Kubernetes

Что такое Kubernetes

Kubernetes (K8s) — платформа оркестрации контейнеров с открытым кодом, разработанная Google и переданная CNCF. Автоматизирует развёртывание, масштабирование и управление контейнеризованными приложениями.

Для System Design: Kubernetes — стандарт де-факто для запуска микросервисов. На собеседованиях важно понимать архитектуру, основные ресурсы и паттерны деплоя.

Архитектура Kubernetes

Control Plane (Master)

┌────────────────────────────────────────────────┐
│                  Control Plane                  │
│                                                │
│  ┌──────────────┐  ┌────────────────────────┐  │
│  │  API Server   │  │  etcd (state store)    │  │
│  │  (kube-api)   │  │  (distributed KV)      │  │
│  └──────┬───────┘  └────────────────────────┘  │
│         │                                      │
│  ┌──────┴───────┐  ┌────────────────────────┐  │
│  │  Scheduler    │  │  Controller Manager    │  │
│  │  (placement)  │  │  (reconciliation)      │  │
│  └──────────────┘  └────────────────────────┘  │
│                                                │
│  ┌─────────────────────────────────────────┐   │
│  │  Cloud Controller Manager (optional)     │   │
│  └─────────────────────────────────────────┘   │
└────────────────────────────────────────────────┘

Worker Node

┌──────────────────────────────────────────┐
│              Worker Node                  │
│                                          │
│  ┌────────────┐  ┌────────────────────┐  │
│  │  kubelet    │  │  kube-proxy        │  │
│  │  (agent)    │  │  (networking)      │  │
│  └──────┬─────┘  └────────────────────┘  │
│         │                                │
│  ┌──────┴─────────────────────────────┐  │
│  │  Container Runtime (containerd)     │  │
│  │                                     │  │
│  │  ┌─────┐ ┌─────┐ ┌─────┐          │  │
│  │  │ Pod │ │ Pod │ │ Pod │ ...       │  │
│  │  └─────┘ └─────┘ └─────┘          │  │
│  └─────────────────────────────────────┘  │
└──────────────────────────────────────────┘

Ключевые ресурсы Kubernetes

Pod — минимальная единица деплоя

Pod — один или несколько контейнеров с общей сетью и хранилищем. Это атомарная единица масштабирования.

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: api-server
  labels:
    app: api
    version: v1
spec:
  containers:
    - name: api
      image: myapp/api:v1.2.3
      ports:
        - containerPort: 8080
      resources:
        requests:
          cpu: "100m"
          memory: "128Mi"
        limits:
          cpu: "500m"
          memory: "512Mi"
      livenessProbe:
        httpGet:
          path: /health
          port: 8080
        initialDelaySeconds: 5
        periodSeconds: 10
      readinessProbe:
        httpGet:
          path: /ready
          port: 8080
        initialDelaySeconds: 3
        periodSeconds: 5
      env:
        - name: DATABASE_URL
          valueFrom:
            secretKeyRef:
              name: db-credentials
              key: url

Важно: Pod обычно не создаётся напрямую. Используйте Deployment для управления Pod.

Health Checks

Deployment — управление репликами

Deployment обеспечивает декларативное обновление Pod и ReplicaSet.

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: api
  labels:
    app: api
spec:
  replicas: 3
  selector:
    matchLabels:
      app: api
  strategy:
    type: RollingUpdate
    rollingUpdate:
      maxSurge: 1        # Max pods above desired during update
      maxUnavailable: 0   # Zero-downtime: always keep all replicas
  template:
    metadata:
      labels:
        app: api
    spec:
      containers:
        - name: api
          image: myapp/api:v1.2.3
          ports:
            - containerPort: 8080
          resources:
            requests:
              cpu: "200m"
              memory: "256Mi"
            limits:
              cpu: "1000m"
              memory: "1Gi"
          livenessProbe:
            httpGet:
              path: /health
              port: 8080
          readinessProbe:
            httpGet:
              path: /ready
              port: 8080
      affinity:
        podAntiAffinity:
          preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
            - weight: 100
              podAffinityTerm:
                labelSelector:
                  matchLabels:
                    app: api
                topologyKey: kubernetes.io/hostname

Service — сетевая абстракция

Service обеспечивает стабильный IP и DNS для доступа к набору Pod.

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: api-service
spec:
  selector:
    app: api
  ports:
    - port: 80          # Port exposed by service
      targetPort: 8080   # Port on the container
      protocol: TCP
  type: ClusterIP        # Internal only

Ingress — HTTP-маршрутизация

Ingress управляет внешним доступом к сервисам по HTTP/HTTPS.

apiVersion: networking.k8s.io/v1
kind: Ingress
metadata:
  name: api-ingress
  annotations:
    nginx.ingress.kubernetes.io/rate-limit: "100"
    cert-manager.io/cluster-issuer: "letsencrypt-prod"
spec:
  ingressClassName: nginx
  tls:
    - hosts:
        - api.example.com
      secretName: api-tls
  rules:
    - host: api.example.com
      http:
        paths:
          - path: /v1
            pathType: Prefix
            backend:
              service:
                name: api-service
                port:
                  number: 80
          - path: /v2
            pathType: Prefix
            backend:
              service:
                name: api-v2-service
                port:
                  number: 80

ConfigMap и Secret — конфигурация

# ConfigMap for non-sensitive configuration
apiVersion: v1
kind: ConfigMap
metadata:
  name: app-config
data:
  LOG_LEVEL: "info"
  MAX_CONNECTIONS: "100"
  FEATURE_FLAGS: |
    {
      "new_ui": true,
      "beta_api": false
    }
---
# Secret for sensitive data (base64-encoded)
apiVersion: v1
kind: Secret
metadata:
  name: db-credentials
type: Opaque
data:
  url: cG9zdGdyZXM6Ly91c2VyOnBhc3NAZGI6NTQzMi9teWFwcA==
  password: c3VwZXJzZWNyZXQ=

# Using ConfigMap and Secret in a Pod
spec:
  containers:
    - name: api
      envFrom:
        - configMapRef:
            name: app-config
      env:
        - name: DATABASE_URL
          valueFrom:
            secretKeyRef:
              name: db-credentials
              key: url

Важно: Kubernetes Secrets кодируются в base64, но не шифруются. Для production используйте Sealed Secrets, External Secrets Operator или HashiCorp Vault.

Scheduling — размещение Pod

Как работает Scheduler

Новый Pod без узла
        │
        ▼
Filtering ─── Узлы, не удовлетворяющие constraints → отброшены
        │
        ▼
Scoring ───── Оставшиеся узлы ранжируются по критериям
        │
        ▼
Binding ───── Pod привязывается к лучшему узлу

Инструменты влияния на scheduling

# Spread pods across availability zones
spec:
  topologySpreadConstraints:
    - maxSkew: 1
      topologyKey: topology.kubernetes.io/zone
      whenUnsatisfiable: DoNotSchedule
      labelSelector:
        matchLabels:
          app: api

Паттерны деплоя в Kubernetes

Rolling Update (по умолчанию)

Постепенная замена старых Pod новыми. Zero-downtime при правильной настройке.

Blue-Green

Два полных окружения. Переключение трафика мгновенно через Service selector.

# Switch traffic from blue to green
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: api-service
spec:
  selector:
    app: api
    version: green    # Change from "blue" to "green"
  ports:
    - port: 80
      targetPort: 8080

Canary

Часть трафика направляется на новую версию для тестирования.

# Canary: 90% to stable, 10% to canary via replica count
# Stable: 9 replicas with version: v1
# Canary: 1 replica with version: v2
# Service selects both by app label (without version)
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: api-service
spec:
  selector:
    app: api    # Matches both v1 and v2

Масштабирование

# HPA with custom metrics
apiVersion: autoscaling/v2
kind: HorizontalPodAutoscaler
metadata:
  name: api-hpa
spec:
  scaleTargetRef:
    apiVersion: apps/v1
    kind: Deployment
    name: api
  minReplicas: 2
  maxReplicas: 50
  behavior:
    scaleUp:
      stabilizationWindowSeconds: 30
    scaleDown:
      stabilizationWindowSeconds: 300  # Slow scale-down to avoid flapping
  metrics:
    - type: Resource
      resource:
        name: cpu
        target:
          type: Utilization
          averageUtilization: 70
    - type: Pods
      pods:
        metric:
          name: http_requests_per_second
        target:
          type: AverageValue
          averageValue: "1000"

Итоги

На собеседовании: когда проектируете систему на Kubernetes, обязательно упомяните: resource limits, health checks, pod anti-affinity для HA, HPA для масштабирования, и ConfigMap/Secret для 12-Factor Config.