Kiến trúc của kubernetes 2025

Dưới đây là giải thích chi tiết về kiến trúc của Kubernetes. Kubernetes là một hệ thống mã nguồn mở mạnh mẽ được thiết kế để tự động hóa việc triển khai, mở rộng và quản lý các ứng dụng containerized. Hiểu rõ kiến trúc của Kubernetes sẽ giúp bạn tận dụng tối đa khả năng của nó trong việc quản lý hạ tầng ứng dụng.

Lưu Ý: Kubernetes có một kiến trúc phân tán, bao gồm nhiều thành phần tương tác với nhau để đảm bảo tính sẵn sàng, khả năng mở rộng và quản lý hiệu quả các container.

Mục lục

1. Tổng Quan Về Kiến Trúc Kubernetes

Kiến trúc của Kubernetes được chia thành hai phần chính:

Control Plane (Bảng Điều Khiển)
Nodes (Nút)

1.1. Control Plane (Bảng Điều Khiển)

Control Plane là bộ não của Kubernetes, chịu trách nhiệm quản lý trạng thái của cluster và thực hiện các quyết định về triển khai, ví dụ như phân phối ứng dụng, mở rộng, và cập nhật.

Các Thành Phần Chính của Control Plane:

Kube-API Server (kube-apiserver):
- Chức Năng: Là giao diện chính để tương tác với Kubernetes cluster. Tất cả các yêu cầu từ người dùng, ứng dụng, và các thành phần khác đều đi qua API Server.
- Tương Tác: Sử dụng giao thức RESTful API và JSON để giao tiếp với các thành phần khác.
etcd:
- Chức Năng: Là cơ sở dữ liệu phân tán lưu trữ tất cả các thông tin cấu hình và trạng thái của cluster. etcd đảm bảo rằng dữ liệu luôn nhất quán và có thể khôi phục lại khi xảy ra sự cố.
- Tính Năng: Dễ dàng mở rộng, sao lưu và phục hồi.
Kube-Scheduler (kube-scheduler):
- Chức Năng: Chịu trách nhiệm phân bổ các Pod mới vào các Node phù hợp dựa trên các tiêu chí như tài nguyên, hạn chế về phần cứng, và chính sách đã định.
- Quy Trình: Đánh giá và lựa chọn Node tốt nhất để chạy Pod.
Kube-Controller Manager (kube-controller-manager):
- Chức Năng: Chạy các Controller khác nhau để quản lý trạng thái của cluster. Các Controller bao gồm:
  - Node Controller: Theo dõi trạng thái của các Node.
  - Replication Controller: Đảm bảo số lượng Pod mong muốn luôn được duy trì.
  - Endpoints Controller: Quản lý các Endpoints cho Services.
  - Service Account & Token Controllers: Quản lý tài khoản và token truy cập.
Cloud Controller Manager (cloud-controller-manager):
- Chức Năng: Tách biệt các thành phần liên quan đến Cloud khỏi Control Plane, giúp Kubernetes trở nên linh hoạt hơn khi triển khai trên các nền tảng đám mây khác nhau.
- Thực Thi: Tương tác với các API của nhà cung cấp dịch vụ đám mây để quản lý tài nguyên như Load Balancer, Storage, v.v.

1.2. Nodes (Nút)

Nodes là các máy chủ vật lý hoặc ảo chạy các ứng dụng containerized. Mỗi Node chứa các thành phần cần thiết để chạy và quản lý các container.

Các Thành Phần Chính của Node:

Kubelet (kubelet):
- Chức Năng: Là agent chạy trên mỗi Node, chịu trách nhiệm giao tiếp với Control Plane để đảm bảo rằng các container được triển khai và chạy đúng như yêu cầu.
- Quy Trình: Theo dõi các Pod và Container, báo cáo trạng thái lên API Server.
Kube-Proxy (kube-proxy):
- Chức Năng: Quản lý mạng giữa các Pod và Service, thực hiện cân bằng tải cho các dịch vụ.
- Tính Năng: Thực hiện các quy tắc mạng (iptables, ipvs) để định tuyến lưu lượng đến các Pod phù hợp.
Container Runtime:
- Chức Năng: Thực thi và quản lý các container. Docker là một trong những container runtime phổ biến, nhưng Kubernetes cũng hỗ trợ các runtime khác như containerd, CRI-O.
- Tính Năng: Tạo, chạy, dừng và quản lý lifecycle của các container.
Pods:
- Chức Năng: Là đơn vị triển khai nhỏ nhất trong Kubernetes, chứa một hoặc nhiều container cùng chia sẻ một mạng và tài nguyên lưu trữ.
- Tính Năng: Chạy các ứng dụng, đảm bảo tính khả dụng và khả năng mở rộng.

2. Chi Tiết Kiến Trúc Kubernetes

2.1. Control Plane và Các Thành Phần Liên Quan

2.1.1. Kube-API Server

Vai Trò:
- Là điểm tiếp xúc chính cho mọi tương tác với Kubernetes cluster.
- Xử lý tất cả các lệnh, bao gồm việc tạo, cập nhật, xóa các tài nguyên như Pods, Services, Deployments.
Giao Thức:
- Sử dụng RESTful API với định dạng JSON.
Bảo Mật:
- Hỗ trợ xác thực (authentication), phân quyền (authorization), và kiểm tra tính hợp lệ (admission control).

2.1.2. etcd

Vai Trò:
- Lưu trữ tất cả các dữ liệu cấu hình và trạng thái của cluster.
- Đảm bảo tính nhất quán dữ liệu và phục hồi sau sự cố.
Tính Năng:
- Khả năng mở rộng cao, hỗ trợ replication để đảm bảo dữ liệu không bị mất.

2.1.3. Kube-Scheduler

Vai Trò:
- Xác định Node phù hợp để triển khai các Pod mới dựa trên các tiêu chí như tài nguyên, hạn chế về phần cứng, và chính sách đã định.
Quy Trình:
- Đánh giá các Node dựa trên các yếu tố như CPU, RAM, Storage, Network.
- Lựa chọn Node tối ưu để triển khai Pod.

2.1.4. Kube-Controller Manager

Vai Trò:
- Quản lý các Controller để duy trì trạng thái mong muốn của cluster.
Các Controller Chính:
- Replication Controller: Đảm bảo số lượng Pod mong muốn luôn được duy trì.
- Node Controller: Theo dõi trạng thái của các Node và xử lý khi Node bị lỗi.
- Endpoints Controller: Quản lý các Endpoints cho Services.
- Service Account & Token Controllers: Quản lý tài khoản và token truy cập cho các ứng dụng.

2.1.5. Cloud Controller Manager

Vai Trò:
- Kết nối Kubernetes với các dịch vụ đám mây, tách biệt các thành phần liên quan đến đám mây khỏi Control Plane.
Chức Năng:
- Quản lý các tài nguyên như Load Balancer, Storage, và các dịch vụ khác của nhà cung cấp đám mây.

2.2. Nodes và Các Thành Phần Liên Quan

2.2.1. Kubelet

Vai Trò:
- Đảm bảo rằng các Pod và Container được triển khai và chạy đúng như yêu cầu từ Control Plane.
Chức Năng:
- Theo dõi các Pod và Container, báo cáo trạng thái lên API Server.
- Thực hiện các lệnh từ API Server để tạo, cập nhật, hoặc xóa Container.

2.2.2. Kube-Proxy

Vai Trò:
- Quản lý mạng giữa các Pod và Service, đảm bảo lưu lượng được định tuyến đúng cách.
Chức Năng:
- Sử dụng các quy tắc mạng như iptables hoặc ipvs để cân bằng tải và định tuyến lưu lượng đến các Pod phù hợp.
- Hỗ trợ Service Discovery, giúp các ứng dụng có thể tìm và kết nối với nhau dễ dàng.

2.2.3. Container Runtime

Vai Trò:
- Thực thi và quản lý lifecycle của các container trong Pod.
Các Container Runtime Phổ Biến:
- Docker: Một trong những container runtime phổ biến nhất.
- containerd: Một runtime nhẹ hơn, thường được sử dụng với Docker.
- CRI-O: Một runtime tuân thủ Kubernetes Container Runtime Interface (CRI).

2.2.4. Pods

Vai Trò:
- Là đơn vị triển khai nhỏ nhất trong Kubernetes, chứa một hoặc nhiều container chia sẻ cùng một mạng và tài nguyên lưu trữ.
Tính Năng:
- Tích hợp các tài nguyên như volume, network, và namespace.
- Đảm bảo tính khả dụng và khả năng mở rộng thông qua replication và scaling.

2.3. Các Khái Niệm Và Thành Phần Quan Trọng Khác

2.3.1. Services

Vai Trò:
- Định nghĩa cách các Pod truy cập nhau hoặc truy cập bên ngoài cluster.
Các Loại Service:
- ClusterIP: Truy cập nội bộ trong cluster.
- NodePort: Truy cập từ bên ngoài thông qua cổng trên các Node.
- LoadBalancer: Sử dụng Load Balancer của nhà cung cấp đám mây để truy cập từ bên ngoài.
- ExternalName: Map Service đến một DNS name bên ngoài.

2.3.2. Deployments

Vai Trò:
- Quản lý việc triển khai và cập nhật các Pod một cách tự động và dễ dàng.
Chức Năng:
- Tự động tạo ReplicaSets để duy trì số lượng Pod mong muốn.
- Hỗ trợ rolling updates và rollbacks khi có sự cố xảy ra trong quá trình cập nhật.

2.3.3. ConfigMaps và Secrets

ConfigMaps:
- Quản lý cấu hình không nhạy cảm cho các ứng dụng.
Secrets:
- Quản lý các thông tin nhạy cảm như mật khẩu, token, khóa API một cách an toàn.

2.3.4. Ingress

Vai Trò:
- Quản lý truy cập HTTP và HTTPS vào các Service trong cluster.
Chức Năng:
- Định tuyến lưu lượng đến các Service dựa trên các quy tắc định sẵn.
- Hỗ trợ các tính năng như SSL termination, path-based routing, và host-based routing.

3. Kiến Trúc Phân Tán Và Tính Khả Dụng Cao

3.1. Kiến Trúc Phân Tán

Kubernetes được thiết kế theo kiến trúc phân tán, nơi Control Plane và các Node hoạt động độc lập nhưng tương tác chặt chẽ với nhau. Điều này giúp Kubernetes có thể mở rộng và xử lý các ứng dụng ở quy mô lớn một cách hiệu quả.

3.2. Tính Khả Dụng Cao

Replication và Scaling:
- Kubernetes hỗ trợ replication để đảm bảo rằng luôn có một số lượng Pod nhất định đang chạy, giúp tăng tính khả dụng và chịu lỗi.
- Horizontal Pod Autoscaling (HPA) cho phép tự động mở rộng hoặc thu nhỏ số lượng Pod dựa trên tải công việc thực tế.
Self-Healing:
- Kubernetes tự động phát hiện và khôi phục các Pod bị lỗi, đảm bảo rằng ứng dụng luôn hoạt động ổn định.
Rolling Updates và Rollbacks:
- Cho phép cập nhật các ứng dụng mà không gây gián đoạn dịch vụ.
- Nếu có sự cố xảy ra trong quá trình cập nhật, Kubernetes có thể tự động rollback về phiên bản trước đó.

4. Lợi Ích Của Kiến Trúc Kubernetes

Tự Động Hóa: Giảm thiểu công việc thủ công trong việc triển khai, quản lý và mở rộng ứng dụng.
Khả Năng Mở Rộng: Dễ dàng mở rộng ứng dụng theo nhu cầu mà không cần thay đổi kiến trúc.
Quản Lý Tài Nguyên Hiệu Quả: Kubernetes tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên server, giảm lãng phí.
Tính Khả Dụng Cao: Đảm bảo rằng ứng dụng luôn sẵn sàng và chịu lỗi tốt.
Tính Linh Hoạt: Hỗ trợ nhiều môi trường triển khai khác nhau, từ đám mây công cộng đến hạ tầng tại chỗ.

5. Kết Luận

Kiến trúc của Kubernetes là một hệ thống phân tán mạnh mẽ, cung cấp khả năng tự động hóa và quản lý hiệu quả các ứng dụng containerized. Bằng cách hiểu rõ các thành phần và cách chúng tương tác với nhau, bạn có thể tận dụng tối đa sức mạnh của Kubernetes để triển khai và vận hành các ứng dụng quy mô lớn một cách hiệu quả và đáng tin cậy.

Nhớ:

Thực hành thường xuyên: Triển khai các ứng dụng trên Kubernetes để nắm vững kiến trúc và cách hoạt động.
Theo dõi và tối ưu hóa: Sử dụng các công cụ giám sát để theo dõi hiệu suất và điều chỉnh cấu hình khi cần thiết.
Cập nhật kiến thức: Kubernetes liên tục phát triển với các tính năng mới, hãy luôn cập nhật kiến thức để tận dụng các cải tiến mới nhất.

Chúc bạn thành công trong việc học và triển khai Kubernetes! Nếu bạn có bất kỳ câu hỏi nào thêm hoặc cần hỗ trợ, đừng ngần ngại hỏi nhé!

Tài Nguyên Tham Khảo: