластера узлы обновляются последовательно, выключаясь на период обновления из работы; при небольшом количестве узлов может возникнуть аварийная ситуация, когда узел не сможет подключиться к кластеру что вызовет повышение нагрузки на другие узлы и снижение производительности приложений.
С другой стороны, большое количество “мелких” узлов может не будет создавать подобных проблем, но приведет к увеличению накладных расходов на управление каждым узлом. Снижение этих рисков требует тщательного планирования, в том числе наличия резервных планов на случай сбоев и тщательного планирования процесса обновления кластера. Кроме этого, нужно учитывать, что в Kubernetes есть ограничения размеру кластеров, так рекомендуется на узле разворачивать не более 110 Под -ов (Pods) и не более 5 000 узлов на кластер в целом.
Для снижения рисков и повышения уровня безопасности в кластере использовать технологии запуска приложений в режиме «песочницы», используя, например, проекты gVisor или Firecracker VMs. Эти решения позволяют изолировать рабочие нагрузки друг от друга и выполнять их в безопасной и защищенной среде.

Еще одним важным моментом в архитектуре кластера Kubernetes является определение соответствующих конфигураций пространств имен для различных команд или приложений. Пространства имен — это способ разделить кластер на более мелкие части и обеспечить изоляцию от других команд или приложений/проектов.
Существует два основных подхода к конфигурации пространств имен: выделение пространства имен для команд и пространства имен для приложений/проектов. Пространства имен для команд предполагают создание отдельного пространства имен для каждой команды разработчиков в организации. Такой подход может повысить эффективность использования ресурсов и удобство управления, однако он также может привести к усложнению управления и распределения ресурсов.
Пространства имен для приложений/проектов предполагают создание отдельного пространства имен для каждого приложения/проекта, использующего кластер. Такой подход может быть полезен для многопользовательских сред, поскольку обеспечивает большую изоляцию между приложениями/проектами и позволяет более тонко распределять ресурсы. Однако он также может привести к увеличению накладных расходов на каждого приложения/проекта и усложнить управление.
При определении подходящей конфигурации пространства имен необходимо учитывать такие факторы, как использование ресурсов, удобство управления, количество команд или приложений/проектов, использующих кластер.

Еще одним важным моментом в архитектуре кластера Kubernetes является ограничение взаимодействия между различными сервисами внутри кластера. Это позволяет снизить риск нарушения политик безопасности, а также повысить общую производительность и стабильность.
Одним из подходов к ограничению взаимодействия являются сетевые политики, которые позволяют ограничить трафик между сервисами на сетевом уровне. Они определяют правила прохождения трафика между различными частями кластера и обеспечивают прохождение между сервисами только авторизованного трафика.
Другой способ — использование решений для создания Service Mesh (сетки сервисов), на основе, например, Istio. Эти инструменты предоставляют дополнительные возможности для управления взаимодействием между сервисами, включая маршрутизацию трафика, балансировку нагрузки и обнаружение сервисов. Кроме того, они предлагают и другие средства обеспечения безопасности, например, запрос авторизации при обмене данными между разными сервисами.

Помимо выбора правильных конфигураций кластеров/узлов, использования «песочницы» и сетевых политик, организации должны применять лучшие практики эксплуатации и развертывания. Это включает в себя обеспечение безопасности и соответствия требованиям в средах Kubernetes на этапе развертывания приложений и кластеров, и подразумевает организацию правильного и эффективного взаимодействия между командами разработчиков и операторов.
Одной из лучших практик является сканирование образов перед их развертывание в кластере, которое предполагает анализ образов на предмет уязвимостей и соответствия нормативным требованиям. Сканирование образов перед развертыванием позволяет гарантировать, что в кластерах используются только безопасные и совместимые образы. Кроме сканирования образов необходимо проводить сканирование на наличие уязвимостей и конфигураций самого кластера Kubernetes, что является необходимо условием обеспечения безопасности и соответствия требованиям.
Полезным инструментом для развертывания является GitOps, или аналогичные решения, который управляет развертыванием и инфраструктурой как кодом. В соответствии с этой схемой все изменения в кластере осуществляются путем изменения конфигурации в репозиторий Git (подход Everything as a Code), который служит единым источником для определения требуемого состояния системы. Это позволяет улучшить взаимодействие между командами разработчиков и операционных служб, а также обеспечить корректность развертывания нагрузок и возможность аудита. Автоматизация, заложенная в GitOps, позволяет снять проблемы, возникающие в связи с архитектурной сложностью Kubernetes. Используя Git в качестве единого источника информации, разработчики могут легче управлять сложными конвейерами развертывания и поддерживать целостность в разных средах.

Оптимизация архитектуры кластера Kubernetes требует тщательного учета различных факторов, включая выбор конфигурации кластера и узлов, использования «песочницы»,
сетевых политик, а также лучших практик эксплуатации и развертывания. Принятие обоснованных решений в этих областях позволяет повысить безопасность, эффективность и удобство управления кластерами Kubernetes.
Независимо от того, управляете ли вы одним или несколькими кластерами, используете ли вы многопользовательский или однопользовательский подход, необходимо тщательно взвесить преимущества и недостатки различных конфигураций и выбрать метод, который наилучшим образом отвечает вашим потребностям. Выбрав правильный путь, вы смогут полностью раскрыть потенциал Kubernetes и достичь своих целей в области создания современной облачной инфраструктуры.