Cluster Administration - SysAdmin Skills

Mục lục

1. Giới Thiệu Về Quản Trị Cluster Kubernetes

Kubernetes là nền tảng mã nguồn mở hàng đầu dành cho việc tự động hóa triển khai, mở rộng và quản lý các ứng dụng containerized. Quản trị một Kubernetes Cluster đòi hỏi sự hiểu biết sâu rộng về các thành phần cấu thành, cách cấu hình và duy trì để đảm bảo hiệu suất, bảo mật và độ ổn định cao cho các ứng dụng.

Bài viết này hướng dẫn chi tiết về các khía cạnh quan trọng trong Cluster Administration, từ việc lập kế hoạch, quản lý tài nguyên, bảo mật, đến giám sát và logging. Mục tiêu là cung cấp cho bạn những kiến thức cần thiết để tạo dựng và duy trì một Kubernetes Cluster hiệu quả.

2. Lập Kế Hoạch Cho Cluster

2.1. Hướng Dẫn Setup Cluster

Việc lập kế hoạch và thiết lập một Kubernetes Cluster đòi hỏi sự cân nhắc kỹ lưỡng về hạ tầng, mục đích sử dụng và các yêu cầu cụ thể của ứng dụng. Các hướng dẫn trong phần Setup cung cấp các ví dụ chi tiết về cách lập kế hoạch, thiết lập và cấu hình Kubernetes Cluster.

2.2. Lựa Chọn Distro Phù Hợp

Distros (distributions) là các giải pháp cụ thể cho việc triển khai Kubernetes, bao gồm các công cụ, tiện ích bổ sung và cấu hình sẵn có. Khi lựa chọn distro, bạn cần xem xét:

Sự duy trì: Chọn những distro được cộng đồng hoặc nhà cung cấp duy trì thường xuyên và tương thích với các phiên bản mới của Kubernetes.
Tính phù hợp với nhu cầu: Các distro khác nhau có thể phù hợp với các mục đích sử dụng khác nhau, từ thử nghiệm trên máy cá nhân đến triển khai trên môi trường sản xuất cao cấp.

2.3. Cân Nhắc Khi Chọn Hướng Dẫn Setup

Trước khi chọn hướng dẫn setup, hãy xem xét các yếu tố sau:

Mục đích sử dụng: Bạn muốn thử nghiệm Kubernetes trên máy cá nhân hay xây dựng một cluster đa Node với tính sẵn sàng cao?
Môi trường triển khai: Bạn sẽ sử dụng hosted Kubernetes cluster như Google Kubernetes Engine hay tự host cluster của riêng mình?
Hạ tầng triển khai: Cluster sẽ được triển khai on-premises hay trên đám mây (IaaS)? Kubernetes không hỗ trợ trực tiếp các cluster hybrid, thay vào đó bạn có thể thiết lập nhiều cluster riêng biệt.
Mô hình mạng: Nếu cấu hình Kubernetes on-premises, hãy cân nhắc mô hình mạng phù hợp.
Phần cứng: Bạn sẽ chạy Kubernetes trên phần cứng “bare metal” hay trên các máy ảo (VMs)?
Phát triển: Bạn có dự định phát triển mã nguồn Kubernetes hay chỉ sử dụng cluster để chạy ứng dụng? Nếu có, chọn distro đang được phát triển tích cực với nhiều lựa chọn hơn.

Các thành phần cần thiết để chạy một Cluster:

Control Plane: Bao gồm API Server, Scheduler, Controller Manager.
Nodes: Máy chủ chạy các Pods, bao gồm kubelet và kube-proxy.
Networking: Cấu hình mạng giữa các Pods và Nodes.
Storage: Quản lý lưu trữ bền vững cho dữ liệu ứng dụng.

3. Quản Lý Cluster

3.1. Quản Lý Nodes

Nodes là các máy chủ vật lý hoặc ảo chạy các Pods trong cluster. Việc quản lý Nodes bao gồm:

Thêm và loại bỏ Nodes: Sử dụng lệnh kubectl hoặc các công cụ quản lý cluster để thêm hoặc loại bỏ Nodes.
Cập nhật hệ thống: Đảm bảo rằng hệ điều hành và các thành phần phần mềm trên Node luôn được cập nhật để bảo mật và tối ưu hiệu suất.
Giám sát tình trạng Nodes: Sử dụng các công cụ giám sát như Prometheus để theo dõi trạng thái và hiệu suất của Nodes.

3.2. Cluster Autoscaling

Cluster Autoscaling là tính năng tự động điều chỉnh số lượng Nodes trong cluster dựa trên nhu cầu tài nguyên của Pods. Khi tải tăng, autoscaler sẽ thêm Nodes; khi tải giảm, autoscaler sẽ loại bỏ Nodes không cần thiết.

Cài đặt Cluster Autoscaler trên GKE:

gcloud container clusters update <cluster-name> --enable-autoscaling --min-nodes=1 --max-nodes=10 --zone=<zone>

3.3. Quản Lý Resource Quota cho Shared Clusters

Resource Quotas giúp giới hạn tổng số tài nguyên mà một namespace có thể sử dụng, đảm bảo rằng các ứng dụng không chiếm dụng quá nhiều tài nguyên và ảnh hưởng đến các ứng dụng khác trong cùng namespace hoặc toàn cluster.

Ví dụ về Resource Quota:

apiVersion: v1
kind: ResourceQuota
metadata:
  name: compute-quota
  namespace: development
spec:
  hard:
    pods: "10"
    requests.cpu: "20"
    requests.memory: "40Gi"
    limits.cpu: "40"
    limits.memory: "80Gi"

4. Bảo Mật Cluster

4.1. Tạo và Quản Lý Certificates

Certificates đảm bảo rằng giao tiếp giữa các thành phần trong cluster Kubernetes được mã hóa và xác thực. Bạn có thể sử dụng các công cụ như Cert-Manager để tự động hóa việc tạo và quản lý certificates.

Ví dụ về tạo Certificate:

kubectl apply -f https://github.com/jetstack/cert-manager/releases/download/v1.8.0/cert-manager.yaml

4.2. Kubernetes Container Environment

Kubernetes Container Environment mô tả môi trường mà kubelet quản lý các Containers trên mỗi Node. Điều này bao gồm:

Runtime Container: Docker, containerd hoặc CRI-O.
Namespaces và Cgroups: Đảm bảo và quản lý tài nguyên cho các Containers.
Security Policies: Áp dụng các chính sách bảo mật như SELinux hoặc AppArmor.

4.3. Kiểm Soát Truy Cập API Kubernetes

Kubernetes API Server là trung tâm của mọi hoạt động trong cluster. Kiểm soát truy cập API Server là yếu tố quan trọng để bảo vệ cluster khỏi các mối đe dọa bên ngoài và nội bộ.

Các phương pháp kiểm soát truy cập:

Authentication: Xác thực người dùng và dịch vụ thông qua certificates, tokens hoặc OAuth.
Authorization: Sử dụng RBAC để phân quyền truy cập vào các tài nguyên trong cluster.
Admission Controllers: Áp dụng các chính sách bảo mật và kiểm soát trước khi các yêu cầu được thực hiện.

4.4. Xác Thực trong Kubernetes

Authentication đảm bảo rằng chỉ những người dùng hoặc dịch vụ được phép mới có thể truy cập vào API Server. Kubernetes hỗ trợ nhiều phương pháp xác thực, bao gồm:

Certificates: Sử dụng certificates để xác thực người dùng và dịch vụ.
Bearer Tokens: Sử dụng tokens để xác thực các dịch vụ.
OpenID Connect (OIDC): Tích hợp với các nhà cung cấp identity như Google, Azure, hoặc Active Directory.

4.5. Phân Quyền trong Kubernetes

Authorization kiểm soát cách thức các HTTP requests được xử lý sau khi xác thực. RBAC (Role-Based Access Control) là cơ chế chính được sử dụng để phân quyền trong Kubernetes.

Ví dụ về Role và RoleBinding:

apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1
kind: Role
metadata:
  namespace: default
  name: pod-reader
rules:
- apiGroups: [""]
  resources: ["pods"]
  verbs: ["get", "watch", "list"]
---
apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1
kind: RoleBinding
metadata:
  name: read-pods
  namespace: default
subjects:
- kind: User
  name: jane
  apiGroup: rbac.authorization.k8s.io
roleRef:
  kind: Role
  name: pod-reader
  apiGroup: rbac.authorization.k8s.io

4.6. Sử Dụng Admission Controllers

Admission Controllers là các plugin được gọi sau khi xác thực và phân quyền nhưng trước khi thực hiện yêu cầu. Chúng có thể từ chối hoặc chỉnh sửa yêu cầu dựa trên các quy tắc bảo mật.

Các loại Admission Controllers phổ biến:

LimitRanger: Đảm bảo Pods tuân thủ các giới hạn tài nguyên đã định.
NamespaceLifecycle: Kiểm soát việc tạo, cập nhật và xóa namespace.
PodSecurityPolicy: Áp dụng các quy tắc bảo mật cho Pods.

4.7. Sử Dụng Sysctls trong Cluster Kubernetes

Sysctls cho phép quản trị viên thiết lập các tham số kernel trên các Nodes để kiểm soát hành vi của hệ thống. Việc sử dụng sysctl phải được quản lý cẩn thận để tránh các vấn đề bảo mật và hiệu suất.

Ví dụ về sử dụng sysctl:

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: sysctl-pod
spec:
  securityContext:
    sysctls:
    - name: net.core.somaxconn
      value: "1024"
  containers:
  - name: sysctl-container
    image: busybox
    command: ["sh", "-c", "sleep 3600"]

4.8. Audit Logs trong Kubernetes

Audit Logs cung cấp một cách để ghi lại và theo dõi các hành động xảy ra trong cluster Kubernetes. Chúng giúp phát hiện các hành vi bất thường và đáp ứng nhanh chóng các sự cố bảo mật.

Cấu hình Audit Logging:

Policy File: Định nghĩa các quy tắc ghi log.
Backend: Gửi logs đến Elasticsearch, Splunk hoặc các hệ thống lưu trữ log khác.

Ví dụ về cấu hình Audit Policy:

apiVersion: audit.k8s.io/v1
kind: Policy
rules:
- level: Metadata
  resources:
  - group: ""
    resources: ["pods"]

4.9. Bảo Mật Kubelet

Kubelet là agent chạy trên mỗi Node, chịu trách nhiệm quản lý lifecycle của Pods và Containers. Bảo mật kubelet là một phần quan trọng để bảo vệ cluster khỏi các mối đe dọa.

Các biện pháp bảo mật kubelet:

TLS Bootstrapping: Sử dụng TLS để mã hóa giao tiếp giữa kubelet và API Server.
Authentication and Authorization: Sử dụng certificates và RBAC để kiểm soát quyền truy cập vào kubelet.
Secure Configuration: Đảm bảo kubelet được cấu hình an toàn, không mở các cổng không cần thiết.

4.10. Giao Tiếp Control Plane-Node

Giao tiếp giữa Control Plane và Node cần được bảo mật để đảm bảo rằng dữ liệu và các lệnh điều khiển không bị nghe lén hoặc giả mạo.

Các phương pháp bảo mật:

Mã hóa TLS: Đảm bảo rằng tất cả giao tiếp được mã hóa bằng TLS.
Xác thực mạnh mẽ: Sử dụng chứng chỉ và tokens để xác thực các thành phần Control Plane và Node.
Network Segmentation: Sử dụng Network Policies để giới hạn giao tiếp chỉ giữa các thành phần cần thiết.

4.11. TLS Bootstrapping

TLS Bootstrapping là quá trình tự động tạo và cung cấp certificates cho kubelet khi Node được thêm vào cluster. Điều này đảm bảo rằng mỗi Node được xác thực và bảo mật khi giao tiếp với Control Plane.

Quy trình TLS Bootstrapping:

Node Request Certificate: Kubelet gửi yêu cầu certificate đến API Server.
API Server Approves: API Server phê duyệt yêu cầu và tạo certificate.
Certificate Issued: Kubelet nhận được certificate và sử dụng nó để giao tiếp an toàn với Control Plane.

4.12. Xác Thực và Phân Quyền Kubelet

Xác Thực (Authentication) đảm bảo rằng chỉ những kubelet được phép mới có thể giao tiếp với API Server. Phân Quyền (Authorization) kiểm soát quyền truy cập của kubelet đối với các tài nguyên trong cluster.

Cấu hình xác thực và phân quyền:

Client Certificates: Sử dụng certificates để xác thực kubelet.
RBAC: Áp dụng các quy tắc RBAC để giới hạn quyền truy cập của kubelet.

5. Các Dịch Vụ Tùy Chọn trong Cluster

5.1. DNS Integration

DNS Integration cho phép các Pods trong cluster có thể giải quyết tên DNS của các dịch vụ một cách trực tiếp. Kubernetes tích hợp CoreDNS để cung cấp giải pháp DNS nội bộ.

Cách hoạt động:

Service DNS: Mỗi Service trong Kubernetes được gán một tên DNS tự động dựa trên tên Service và namespace.
Tên DNS hoàn chỉnh: Ví dụ: frontend-service.default.svc.cluster.local có thể được sử dụng để truy cập Service frontend-service trong namespace default.

Ví dụ về sử dụng DNS trong Pod:

curl http://frontend-service.default.svc.cluster.local

5.2. Logging và Monitoring Cluster Activity

Logging và Monitoring là các yếu tố quan trọng để đảm bảo rằng hoạt động của cluster được theo dõi và các sự cố có thể được phát hiện và giải quyết kịp thời.

Các công cụ phổ biến:

Prometheus: Thu thập và lưu trữ các metrics về hiệu suất và trạng thái của cluster.
Grafana: Trực quan hóa dữ liệu từ Prometheus thông qua các dashboard tùy chỉnh.
ELK Stack (Elasticsearch, Logstash, Kibana): Thu thập, lưu trữ và phân tích logs từ các Pods và các thành phần của cluster.
Fluentd: Thu thập logs từ các Pods và gửi đến ELK Stack hoặc các hệ thống lưu trữ log khác.

Ví dụ về cấu hình Prometheus và Grafana:

helm install prometheus prometheus-community/prometheus
helm install grafana grafana/grafana

6. Best Practices Cho Quản Trị Cluster Kubernetes

Để đảm bảo rằng việc quản trị Kubernetes Cluster diễn ra hiệu quả và an toàn, hãy tuân thủ các best practices sau:

6.1. Sử Dụng RBAC Đúng Cách

Principle of Least Privilege: Cấp quyền tối thiểu cần thiết cho người dùng và dịch vụ.
Phân Quyền Rõ Ràng: Sử dụng Roles và ClusterRoles để phân quyền một cách cụ thể và hợp lý.

6.2. Áp Dụng Network Policies

Kiểm Soát Lưu Lượng: Định nghĩa rõ ràng các quy tắc network để giới hạn giao tiếp giữa các Pods.
Định Nghĩa Chính Sách Mạng Rõ Ràng: Tạo các Network Policies phù hợp với nhu cầu ứng dụng và bảo mật.

6.3. Sử Dụng Secrets Một Cách An Toàn

Mã Hóa Secrets: Đảm bảo rằng các Secrets được mã hóa khi lưu trữ trong etcd.
Quản Lý Secrets Bằng Các Công Cụ Bảo Mật: Sử dụng các giải pháp như HashiCorp Vault để quản lý và bảo mật Secrets.

6.4. Đặt Security Contexts và Pod Security Policies

Run as Non-Root: Đảm bảo rằng các Containers không chạy với quyền root trừ khi thật sự cần thiết.
Giới Hạn Capabilities: Chỉ thêm các capabilities cần thiết cho Containers.
Sử Dụng Pod Security Policies: Áp dụng các quy tắc bảo mật để kiểm soát cách thức Pods được triển khai.

6.5. Bảo Mật API Server và kubelet

Sử Dụng TLS cho Tất Cả Giao Tiếp: Mã hóa tất cả các kết nối đến API Server và kubelet bằng TLS.
Giới Hạn Truy Cập API Server: Sử dụng các phương pháp xác thực và phân quyền mạnh mẽ.
Giám Sát API Server Logs: Theo dõi và phân tích các logs từ API Server để phát hiện các hành vi bất thường.

6.6. Bảo Mật Container Images

Quét Lỗ Hổng Trước Khi Triển Khai: Sử dụng các công cụ như Trivy hoặc Clair để quét các lỗ hổng trong container images.
Sử Dụng Chữ Ký Hình Ảnh: Đảm bảo rằng chỉ những hình ảnh đã được xác thực và ký mới được triển khai trong cluster.

6.7. Giám Sát và Logging Đầy Đủ

Thu Thập Logs Toàn Diện: Thu thập logs từ tất cả các thành phần của cluster để có cái nhìn toàn diện về hoạt động và bảo mật.
Giám Sát Metrics Bảo Mật: Sử dụng Prometheus và Grafana để theo dõi các chỉ số bảo mật và phát hiện sớm các mối đe dọa.

6.8. Đảm Bảo Cập Nhật Định Kỳ

Cập Nhật Kubernetes và Các Thành Phần Liên Quan: Đảm bảo rằng bạn luôn sử dụng phiên bản Kubernetes mới nhất và đã được vá các lỗ hổng bảo mật.
Theo Dõi Các Lỗ Hổng Bảo Mật: Định kỳ kiểm tra và cập nhật các thành phần bảo mật trong cluster.

7. Giám Sát và Quản Lý Cluster

Giám sát và quản lý Kubernetes Cluster là yếu tố quan trọng để đảm bảo rằng cluster hoạt động hiệu quả, ổn định và an toàn. Dưới đây là các phương pháp và công cụ phổ biến để giám sát và quản lý cluster:

7.1. Sử Dụng Prometheus và Grafana

Prometheus: Thu thập và lưu trữ các metrics về hiệu suất và trạng thái của cluster, giúp phát hiện các hoạt động bất thường.
Grafana: Trực quan hóa dữ liệu từ Prometheus thông qua các dashboard tùy chỉnh, giúp bạn dễ dàng theo dõi và phân tích các chỉ số tài nguyên.

Ví dụ về Dashboard Grafana cho Kubernetes:

CPU và Memory Usage: Theo dõi việc sử dụng CPU và Memory của các Nodes và Pods.
Pod Lifecycle Events: Xem các sự kiện liên quan đến lifecycle của Pods như tạo, xóa, restart.
Network Traffic: Giám sát lưu lượng mạng giữa các Pods và Nodes.

7.2. Kiểm Tra và Báo Cáo Việc Tuân Thủ Chính Sách

Automated Compliance Checks: Sử dụng các công cụ như Open Policy Agent (OPA) để tự động kiểm tra việc tuân thủ các chính sách về scheduling, preemption và eviction.
Alerting: Thiết lập các cảnh báo khi có sự cố liên quan đến scheduling, preemption hoặc eviction, giúp bạn phản ứng kịp thời để giải quyết vấn đề.

7.3. Đánh Giá và Điều Chỉnh Chính Sách Định Kỳ

Periodic Reviews: Định kỳ đánh giá lại các chính sách về scheduling, preemption và eviction để đảm bảo rằng chúng vẫn phù hợp với nhu cầu kinh doanh và kỹ thuật.
Adjust Limits and Quotas: Điều chỉnh các giới hạn tài nguyên và quota dựa trên thay đổi trong nhu cầu sử dụng tài nguyên và sự phát triển của ứng dụng.

8. Kết Luận

Quản trị Cluster Kubernetes đòi hỏi sự hiểu biết sâu rộng về các thành phần cấu thành, cách cấu hình và duy trì để đảm bảo hiệu suất, bảo mật và độ ổn định cao cho các ứng dụng. Bằng cách lập kế hoạch kỹ lưỡng, áp dụng các chính sách quản lý tài nguyên hiệu quả, bảo mật cluster một cách toàn diện và giám sát liên tục, bạn có thể xây dựng và duy trì một Kubernetes Cluster mạnh mẽ, đáp ứng được các yêu cầu kinh doanh và kỹ thuật.

Những Điểm Chính:

Lập Kế Hoạch Cluster: Lựa chọn distro phù hợp, cân nhắc các yếu tố môi trường và hạ tầng.
Quản Lý Cluster: Quản lý Nodes, sử dụng Cluster Autoscaling và Resource Quotas để tối ưu hóa sử dụng tài nguyên.
Bảo Mật Cluster: Thiết lập và quản lý certificates, kiểm soát truy cập API, sử dụng RBAC, và áp dụng các Admission Controllers.
Dịch Vụ Tùy Chọn: Tích hợp DNS và thiết lập hệ thống logging và monitoring hiệu quả.
Best Practices: Tuân thủ các phương pháp tốt nhất để quản lý tài nguyên, bảo mật và giám sát cluster.
Giám Sát và Quản Lý: Sử dụng các công cụ như Prometheus, Grafana, và OPA để giám sát và quản lý cluster hiệu quả.

Chúc bạn thành công trong việc quản trị và tối ưu hóa Kubernetes Cluster của mình! Nếu bạn có bất kỳ câu hỏi nào thêm hoặc cần hỗ trợ, đừng ngần ngại tham khảo tài liệu chính thức của Kubernetes hoặc tham gia cộng đồng Kubernetes để được giúp đỡ.

9. Tài Nguyên Tham Khảo

Kubernetes Documentation – Cluster Administration
Kubernetes Documentation – Setup Guides
Kubernetes Documentation – Resource Quotas
Kubernetes Documentation – RBAC
Kubernetes Documentation – Network Policies
Kubernetes Documentation – Pod Security Policies
Open Policy Agent (OPA)
Prometheus Documentation
Grafana Documentation
Descheduler Project
HashiCorp Vault
Helm Documentation
The Kubernetes Book
Kubernetes Up & Running