¿Qué es un clúster de Kubernetes (K8s)?

Para los desarrolladores empresariales que crean e implementan aplicaciones modernas, administrar cargas de trabajo alojadas en contenedores a gran escala puede ser un desafío común. Kubernetes, a menudo abreviado como K8s, se convirtió en el estándar para la organización de contenedores. En el núcleo de este potente sistema de código abierto se encuentra el clúster de Kubernetes, un entorno sólido diseñado para automatizar la implementación, el escalamiento y la administración de aplicaciones en contenedores.

Clúster de Kubernetes
Diagrama de clúster de Kubernetes

Definición de clústeres de Kubernetes

Un clúster de Kubernetes es un conjunto de nodos o máquinas que se agrupan para ejecutar aplicaciones en contenedores. Proporciona un entorno de procesamiento unificado y abstracto, lo que te permite implementar y administrar tus servicios sin tener que interactuar directamente con servidores individuales.

El rol principal de un clúster de K8s es la organización de contenedores: automatiza las tareas complejas que implica mantener la disponibilidad de las aplicaciones, escalar los recursos en función de la demanda y lanzar actualizaciones sin tiempo de inactividad. 

Con la administración de todo el ciclo de vida de los contenedores, los clústeres de Kubernetes proporcionan la plataforma fundamental que las aplicaciones empresariales necesitan para ser escalables y ágiles.

Nodos

Un nodo es una máquina de trabajo en un clúster de Kubernetes, que puede ser una máquina virtual (VM) de un proveedor de servicios en la nube o un servidor físico en un centro de datos. Cada nodo proporciona los recursos necesarios de CPU, memoria y redes para ejecutar contenedores. Un clúster de K8s se compone de un plano de control y uno o más nodos trabajadores, que en conjunto proporcionan la capacidad de procesamiento del clúster.

Pods

En el modelo de objetos de Kubernetes, la unidad implementable más pequeña y fundamental es un Pod. Representa una sola instancia de un proceso activo dentro de un clúster y encapsula uno o más contenedores con acoplamiento alto, recursos de almacenamiento compartido y una dirección IP de red única. Si bien un Pod puede contener varios contenedores, el patrón más común es que un Pod aloje un solo contenedor, lo que crea una asignación de uno a uno entre el Pod y la aplicación alojada en contenedores.

Contenedores

Los contenedores son paquetes de software livianos, independientes y ejecutables que incluyen todo lo necesario para ejecutar una aplicación: código, entorno de ejecución, herramientas del sistema, bibliotecas del sistema y configuración. Este encapsulamiento ayuda a garantizar que la aplicación se ejecute de manera rápida y confiable de un entorno de computación a otro. Debido a que son portátiles y eficientes, los contenedores son los bloques de creación ideales para las aplicaciones modernas basadas en microservicios.

Arquitectura del clúster de K8s

Una arquitectura de clúster de Kubernetes consta de dos tipos principales de componentes que pueden ayudar a crear un sistema tolerante a fallas para ejecutar aplicaciones.

  • Plano de control: Actúa como el cerebro para administrar los clústeres. 
  • Nodos de trabajador: Actúan como la fuerza bruta, ya que proporcionan el entorno de ejecución.

Plano de control (nodos principales)

El plano de control es responsable de mantener el estado deseado de todo el clúster. Toma decisiones globales sobre la programación, responde a eventos del clúster y administra el ciclo de vida de todos los objetos de Kubernetes. Los componentes clave del plano de control incluyen los siguientes:

  • Almacén de respaldo (etcd): Es un almacén de pares clave-valor coherente y de alta disponibilidad que se usa como almacenamiento de respaldo de Kubernetes para todos los datos del clúster.
  • Servidor de la API (kube-apiserver): Sirve como frontend del plano de control, exponiendo la API de Kubernetes. Administra y valida las solicitudes REST, y luego actualiza el estado de los objetos relevantes en etcd.
  • Programador (kube-scheduler): El programador supervisa los Pods recién creados que no tienen un nodo asignado y selecciona un nodo para que se ejecuten en función de la disponibilidad de recursos, las políticas y las especificaciones de afinidad.
  • Administrador de controladores (kube-controller-manager) [opcional]: Este componente ejecuta varios procesos de controlador que regulan el estado del clúster. Por ejemplo, los controladores existen para manejar las fallas de nodos, mantener la cantidad correcta de Pods para un Deployment y administrar los Endpoints de Service.

Nodos trabajadores (nodos de procesamiento)

Los nodos de trabajador son las máquinas en las que se ejecutan tus aplicaciones alojadas en contenedores. Cada nodo es administrado por el plano de control y contiene los servicios necesarios para ejecutar Pods. Los componentes principales de cada nodo trabajador incluyen los siguientes:

  • kubelet: Es un agente que se ejecuta en cada nodo del clúster, se comunica con el plano de control y garantiza que los contenedores descritos en las especificaciones de Pod se ejecuten y estén en buen estado.
  • kube-proxy [opcional]: Este proxy de red se ejecuta en cada nodo y es responsable de mantener las reglas de red en los nodos. Estas reglas de red permiten la comunicación de red a tus Pods desde sesiones de red dentro o fuera de tu clúster.
  • Entorno de ejecución del contenedor: Este software administra la ejecución de contenedores y admite varios entornos de ejecución, siendo containerd una opción popular.

Uso de clústeres en K8s

Los clústeres de Kubernetes pueden ser muy versátiles y abordar muchos de los desafíos que enfrentan los equipos de desarrollo y operaciones empresariales.

Creación de contenedores para aplicaciones existentes

Mueve las aplicaciones heredadas a contenedores para mejorar su portabilidad, escalabilidad y utilización de recursos sin una refactorización extensa.

Creación de nuevas aplicaciones nativas de la nube

Usa un clúster de K8s como base para arquitecturas basadas en microservicios, lo que permite el desarrollo, la implementación y el escalamiento independientes de los servicios

DevOps y CI/CD

Automatiza la canalización de compilación, prueba e implementación integrándola en un clúster de Kubernetes, lo que acelera los ciclos de lanzamiento y mejora la confiabilidad.

Escalabilidad y resiliencia

Maneja cargas de tráfico variables escalando aplicaciones automáticamente hacia arriba o hacia abajo y habilita la reparación automática reiniciando o reemplazando automáticamente los contenedores con errores.

Eficiencia de los recursos

Mejora la utilización de la infraestructura empaquetando contenedores de forma más densa en menos nodos, lo que puede generar ahorros de costos significativos.


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Administración de clústeres de Kubernetes

Si bien Kubernetes es increíblemente potente, configurar y operar un clúster de K8s seguro y de nivel de producción implica una sobrecarga operativa significativa. Es aquí donde un servicio administrado como Google Kubernetes Engine (GKE) puede proporcionar un valor inmenso para los equipos empresariales. GKE puede ayudar a simplificar la administración de clústeres de Kubernetes automatizando muchas de las tareas complejas y que consumen mucho tiempo.

GKE puede proporcionar un plano de control completamente administrado, que se encarga de su disponibilidad, aplicación de parches y actualizaciones, para que tu equipo no tenga que hacerlo. Ofrece funciones como el modo Autopilot, que automatiza toda la administración operativa del clúster, incluidos los nodos y el ajuste de escala, para reducir aún más la sobrecarga y optimizar el uso de recursos. Con GKE, los desarrolladores pueden enfocarse en escribir código y crear aplicaciones, mientras que la plataforma se encarga de la arquitectura y la infraestructura del clúster de Kubernetes subyacente, lo que garantiza que sea seguro, confiable y escalable.

Recursos de aprendizaje de clústeres de Kubernetes

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