Kubernetes (K8s) è una piattaforma open-source progettata per semplificare la gestione, il deployment e la scalabilità delle applicazioni containerizzate. Nel tempo è diventato il punto di riferimento per l’orchestrazione dei container grazie alla sua capacità di adattarsi a infrastrutture complesse.
Cos'è Kubernetes e perché è diventato lo standard nell'orchestrazione dei container?
Il motivo della sua diffusione e del suo ampio utilizzo risiede nella possibilità di gestire automaticamente "carichi di lavoro", termine con cui si indicano tutti i processi e le applicazioni che vengono eseguiti all'interno del cluster.
Un carico di lavoro può essere costituito da uno o più container che operano insieme per svolgere una determinata funzione, come un'applicazione web o un microservizio.
Kubernetes gestisce questi carichi di lavoro e garantisce in modo del tutto automatico che abbiano sempre le risorse necessarie. Ad esempio, assegna in modo intelligente CPU, memoria e storage ai container in esecuzione, cosicché un'applicazione abbia le risorse sufficienti per funzionare senza interruzioni.
Breve storia: dalla nascita in Google alla Cloud Native Foundation
Il nome "Kubernetes" deriva dal greco antico e significa "pilota" o "timoniere", un termine che ben descrive la sua funzione di guida nella gestione dei container. La sua storia ha inizio nel 2013, quando Google decise di sviluppare una soluzione open source più flessibile e modulare rispetto a Borg, un sistema interno che gestiva i carichi di lavoro su larga scala.
Nel 2014, Kubernetes venne rilasciato come progetto open source, ottenendo subito un grande interesse. Nel 2016 divenne il primo progetto open source ospitato dalla Cloud Native Computing Foundation (CNCF), consolidandosi come la soluzione ideale per la gestione di infrastrutture containerizzate. Oggi, Kubernetes è supportato da una vasta e inclusiva community che contribuisce alla continua evoluzione del progetto e che periodicamente si riunisce in eventi globali come la KubeCon.
Perché Kubernetes ha avuto successo rispetto ad altri orchestratori
Il successo di Kubernetes rispetto ad altri "orchestratori", è legato alla sua incredibile scalabilità, flessibilità e capacità di adattarsi a diversi ambienti, siano essi on premise, cloud pubblici o privati. A differenza di altre soluzioni, permette infatti di automatizzare la gestione dei container eliminando la necessità di interventi manuali costanti. Questo anche attraverso i Kubernetes Operators che replicano il lavoro che altrimenti andrebbe svolto in modalità manuale dal team DevOps. Queste operazioni riguardano, ad esempio, la manutenzione automatica di sistemi complessi, come può essere la gestione di un cluster.
Grazie all'ecosistema di strumenti di supporto e all'importantissimo lavoro che la comunità di sviluppatori ha portato avanti in questi anni, Kubernetes rappresenta oggi una tecnologia indispensabile per il mondo IT.
Kubernetes e DevOps
In ambito DevOps, Kubernetes ha introdotto un nuovo paradigma nella gestione delle applicazioni. Grazie alla sua capacità di automatizzare il deployment delle applicazioni, favorisce pratiche DevOps come la Continuous Integration e il Continuous Deployment (CI/CD). Questa capacità di orchestrazione:
- riduce il carico operativo dei team IT
- garantisce un'infrastruttura più affidabile
- fa in modo che i vari componenti di un'applicazione comunichino tra loro in modo sicuro, indipendentemente da dove siano posizionati nel cluster.
Architettura di Kubernetes: i componenti fondamentali
L'architettura di Kubernetes si basa sul concetto di cluster, composto da:
- Nodi master (Control Plane), che coordina il cluster
- Nodi di lavoro (Worker Nodes) che eseguono i container attraverso i Pod.
Cluster Kubernetes: struttura e funzionamento
Un cluster Kubernetes è costituito da un nodo master, che ha il compito di coordinare le operazioni, e da diversi nodi di lavoro, dove effettivamente vengono eseguiti i container attraverso i Pod. Questo tipo di organizzazione consente di distribuire le applicazioni in modo efficiente, garantendo un alto livello di affidabilità e scalabilità sia su macchine fisiche che virtuali.
Nodo, Pod e Container: il cuore dell’orchestrazione
Un nodo può essere una macchina fisica o virtuale che mette a disposizione le risorse necessarie per l’esecuzione delle applicazioni. I Pod, invece, rappresentano un’unità logica di gestione che raggruppa uno o più container che condividono risorse e rete. Infine, i container sono le unità eseguibili delle applicazioni, complete di tutte le loro dipendenze.
Il Control Plane e i suoi componenti
Il cuore pulsante del sistema è il Control Plane, che ha il compito di gestire l’intero cluster. Questo avviene attraverso una serie di componenti chiave:
- l’API Server, che fornisce l’interfaccia per comunicare con Kubernetes
- l'etcd, un database distribuito che memorizza lo stato del cluster
- lo Scheduler, che decide dove eseguire i Pod in base alle risorse disponibili
- il Controller Manager, che monitora il corretto funzionamento di tutti i processi.
Funzionamento di Kubernetes: orchestrazione e deployment
Kubernetes semplifica il provisioning delle applicazioni attraverso meccanismi automatici che rendono la comunicazione tra i servizi fluida ed efficiente. Il provisioning si riferisce alla capacità di allocare e distribuire in modo dinamico le risorse necessarie per l’esecuzione delle applicazioni, come CPU ad esempio, evitando sprechi o sovraccarichi.
Come Kubernetes gestisce il provisioning
Uno dei componenti principali di questa infrastruttura è kube-proxy che gestisce il traffico di rete all'interno del cluster. Funzionando come un proxy di rete, kube-proxy mantiene le regole di instradamento necessarie affinché i Pod possano comunicare tra loro, indipendentemente dalla loro posizione all'interno del cluster. Questo è reso possibile grazie all'utilizzo di iptables o IPVS, tecnologie che consentono il bilanciamento del carico e l'inoltro dei pacchetti di rete in modo ottimizzato.
ReplicaSet e Deployments
Per garantire la continuità del servizio, Kubernetes utilizza ReplicaSet, che si occupa di mantenere attivi un numero definito di Pod e i Deployments con cui si effettuaano aggiornamenti senza interruzioni del servizio. Questo consente di distribuire nuove versioni delle applicazioni in modo graduale, evitando downtime e migliorando la stabilità del sistema.
Configurazioni avanzate
Quando si ha a che fare con applicazioni più complesse, Kubernetes mette a disposizione strumenti avanzati come:
- StatefulSet, pensato per gestire applicazioni con stato persistente
- DaemonSet, che assicura l’esecuzione di determinati Pod su tutti i nodi del cluster
- Jobs/CronJobs, utili per eseguire task temporanei o pianificati
Alcuni scenari richiedono la gestione di macchine virtuali (VM) insieme ai container. Per eseguire VM all’interno di un cluster Kubernetes si utilizza KubeVirt, un progetto open-source che permette quindi la coesistenza di applicazioni legacy basate su VM e nuovi microservizi containerizzati.
Con KubeVirt, Kubernetes può orchestrare VM e container con le stesse logiche di scheduling, networking e sicurezza e la gestione dell’infrastruttura è unificata. Questo approccio è utile per aziende che vogliono modernizzare le loro infrastrutture IT senza dover migrare completamente dalle VM ai container.
Vantaggi di Kubernetes
Automazione nella gestione dei container
Uno degli aspetti più apprezzati di Kubernetes è la sua capacità di automatizzare ogni fase della gestione dei container. Il sistema è in grado, infatti, di rilevare eventuali problemi e di intervenire autonomamente, ripristinando i servizi e riducendo i tempi di inattività. Inoltre, grazie ai rollback automatici, è possibile tornare rapidamente a una versione stabile nel caso di aggiornamenti il cui esito ha portato al verificarsi di criticità.
Autoscaling e ottimizzazione delle risorse
Kubernetes permette di adattare dinamicamente le risorse in base al carico di lavoro, riducendo gli sprechi e ottimizzando le prestazioni delle applicazioni. Questo non solo migliora l’efficienza operativa, ma consente anche di ridurre i costi di gestione dell’infrastruttura.
L’autoscaling in Kubernetes avviene su più livelli:
- Horizontal Pod Autoscaler (HPA) che aggiunge o rimuove Pod in base all’utilizzo delle risorse (CPU, memoria o metriche personalizzate)
- Vertical Pod Autoscaler (VPA) che modifica le richieste di risorse dei Pod esistenti, ridimensionandoli per ottimizzare le prestazioni
- Cluster Autoscaler che aggiunge o rimuove nodi nel cluster in base alla necessità di risorse.
Portabilità multi-cloud
Grazie alla sua compatibilità con diversi ambienti, Kubernetes elimina la dipendenza da un unico provider di cloud. Questo offre alle aziende maggiore flessibilità nella gestione delle proprie applicazioni, sia su infrastrutture private che su cloud pubblici.
Kubernetes vs altre tecnologie: alternative e scenari d’uso
Sebbene Kubernetes sia diventato lo standard de facto per l’orchestrazione dei container, esistono altre tecnologie con caratteristiche diverse che possono risultare più adatte a determinati scenari. Per piccoli progetti o applicazioni monolitiche, ad esempio, la configurazione di Kubernetes può risultare eccessivamente complessa e soluzioni come Docker Swarm o strumenti serverless potrebbero essere più indicati.
Kubernetes vs OpenShift: differenze chiave
Kubernetes o Openshift? OpenShift, basato su Kubernetes, include funzionalità aggiuntive per le aziende, come strumenti di CI/CD integrati e un maggiore focus sulla sicurezza. OpenShift, rispetto a Kubernetes “puro”, offre un’esperienza più strutturata grazie a funzionalità integrate che semplificano l’adozione e la gestione del cluster. Ad esempio, include strumenti di Continuous Integration e Continuous Deployment (CI/CD) già configurati, un'interfaccia utente avanzata per il controllo del cluster e una maggiore attenzione agli aspetti di sicurezza, come la gestione automatica dei ruoli e delle autorizzazioni. Questo lo rende una scelta interessante per le aziende che desiderano una soluzione pronta all’uso e meno complessa da configurare rispetto a Kubernetes nella sua forma base.
Minikube: primo passo per imparare Kubernetes
Per chi vuole iniziare con Kubernetes, Minikube permette di eseguire un cluster locale su un singolo nodo, ideale per test e sviluppo.
Kubernetes onpremise vs Kubernetes gestito (EKS, AKS, GKE)
Le piattaforme cloud come Amazon Elastic Kubernetes Service (EKS), Azure Kubernetes Service (AKS) e Google Kubernetes Engine (GKE) offrono versioni gestite di Kubernetes, semplificando l’installazione e la manutenzione. Al contrario, un cluster on premise - a fronte di una maggiore possibilità di controllo - richiede più competenze tecniche per installare, configurare e mantenere il cluster (oltre a dover gestire l’hardware e la rete in autonomia). Inoltre, l’aggiornamento e la sicurezza del sistema sono a carico dell’amministratore, differentemente da quanto avviene per le soluzioni cloud che automatizzano molte di queste operazioni.
Configurazione base e primi comandi con kubectl
Kubectl è l’interfaccia a riga di comando per interagire con Kubernetes. Alcuni comandi essenziali includono kubectl get pods per visualizzare i Pod attivi, kubectl apply -f per applicare configurazioni e kubectl logs per analizzare i log delle applicazioni.
Soluzioni per creare un cluster in pochi minuti: K3s, Kind e alternative
Se l’obiettivo è creare rapidamente un cluster Kubernetes senza troppi passaggi complessi, esistono soluzioni più “easy” come K3s, Kind e MicroK8s. K3s è una versione semplificata di Kubernetes, progettata per funzionare su dispositivi con risorse limitate, come edge computing e IoT. Kind (Kubernetes IN Docker) è invece pensato per ambienti di test e sviluppo e consente di eseguire Kubernetes in contenitori Docker. MicroK8s, sviluppato da Canonical, è un’ottima alternativa per chi desidera un cluster compatto e facile da installare su ambienti locali o in cloud. Queste soluzioni rendono l’apprendimento e la sperimentazione con Kubernetes più accessibili anche per chi non ha a disposizione un’infrastruttura complessa.
Sicurezza e best practice per un ambiente Kubernetes ottimale
Autenticazione e autorizzazione: RBAC, Service Account, Network Policies
In Kubernetes è possibile stabilire un adeguato sistema di autenticazione e autorizzazione grazie a:
- RBAC (Role-Based Access Control): consente di definire chi può eseguire determinate operazioni all'interno del cluster. Attraverso le Role e RoleBinding per contesti specifici (namespace) e i ClusterRole e i ClusterRoleBinding per contesti globali, si controlla l’accesso a risorse sensibili.
- Service Accounts: gli account di servizio vengono utilizzati per l'autenticazione delle applicazioni all'interno del cluster.
- Network Policies: regolano il traffico tra i Pod e prevengono connessioni indesiderate. Con un file YAML è possibile definire le regole di accesso tra i servizi, aumentando la sicurezza.
Protezione dei dati: Encryption, Secrets, Backup & Disaster Recovery
Proteggere i dati in Kubernetes significa implementare soluzioni per la crittografia, la gestione sicura delle credenziali e i backup.
Nello specifico Kubernetes supporta la crittografia dei dati sensibili tramite etcd Encryption Provider e l’uso di TLS per le comunicazioni tra i componenti del cluster. Gestisce informazioni sensibili (password, token, certificati) con oggetti Secret, che possono essere montati nei Pod evitando di inserirli nel codice. Utilizza strumenti come Velero per eseguire backup periodici del cluster e ripristinarlo in caso di errore o attacco.
Monitoraggio e logging: strumenti essenziali per la gestione operativa
Per mantenere un cluster Kubernetes efficiente e sicuro è fondamentale monitorare lo stato dei componenti e raccogliere i log. Per questo si utilizzano strumenti come:
- Prometheus e Grafana per la raccolta e visualizzazione di metriche in tempo reale, utili anche per individuare anomalie e ottimizzare le risorse.
- Elasticsearch, Fluentd, Kibana (EFK stack) e Loki per la gestione centralizzata dei log, che aiuta a identificare problemi nei container e nelle applicazioni.
Kubernetes è una tecnologia potente e versatile che ha trasformato la gestione delle applicazioni containerizzate. Per ottenere il massimo, però, è necessario che venga configurato e gestito correttamente.
Per approfondire il tema https://kubernetes.io/docs/home/
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