Was ist Kubernetes?

Kubernetes (oder kurz: K8s) ist eine ursprünglich von Google entwickelte Open-Source-Plattform zur Orchestrierung von Containern. Es bietet ein Framework für die Automatisierung der Bereitstellung, Skalierung und Verwaltung von containerisierten Anwendungen. Es ermöglicht Benutzern die Verwaltung und Koordination von Containern in einem Cluster von Maschinen und bietet eine hochskalierbare und resiliente Infrastruktur für die Ausführung verteilter Anwendungen.

Von Google-Ingenieuren ursprünglich für den internen Gebrauch entwickelt, wurde es 2014 als Open-Source-System auch außerhalb des Unternehmens angeboten. Seitdem hat es eine breite Akzeptanz gefunden und ist zu einem integralen Bestandteil des Cloud-nativen Ökosystems geworden. Kubernetes gilt neben Containern als grundlegender Baustein für moderne Cloud-Anwendungen und -Infrastrukturen.

Kubernetes läuft auf einer Vielzahl von Infrastrukturen, einschließlich Hybrid-Cloud-Umgebungen, Public Clouds, Private Clouds, virtueller Maschinen und Bare-Metal-Servern – was IT-Teams außergewöhnliche Flexibilität ermöglicht.

Wie funktioniert Kubernetes?

Die Kubernetes-Architektur besteht aus mehreren wichtigen Komponenten. Diese sind:

Kubernetes Cluster und Nodes

Als Bausteine von Kubernetes bestehen Cluster aus physikalischen oder virtuellen Maschinen, den sogenannten Nodes. Ein einzelner Master Node fungiert als Steuerungsebene des Clusters und verwaltet beispielsweise, welche Anwendungen gerade laufen und welche Container-Images verwendet werden. Dazu wird ein Scheduler-Dienst ausgeführt, der die Bereitstellung von Containern auf der Grundlage der vom Entwickler definierten Anforderungen und anderer Faktoren automatisiert.

Mehrere Worker Nodes sind für die Ausführung, Bereitstellung und Verwaltung von Workloads und containerisierten Anwendungen verantwortlich. Die Worker Nodes enthalten die von der Organisation gewählten Container-Management-Tools, wie z. B. Docker, sowie ein Kubelet, einen Software-Agenten, der Aufträge vom Master Node entgegennimmt und ausführt.

Cluster können Nodes umfassen, die die gesamte Architektur eines Unternehmens abdecken, von On-Premises über Public und Private Clouds bis hin zu Hybrid-Cloud-Umgebungen. Dies ist einer der Gründe, warum Kubernetes ein so integraler Bestandteil von Cloud-nativen Architekturen sein kann. Das System ist ideal für das Hosting von Cloud-nativen Anwendungen, die schnell skaliert werden müssen.

Container

Container sind eine leichtgewichtige und portable Software-Paketierungstechnologie, die für die Bereitstellung und konsistente Ausführung von Anwendungen in unterschiedlichen Umgebungen eingesetzt wird. Ein Container ist eine eigenständige ausführbare Einheit, die eine Anwendung mit all ihren Abhängigkeiten, einschließlich Bibliotheken, Frameworks und Laufzeitumgebungen, umschließt.

Container bieten die Möglichkeit, Anwendungen von der zugrundeliegenden Infrastruktur zu isolieren und sicherzustellen, dass sie unabhängig vom Host konsistent laufen. Diese Isolierung wird durch Containerisierungstechnologien wie Docker erreicht, die Virtualisierung auf Betriebssystemebene nutzen, um isolierte Umgebungen, so genannte Container, zu schaffen.

Gruppen

Gruppen sind die kleinste Skalierungseinheit in Kubernetes. Dabei handelt es sich um Gruppen von Containern, die sich das gleiche Netzwerk und die gleichen Rechenressourcen teilen. Die Gruppierung von Containern ist vorteilhaft, denn wenn ein bestimmter Container zu viel Traffic erhält, erstellt Kubernetes automatisch ein Replikat dieser Gruppe auf anderen Nodes im Cluster, um den Workload zu verteilen.

Wie das alles zusammen funktioniert

Die Kubernetes-Plattform läuft auf dem Betriebssystem des Systems (in der Regel Linux) und kommuniziert mit den Gruppen, die auf den Nodes laufen. Über eine Kommandozeilenschnittstelle namens kubectl gibt ein Administrator oder DevOps-Benutzer den gewünschten Zustand eines Clusters ein, z. B. welche Anwendungen mit welchen Images und Ressourcen laufen sollen.

Der Master Node des Clusters empfängt diese Befehle und leitet sie an die Worker Nodes weiter. Die Plattform ist in der Lage, automatisch zu bestimmen, welcher Node im Cluster die beste Option für die Ausführung des Befehls ist. Die Plattform weist dann die Ressourcen und die spezifischen Gruppen im Node zu, die den angeforderten Vorgang ausführen.

Kubernetes ändert nichts an den grundlegenden Prozessen des Containermanagements, es automatisiert sie lediglich und übernimmt einen Teil der Arbeit, sodass Admin- und DevOps-Teams ein hohes Maß an Kontrolle erreichen können, ohne jeden Node oder Container einzeln verwalten zu müssen. Die Mitarbeiter konfigurieren einfach das Kubernetes-System und definieren die Elemente darin. Es übernimmt die gesamte eigentliche Container-Orchestrierung.

Funktionen und Möglichkeiten von Kubernetes

Kubernetes bietet eine Reihe von Funktionen und Möglichkeiten, die die Orchestrierung von Containern über mehrere Nodes hinweg vereinfachen, die Automatisierung des Cluster-Managements ermöglichen und die Ressourcenauslastung optimieren. Dazu gehören:

• Automatische Skalierung – skalieren Sie Container und ihre Ressourcen je nach Bedarf und Nutzung nach oben oder unten
• Lifecycle-Management – ermöglicht es dem Administrator, die Bereitstellung zu unterbrechen, fortzusetzen und zu früheren Versionen zurückzukehren
• Gewünschte Zustandsbeschreibung – Admins definieren, was sie brauchen, und Kubernetes macht es möglich
• Selbstheilung und Resilienz – beinhaltet automatische Neustarts, Platzierung, Replikation und Skalierung
• Skalierbare Storage – Administratoren können bei Bedarf dynamisch Storage hinzufügen
• Load Balancing – das System nutzt eine Reihe von Instrumenten, um interne und externe Lasten auszugleichen
• Support für DevSecOps – vereinfacht die Sicherheit von Container-Operations während des gesamten Lebenszyklus von Containern und Clouds und ermöglicht es Teams, sichere Anwendungen schneller einzuführen

Wofür wird Kubernetes eingesetzt?

Kubernetes hilft Unternehmen, ihre komplexesten Anwendungen besser zu verwalten und vorhandene Ressourcen optimal zu nutzen. Es trägt auch dazu bei, die Verfügbarkeit von Anwendungen zu gewährleisten und Ausfallzeiten deutlich zu reduzieren. Durch Container-Orchestrierung automatisiert die Plattform viele Aufgaben, darunter Anwendungsbereitstellung, Rollouts, Serviceerkennung, Storage-Provisionierung, Lastausgleich, automatische Skalierung und Selbstheilung. Dadurch wird IT- oder DevOps-Teams ein großer Teil des Managementaufwands erspart.

Hier ist ein Beispiel: Angenommen, ein Container fällt aus. Um Ausfallzeiten auf ein Minimum zu reduzieren (oder ganz zu vermeiden), kann Kubernetes den Ausfall von Containern erkennen und automatisch ein Failover durchführen, indem es die ausgefallenen Container neu startet, ersetzt und/oder löscht. Das System überwacht auch alle Cluster und bestimmt, wo die Container am besten laufen, je nachdem, wo und wie die Ressourcen bereits genutzt werden. All dies geschieht automatisch und in Millisekunden – kein menschliches Team könnte das leisten.

Was ist Kubernetes-as-a-Service?

Kubernetes-as-a-Service (KaaS) ist ein Cloud-basiertes Angebot, das Anwendern verwaltete Kubernetes-Cluster zur Verfügung stellt. Das ermöglicht Unternehmen, die Leistungsfähigkeit von Kubernetes zu nutzen, ohne die zugrundeliegende Infrastruktur aufwändig einrichten und warten zu müssen. Mit KaaS können sich Benutzer auf die Bereitstellung und Verwaltung ihrer Anwendungen konzentrieren, anstatt sich mit der komplexen Verwaltung von Kubernetes-Clustern befassen zu müssen.

KaaS-Anbieter übernehmen Aufgaben wie Cluster-Provisionierung, Skalierung, Upgrades und Überwachung und entlasten die Benutzer von der operativen Verantwortung. Sie bieten benutzerfreundliche Schnittstellen oder APIs für die Interaktion mit Kubernetes-Clustern und stellen oft zusätzliche Funktionen wie Load Balancing, automatische Skalierung und integrierte Protokollierung und Überwachung bereit.

Durch das Angebot von Kubernetes „as-a-Service“ ermöglichen es Cloud-Anbieter und Managed Service Provider Entwicklern und Unternehmen, schnell und einfach containerisierte Anwendungen in großem Umfang bereitzustellen und zu verwalten und so die Vorteile von Kubernetes zu nutzen, ohne dass umfangreiche Kenntnisse oder Fähigkeiten für das Infrastrukturmanagement erforderlich sind.

Was ist Docker?

Wie Kubernetes ist auch Docker eine Open-Source-Lösung, die es Benutzern ermöglicht, die Bereitstellung von Anwendungen zu automatisieren. Im Gegensatz zu Kubernetes ist es auch ein Container-Dateiformat und hat sich zum De-facto-Dateiformat für Linux-Container entwickelt. Die Docker-Engine ermöglicht das Erstellen und Ausführen von Containern in einer Entwicklungsumgebung. Eine Container-Registry wie Docker Hub ermöglicht die gemeinsame Nutzung und Speicherung von Container-Images. Die Docker-Suite von Lösungen ist wirklich gut darin, Sie bei der Bereitstellung und Ausführung einzelner Container zu unterstützen.

Kubernetes vs. Docker

Kubernetes und Docker sind zwei unterschiedliche, aber komplementäre Technologien, die oft zusammen in modernen Container-basierten Anwendungen eingesetzt werden. Hier finden Sie einen Vergleich zwischen Kubernetes und Docker:

Docker:

• Docker ist eine Plattform und ein Toolset für die Erstellung und den Betrieb von Containern. Es bietet die Möglichkeit, Anwendungen und ihre Abhängigkeiten in leichte, isolierte Container zu packen.

• Mit Docker können Entwickler Container-Images erstellen, die alles enthalten, was zum Ausführen einer Anwendung benötigt wird, wie Code, Bibliotheken und Laufzeitumgebungen.

• Docker ermöglicht die konsistente Bereitstellung von Anwendungen in unterschiedlichen Umgebungen und stellt sicher, dass Anwendungen unabhängig vom Host zuverlässig laufen.

• Docker bietet eine einfach zu bedienende Kommandozeilenschnittstelle (Command-Line Interface, CLI) und ein robustes Ökosystem von Werkzeugen und Services zur Verwaltung von Containern.

Kubernetes:

• Oft auch als K8s bezeichnet, ist eine Open-Source-Container-Orchestrierungsplattform, die die Bereitstellung, Skalierung und Verwaltung von Containern sowie das Management von containerisierten Anwendungen automatisiert.

• Bietet ein Framework für die Ausführung und Koordination von Containern auf einem Cluster von Maschinen.

• Es bietet Funktionen wie automatische Skalierung, Load Balancing, Serviceerkennung und Selbstheilungsfähigkeiten.

• Es ermöglicht eine deklarative Konfiguration und Skalierung und erleichtert so die Verwaltung komplexer Anwendungsbereitstellungen.

• Es bietet ein hohes Maß an Fehlertoleranz und Resilienz, indem es sicherstellt, dass Anwendungen selbst im Falle von Ausfällen immer laufen und zur Verfügung stehen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Docker sich hauptsächlich auf die Erstellung und Paketierung von Containern konzentriert, während Kubernetes auf die Orchestrierung und das Management von Containern im großen Maßstab ausgerichtet ist. Docker stellt die Werkzeuge zum Erstellen und Ausführen von Containern bereit, während Kubernetes die Infrastruktur für die Bereitstellung und Verwaltung containerisierter Anwendungen in einer verteilten Umgebung bietet. Es ist üblich, Docker zu verwenden, um Container-Images zu erstellen, und dann Kubernetes zu verwenden, um diese Container über einen Cluster von Maschinen zu verwalten und zu orchestrieren.

Vorteile von Kubernetes

Kubernetes bietet eine Reihe von Vorteilen, insbesondere für Unternehmen, die sich auf Cloud-native Anwendungen konzentrieren. Die folgenden Vorteile sind nur ein Teil der Gründe, warum es heute das mit Abstand beliebteste Container-Management-System ist: 

• Verschieben Sie Workloads dorthin, wo sie am besten funktionieren – die Fähigkeit der Plattform, sowohl On-Premises als auch in der Cloud zu laufen, macht es einfach.
• Vereinfachen Sie die Überwachung, Verwaltung, Bereitstellung und Konfiguration containerisierter Anwendungen jeglicher Größe und Skalierung.
• Integrieren Sie die Container-Orchestrierung nahtlos in Ihre bestehende Architektur, indem Sie ihre umfangreichen Erweiterungsfunktionen für eine problemlose Kompatibilität nutzen.
• Behalten Sie Ihre IT-Ausgaben unter Kontrolle mit der integrierten Ressourcenoptimierung von Kubernetes, der Möglichkeit, Workloads überall auszuführen, und der automatischen Skalierbarkeit ganz nach Bedarf.
• Entlasten Sie IT- und DevOps-Teams, damit sie sich auf wichtigere Aufgaben konzentrieren können, anstatt containerisierte Anwendungen zu verwalten und zu orchestrieren.
• Optimieren Sie die Nutzung von Hardware-Ressourcen, einschließlich Netzwerkbandbreite, Arbeitsspeicher und Storage-I/O, mit der Möglichkeit, Nutzungslimits festzulegen.
• Steigern Sie die Effizienz von Anwendungen und die Verfügbarkeit mit den Selbstheilungsfunktionen von Kubernetes.
• Planen Sie Software-Updates, ohne Ausfallzeiten zu verursachen.
• Sorgen Sie für eine zukunftssichere Infrastruktur, indem Sie die Fähigkeit von Kubernetes nutzen, auf entkoppelten Architekturen zu laufen und schnelles, massives Wachstum zu unterstützen. 

Best-Practices für Kubernetes-Sicherheit

Sicherheit hat heute für jedes Unternehmen höchste Priorität, unabhängig davon, wo ihre Workloads und Anwendungen laufen. Im Folgenden finden Sie einige empfohlene Best Practices zur Sicherung Ihres Kubernetes-Systems und der darin enthaltenen Anwendungen und Daten:

1. Sicherung des Cluster-Zugriffs – beschränken Sie den Zugriff auf die Kubernetes-API durch starke Authentifizierungs- und Autorisierungsmechanismen wie RBAC (Role-Based Access Control). Verwenden Sie starke, eindeutige Passwörter oder sicherere Authentifizierungsmethoden wie zertifikatsbasierte Authentifizierung. Aktivieren Sie Auditing und überwachen Sie den API-Zugang auf unbefugte oder verdächtige Aktivitäten.

2. Regelmäßige Aktualisierung der Kubernetes-Komponenten – halten Sie die Kubernetes-Komponenten (Steuerungsebene, Worker Nodes, etcd) mit den aktuellsten stabilen Versionen auf dem neuesten Stand, um von Sicherheitspatches und Bugfixes zu profitieren.

3. Anwendung von Netzwerkrichtlinien – implementieren Sie Netzwerkrichtlinien, um den Traffic innerhalb des Clusters zu kontrollieren und die Kommunikation zwischen den Gruppen einzuschränken. Verwenden Sie Netzwerkrichtlinien, um sichere Kommunikationskanäle zu erzwingen und den Zugriff auf sensible Services oder Daten zu beschränken.

4. Sichere Container-Images – verwenden Sie nur vertrauenswürdige Container-Images aus zuverlässigen Quellen. Überprüfen Sie Container-Images regelmäßig auf Schwachstellen und stellen Sie sicher, dass sie gepatcht und aktualisiert werden. Verwenden Sie Image-Signierung und -Verifizierung zur Gewährleistung der Integrität der Images.

5. Einsatz von RBAC und geringsten Rechten – implementieren Sie eine rollenbasierte Zugriffskontrolle (Role Base Access Control, RBAC), um Benutzern und Services entsprechende Berechtigungen und Rollen zuzuweisen. Befolgen Sie das Prinzip der geringsten Rechte, indem Sie nur die Berechtigungen einräumen, die für jeden Anwender oder Service erforderlich sind.

6. Aktivieren Sie Gruppen-Sicherheitsrichtlinien – verwenden Sie Pod-Sicherheitsrichtlinien (PSPs), um Sicherheitseinschränkungen bei der Gruppenerstellung durchzusetzen, wie z. B. das Verhindern von privilegierten Containern oder Host-Zugriff.

7. Überwachung und Protokollierung von Aktivitäten – etablieren Sie die Protokollierung und Überwachung von Kubernetes-Clustern, um Sicherheitsvorfälle sofort zu erkennen und darauf zu reagieren. Überwachen Sie API-Serverprotokolle, Containerprotokolle und Ereignisse auf Clusterebene, um verdächtige Aktivitäten oder unbefugte Zugriffsversuche zu erkennen.

8. Sicherer etcd-Datenspeicher – sichern Sie den etcd-Datenspeicher, indem Sie die Verschlüsselung im Ruhezustand und während der Übertragung aktivieren. Beschränken Sie den Zugriff auf etcd, um sicherzustellen, dass nur autorisierte Personen auf die Konfigurationsdaten des Clusters zugreifen und diese ändern können.

9. Regelmäßige Backups und Tests der Disaster Recovery – implementieren Sie regelmäßige Backups kritischer Kubernetes-Komponenten, -Konfigurationen und -Daten, um im Falle von Problemen oder Angriffen eine Disaster Recovery zu ermöglichen. Testen Sie den Disaster-Recovery-Prozess regelmäßig, um sicherzustellen, dass er effektiv funktioniert.

10. Bleiben Sie informiert und folgen Sie den Best Practices – halten Sie sich auf dem Laufenden über die neuesten Sicherheit-Best-Practices und folgen Sie den Empfehlungen der Kubernetes Community und der Sicherheitsexperten.

Kubernetes Use Cases

Heutzutage setzen Unternehmen Container-Orchestrierungssysteme für eine Vielzahl von Anwendungsfällen ein. Diese umfassen:

• Anwendungsbereitstellung im großen Stil
• Microservices-Management
• Entwicklung von Software für kontinuierliche Integration/kontinuierliche Bereitstellung (CI/CD)
• Ermöglichung von serverlosem Computing
• Hybrid- und Multi-Cloud-Bereitstellungen
• Big-Data-Analysen
• Große oder komplexe Berechnungsprojekte
• Projekte im Bereich maschinelles Lernen
• Migration von Daten von On-Premises-Servern in die Cloud

Wie funktioniert Kubernetes bei der Anwendungsentwicklung?

Container-Orchestrierungssysteme spielen eine entscheidende Rolle in der Anwendungsentwicklung, indem sie eine skalierbare und robuste Plattform für die Bereitstellung, Verwaltung und Skalierung von containerisierten Anwendungen bieten. So funktioniert der Einsatz dieser Systeme in der Anwendungsentwicklung:

1. Containerisierung – Entwickler verpacken ihre Anwendungen und Abhängigkeiten mit Technologien wie Docker in Container-Images. Container sorgen dafür, dass Anwendungen in verschiedenen Umgebungen konsistent laufen und einfach bereitgestellt werden können.

2. Deklarative Konfiguration – Entwickler definieren den gewünschten Zustand ihrer Anwendung und ihrer Komponenten mithilfe von Kubernetes-Konfigurationsdateien, die typischerweise im YAML- oder JSON-Format geschrieben sind. In diesen Konfigurationsdateien wird festgelegt, wie die Anwendung bereitgestellt werden soll, einschließlich der Anzahl der Replikate, der Netzwerkanforderungen, der Ressourcenbeschränkungen und mehr.

3. Bereitstellung – Entwickler nutzen Kubernetes, um ihre containerisierten Anwendungen bereitzustellen. Sie erstellen Deployment-Objekte und geben dabei die gewünschte Anzahl von Replikaten und Container-Images an. Kubernetes übernimmt die Verteilung der Container auf die verfügbaren Nodes im Cluster.

4. Skalierung und Load Balancing - Kubernetes bietet integrierte Mechanismen zur Skalierung von Anwendungen. Entwickler können Richtlinien für die automatische Skalierung auf der Grundlage der CPU-Auslastung oder anderer Metriken definieren, um die Anwendung automatisch nach oben oder unten zu skalieren. es übernimmt auch das Load Balancing und verteilt den eingehenden Traffic auf die Replikate einer Anwendung, um eine hohe Verfügbarkeit und optimale Ressourcennutzung zu gewährleisten.

5. Serviceerkennung und Networking – Kubernetes bietet eine Serviceabstraktion, die es Anwendungen ermöglicht, sich innerhalb des Clusters zu erkennen und miteinander zu kommunizieren. Entwickler definieren Services, die Endpunkte für ihre Anwendungen anbieten, und Kubernetes weist jedem Service automatisch einen eindeutigen DNS-Namen und eine IP-Adresse zu. Dies ermöglicht eine nahtlose Kommunikation zwischen den verschiedenen Teilen der Anwendung.

6. Rollierende Updates und Rollbacks – Kubernetes unterstützt rollierende Updates, sodass Entwickler ihre Anwendungen ohne Ausfallzeiten aktualisieren können. Sie können eine neue Version des Container-Images spezifizieren, und es wird die vorhandenen Container nach und nach durch die neuen ersetzen, um einen reibungslosen Übergang zu gewährleisten. Im Falle von Problemen oder Fehlern unterstützt Kubernetes Rollbacks auf die vorherige Arbeitsversion.

7. Kontrollierbarkeit und Monitoring – Kubernetes bietet Funktionen für Monitoring und Kontrolle. Entwickler können ihre Anwendungen mit Protokollierungs- und Überwachungssystemen integrieren, und es bietet Metriken, Protokolle und Ereignisse über die Anwendung und ihre Komponenten. Dadurch können Entwickler Einblicke in die Performance der Anwendung gewinnen, Probleme beheben und die Ressourcennutzung optimieren.

Kubernetes vereinfacht die Anwendungsentwicklung, indem es eine Plattform für das Lifecycle-Management, die Skalierbarkeit und die Netzwerkaspekte containerisierter Anwendungen bereitstellt. So können sich Entwickler darauf konzentrieren, Code zu schreiben und den gewünschten Zustand ihrer Anwendungen zu definieren, während Kubernetes sich um die Bereitstellung, Skalierung und Aufrechterhaltung einer hohen Verfügbarkeit kümmert.

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Kubernetes bietet eine Vielzahl von Vorteilen, von der Rationalisierung und Automatisierung der Container-Orchestrierung und -Verwaltung bis hin zu seiner aktiven Open-Source-Community und flexiblen Skalierbarkeit. Es spielt eine entscheidende Rolle bei Cloud-nativen Strategien und ermöglicht Hybrid- und Multi-Cloud-Computing-Modelle, was es zu einer strategischen Option für Unternehmen macht, die ihre Entwicklung beschleunigen, die Bereitstellung von Anwendungen vereinfachen und den Betrieb von Anwendungen und Services optimieren möchten.

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