Як реалізувати мікросервіси за допомогою Docker та Kubernetes

В останні роки поєднання мікросервісів, Docker та Kubernetes Це стало фактичним стандартом для розгортання сучасних, масштабованих та простих у обслуговуванні додатків. Все більше компаній відходять від монолітних додатків на користь розподілених архітектур, які краще підходять для мінливих середовищ та стратегій DevOps.

Якщо вам цікаво Як на практиці реалізувати мікросервіси за допомогою Docker та KubernetesЦей контент буде ідеальним для вас: ми розглянемо ключові концепції, переваги та проблеми, як створювати контейнери, як оркеструвати їх у кластері та які кроки слід виконати для їх встановлення. Windows y Linuxа також низку порад щодо їх розумного використання в реальних умовах.

Що таке мікросервісна архітектура і чим вона відрізняється від монолітної?

Архітектура мікросервісів базується на розділити застосунок на кілька невеликих, автономних та незалежно розгортаних сервісівкожен з них зосереджувався на певній функціональності (користувачі, платежі, каталог, замовлення тощо), які взаємодіяли переважно через легкі API (HTTP/REST, gRPC, обмін повідомленнями тощо).

З іншого боку, у монолітному застосуванні, Вся бізнес-логіка, рівень представлення та доступ до даних упаковані в один блок розгортання.Будь-яка зміна вимагає перекомпіляції, тестування та розгортання всієї системи, що ускладнює еволюцію та збільшує ризик внесення помилок у продакшн.

У мікросервісах кожен сервіс має свій власний життєвий цикл: Його можна розробляти, тестувати, розгортати, масштабувати та версіонувати незалежно.Це дозволяє кільком командам працювати паралельно, спрощує впровадження нових технологій та полегшує інтеграцію з практиками CI/CD.

Крім того, ця архітектура вводить концепцію компонентно-незалежна масштабованістьЗамість масштабування цілого монолітного застосунку для підтримки більшого навантаження на певний модуль, масштабуються лише ті мікросервіси, які цього дійсно потребують, що краще оптимізує ресурси інфраструктури.

Реальні переваги та проблеми мікросервісів

Перехід на мікросервіси — це не просто примха моди: Це забезпечує відчутні переваги в масштабованості, стійкості та швидкості розгортання.Але це також створює операційну складність, яку необхідно враховувати.

Серед найпомітніших переваг є незалежна масштабованість кожного сервісуЯкщо, наприклад, модуль платежів отримує більше трафіку, ніж модуль адміністрування, ви можете збільшити лише кількість реплік мікросервісу платежів, не торкаючись решти програми та не витрачаючи ресурси.

Ви також багато чого отримуєте в безперервне розгортання та часті поставкиІзолюючи кожну службу, можна випускати нові версії поступово, без необхідності зупиняти або повторно розгортати всю програму, скорочуючи періоди обслуговування та покращуючи час виведення на ринок.

Іншим ключовим моментом є стійкість та відмовостійкістьЗа умови правильного проектування, збій одного мікросервісу не повинен призвести до збою всієї системи. Завдяки таким шаблонам, як тайм-аути, повторні спроби та автоматичні вимикачі, інші сервіси можуть продовжувати реагувати, обмежуючи вплив збоїв.

Крім того, мікросервіси дозволяють технологічна гнучкістьКожна команда може обрати мову, фреймворк або базу даних, що найбільше підходять для її сервісу, за умови дотримання умов комунікаційних контрактів та глобальної політики платформи.

З іншого боку медалі ми знаходимо операційна складність та складність спостереженняКерування десятками або сотнями сервісів передбачає роботу з розподіленими мережами, міжсервісними трасуваннями, централізованим веденням журналів, безпекою, керуванням версіями API та забезпеченням узгодженості даних, що вимагає передових інструментів та зрілих процесів.

Це також ускладнюється управління комунікацією між службамиВажливо ретельно продумати, як відбувається обмін даними, як обробляються помилки, як керується затримка та як запобігти тому, щоб повільна залежність затягувала решту системи. Тестування та налагодження перестають бути тривіальними, оскільки Тестується не окремий блок, а набір взаємопов'язаних сервісів..

Контейнери: основа для запуску мікросервісів в ізоляції

Контейнерна технологія стала ідеальною підтримкою для мікросервісів, оскільки Це дозволяє упакувати програму та всі її залежності в стандартизований та портативний модуль.Замість встановлення бібліотек, середовищ виконання та інструментів на кожному сервері, все переміщується всередині контейнера.

Контейнер, по суті, це полегшена форма віртуалізації на рівні операційної системи: використовує спільне ядро ​​хоста, але запускає процеси в ізольованих просторах імен та з ресурсами, обмеженими контрольними групами, що забезпечує їх швидке завантаження та менше споживання ресурсів, ніж віртуальна машина.

Серед його ключових властивостей є ізоляція, портативність, легкість та модульністьКожен мікросервіс, що працює у власному контейнері, стає легшим для розгортання, зупинки, оновлення або реплікації, що ідеально відповідає принципам розподілених архітектур.

Порівняно з віртуальні машини для продакшенуконтейнери Їм не потрібна повноцінна операційна система для кожного екземпляра.а радше поділитися зображеннями хоста. Це значно зменшує розмір зображень і el tiempo de завантаженнящо дозволяє піднімати або знищувати контейнери за лічені секунди.

Docker: еталонна платформа для контейнеризації мікросервісів

Docker є найпопулярнішим інструментом для роботи з контейнерами, оскільки Це спрощує створення, пакування, розповсюдження та виконання контейнерних додатків як у середовищах розробки, так і в тестуванні та виробництві.

Їхня центральна ідея полягає в тому, щоб упакувати програмне забезпечення в Зображення DockerЦе незмінні артефакти, що включають код програми, необхідні їй бібліотеки, системні інструменти та базові конфігурації. Програми створюються з цих образів. контейнери в експлуатації, які є поодинокими екземплярами на основі цього зображення.

Побудова зображення визначається в Докер-файл, текстовий файл, який визначає такі інструкції, як базовий образ, робочий каталог, файли для копіювання, залежності для встановлення, порти для відкриття та команду для виконання під час запуску контейнера.

Уявіть, що у вас є API, написаний на Node.js. Ви можете створити Dockerfile, подібний до наступного, де Починаючи з офіційного образу Node, файли копіюються, залежності встановлюються та команда boot визначається.:

FROM node:14
WORKDIR /app
COPY . .
RUN npm install
EXPOSE 3000
CMD

Цей файл вказує, що програма буде працювати в каталозі /app всередині контейнера, що залежності будуть встановлені за допомогою npm, що порт 3000 буде відкритий, і що після запуску контейнера він буде виконуватися npm початок.

Щоб зібрати та запустити цей контейнер, просто виконайте команду з папки проекту. збірка докера , А потім докер-бігзіставлення портів для забезпечення доступу з хоста або для використання в багатоконтейнерних застосунках докер-створити:

docker build -t mi-app .
docker run -p 3000:3000 mi-app

Завдяки цій моделі, Класична проблема «це працює на моїй машині» зведена до мінімуму.Оскільки середовище виконання поширюється разом із застосунком. Крім того, Docker легко інтегрується із системами CI/CD, приватними реєстрами та інструментами оркестрації, такими як Kubernetes.

Ключові компоненти Docker та їхня роль у мікросервісах

У типовому розгортанні ми говоримо про Докер-хостяка система (фізична чи віртуальна), де встановлено Docker; він працює поверх неї. Докер Двигун, демон, який керує образами, мережами, томами та життєвим циклом контейнера.

Контейнери містять додаток та його залежності, упаковані в образЦе дозволяє будь-якому серверу з Docker послідовно запускати цей образ. Така узгодженість є критично важливою, коли у вас розгорнуто багато мікросервісів у різних середовищах (розробка, контроль якості, продакшн тощо).

Серед найцікавіших переваг Docker є те, портативність між середовищами, автоматизація розгортання, модульність процесів та підтримка шарів і контролю версій в образахщо полегшує скасування змін та оптимізацію зберігання.

Kubernetes: оркестратор для управління сотнями контейнерів

Коли ви переходите від кількох контейнерів до десятків або сотень їх, Керування ними вручну стає божевіллямСаме тут і з'являється Kubernetes, платформа з відкритим кодом, розроблена для оркестрації контейнерів у великих масштабах.

Kubernetes автоматизує критично важливі завдання, такі як розгортання, масштабування, відновлення після збоїв, конфігурація мережі та зберігання даних контейнерних додатків. Він розроблений для роботи в публічних хмарах, приватних хмарах, гібридних середовищах і навіть локально.

Його основна увага зосереджена на управлінні кластерами, що складаються з кількох вузлів (машин), на яких працюють контейнери. Мета полягає в тому, щоб забезпечити, щоб програми завжди перебувають у бажаному стані: кількість реплік, розгорнутих версій, виділених ресурсів та зв'язку між сервісами.

Фундаментальні елементи Kubernetes

Найменший блок у Kubernetes – це СтручокПод представляє один або декілька екземплярів контейнера, які повинні працювати разом (наприклад, контейнер програми та допоміжний контейнер для ведення журналу). Поди є тимчасовими. Вони створюються, знищуються та замінюються відповідно до потреб кластера..

Щоб розкрити ваші поди, Kubernetes пропонує ресурс Обслуговуванняякий діє як рівень абстракції мережі. Сервіс групує набір подів та Він забезпечує стабільну IP-адресу, DNS-ім'я та внутрішнє балансування навантаження.щоб клієнтам не потрібно було знати деталі кожного Pod-апарату.

Ресурс розгортання Він використовується для визначення того, як слід розгортати та оновлювати поди: скільки реплік, який образ використовувати, які теги застосовувати та яку стратегію оновлення дотримуватися. Kubernetes обробляє це. завжди підтримуйте бажану кількість працюючих подів та виконувати постійні оновлення або відкати до попередніх версій під час зміни конфігурації.

Також є такі ресурси, як ConfigMap та SecretЦі функції дозволяють вам виносити конфігурацію на зовнішній ринок та зберігати конфіденційні дані (паролі, токени, ключі API) без необхідності пакувати їх в образи. Це значно спрощує безпечне керування конфігурацією в різних середовищах.

Як організувати кластер Kubernetes

«Голова» кластера — це План керування Kubernetesякий об'єднує кілька компонентів, відповідальних за управління всією системою. Серед них є Сервер APIякий є шлюзом до керування кластером; будь-яка дія (створення розгортання, список подів, зміна служби) проходить через цей API.

El Планувальник Він відповідає за рішення, на якому вузлі працює кожен Pod, враховуючи доступні ресурси, спорідненість та обмеження; Менеджер контролера Слідкуйте за станом кластера та вживайте заходів, щоб переконатися, що реальний стан відповідає тому, що ви вказали в маніфестах (наприклад, створюйте нові поди, якщо їх менше, ніж ви запитували).

Державне сховище делеговано тощоРозподілена база даних зберігає конфігурацію та інформацію про всі ресурси кластера. Крім того, на кожному робочому вузлі виконуються такі процеси, як наведені нижче: кубелет (агент, який зв'язує вузол із сервером API), kube-проксі (який керує мережевим трафіком та балансуванням навантаження) та середовище виконання контейнера (Docker, контейнери, CRI-O тощо).

Розгортання мікросервісів у Kubernetes за допомогою YAML-файлів

Для розгортання мікросервісу в Kubernetes його зазвичай описують за допомогою Маніфест YAML, де ви визначаєте Розгортання (шаблон Pod, образ, порти, кількість реплік, мітки) та відповідну Службу для його відкриття всередині або зовні кластера.

Базовий приклад розгортання для програми під назвою «my-app» може виглядати приблизно так, де Визначено три репліки та порт 3000. як контейнерний порт:

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
name: mi-app
spec:
replicas: 3
selector:
matchLabels:
app: mi-app
template:
metadata:
labels:
app: mi-app
spec:
containers:
- name: mi-app
image: mi-app:latest
ports:
- containerPort: 3000

Цей маніфест вказує на те, що кластер повинен підтримувати три капсули в експлуатації Зображення «my-app:latest» позначено тегом app=my-app, щоб сервіс міг їх знайти та розподілити трафік між ними. Kubernetes автоматично обробляє логіку масштабування, оновлень та заміни подів у разі збою.

Поряд із розгортаннями, зазвичай визначають служби типу ClusterIP, NodePort або LoadBalancerЗалежно від того, чи має бути доступний мікросервіс лише всередині кластера, з вузлів чи з Інтернету, вся ця конфігурація зберігається у репозиторіях, що безперешкодно інтегрується з конвеєрами CI/CD.

Масштабування, оновлення та самовідновлення в Kubernetes

Одна з головних причин використання Kubernetes — це його здатність масштабувати та оновлювати мікросервіси без зупинки програмиВи можете змінити кількість реплік у маніфесті (або за допомогою команди kubectl), і кластер подбає про створення або видалення подів, доки не буде досягнуто бажаного значення.

Це масштабування може бути ручним або автоматичним, з використанням таких ресурсів, як Горизонтальний автомасштабувальник подів (HPA)Ця функція динамічно налаштовує репліки на основі таких показників, як процесор або пам'ять. Таким чином, потужність збільшується в періоди високого навантаження, а ресурси звільняються, коли навантаження зменшується.

Щодо оновлень, Kubernetes реалізує поточні оновлення За замовчуванням: він створює поди з новою версією та поступово видаляє ті, що були з попередньої версії, без різкого скорочення. Якщо щось піде не так, відміна Це дозволяє швидко відновити попередню версію.

Ще однією критично важливою функціональністю є самостійний ремонтЯкщо контейнер або под перестає працювати, Kubernetes автоматично його перестворює; якщо вузол перестає відповідати, уражені поди переплановуються на інші доступні вузли, зберігаючи працездатність програми.

Моніторинг та спостережуваність мікросервісів у Kubernetes

Для правильної роботи мікросервісного середовища недостатньо простого розгортання та масштабування: Вам потрібна видимість ефективності та стану послуг у режимі реального часуУ Kubernetes дуже поширеною є інтеграція таких інструментів, як Prometheus для збору метрик та Grafana для їх візуалізації.

Prometheus обробляє «вибір» метрик з подів, вузлів та компонентів кластера, зберігає їх та дозволяє визначати сповіщення про них; у поєднанні з Grafana ви можете створювати інформаційні панелі, де Моніторинг використання процесора, пам'яті, помилок HTTP, затримки, кількості реплік або стану вузла дуже чітко.

Крім того, kubectl пропонує Команди Щоб перевірити стан розгортань, служб, подів та інших ресурсів, див. logsЦе включає опис подій або доступ до контейнерів для налагодження. Все це є частиною стратегії спостережуваності, яка в мікросервісах... Це не обов'язково, якщо ви хочете спати спокійно..

Зв'язок між мікросервісами, Docker та Kubernetes

Мікросервіси, Docker та Kubernetes поєднуються, як частини однієї й тієї ж головоломки: Архітектура мікросервісів визначає, як ви проектуєте застосунок, Docker займається пакуванням та запуском кожного сервісу, а Kubernetes оркеструє всі ці контейнери. у кластері.

Кожен мікросервіс інкапсульований у образ Docker, що містить його код та залежностіЦе гарантує, що він поводиться однаково на ноутбуці розробника, у тестовому середовищі або у хмарному продакшені. Така узгоджена упаковка є життєво важливою для філософії DevOps.

Зі свого боку, Kubernetes діє як оркестратор контейнерівВін вирішує, скільки екземплярів кожного мікросервісу має працювати, де вони розташовані, як балансується трафік до них, як вони відновлюються після збоїв та як масштабуються, коли попит зростає або зменшується.

Наприклад, у застосунку електронної комерції ви можете мати мікросервіси для автентифікації, каталогу, кошика для покупок та платежів, кожен з власним образом Docker та розгортанням Kubernetes. Таким чином, Ви можете масштабувати каталог у великих кампаніях або платежах у критичні моменти, не впливаючи на рештута керувати всім його життєвим циклом, від конвеєрів CI/CD до моніторингу після виробництва.

Встановлення Docker та Kubernetes на Windows

Якщо ви працюєте з Windows, найпростіший спосіб почати – це встановити Робочий стіл Dockerщо включає рушій Docker та додаткові інструменти, а також опції для інтеграції Kubernetes у вашу машину.

Типовий процес включає Завантажте Docker Desktop з офіційного сайтуЗапустіть інсталятор (Docker Desktop Installer.exe) та дотримуйтесь інструкцій майстра. Під час інсталяції ви можете вибрати між використанням Hyper-V або WSL 2 як технологія віртуалізації; якщо доступна лише одна, то саме вона буде використовуватися.

Після перезавантаження системи відкриття Docker Desktop ініціалізує середовище контейнера; якщо віртуалізація не була ввімкнена, інсталятор зазвичай сам пропонує увімкнути автоматичноЗвідти можна запускати контейнери, наприклад, Nginx або власні додатки.

Щоб використовувати Kubernetes у Windows, спочатку потрібно ввімкнути Docker та можливості віртуалізації. Потім ви можете ввімкнути Kubernetes з Docker Desktop або встановити та налаштувати kubectl керувати зовнішніми кластерами та, за потреби, розгортати панель інструментів Kubernetes через віддалений маніфест.

Після налаштування ви зможете отримати доступ до панелі інструментів через локальний проксі-сервер, використовуючи токен автентифікації, згенерований за допомогою kubectl та вказуючи, наприклад, на файл конфігурації. .kube/config керувати доступом до кластера з браузера.

Встановлення Docker та Kubernetes на Linux

У системах Linux, таких як Ubuntu, встановлення Docker зазвичай досить просте: Пакети оновлюються, рушій Docker встановлюється, а середовище перевіряється на правильність його роботи. запуск тестового контейнера.

Типові кроки включають оновлення системи за допомогою Оновлення apt-get та підвищення рівня apt-getВидаліть усі попередні версії Docker Desktop, якщо такі є, а потім встановіть docker-ce, docker-ce-cli, containerd.io та плагін docker-compose з офіційних репозиторіїв або вказавши потрібну версію.

Щоб перевірити, чи все гаразд, зазвичай запускається контейнер "hello-world". Він завантажує мінімальний образ і запускає його.Якщо повідомлення відображається правильно, Docker запущено та готове до контейнеризації мікросервісів.

Що стосується Kubernetes, то в Linux його можна встановити за допомогою таких інструментів, як kubeadmТиповий робочий процес включає додавання ключа репозиторію Kubernetes, налаштування файлу списку пакетів, встановлення kubeadm та перевірку його версії.

Потім кластер ініціалізується на головному вузлі за допомогою Ініціалізація kubeadm (із зазначенням мережевого діапазону для Pods), отримується команда «join», щоб робочі вузли приєдналися до кластера, а локальний доступ налаштовується шляхом створення каталогу. $HOME/.kubeскопіювавши файл admin.conf та налаштувавши дозволи.

Таким чином, у вас буде базовий кластер, готовий до розгортати контейнеризовані мікросервіси, встановіть мережу подів (Flannel, Calico тощо) та почніть працювати з розгортаннями, сервісами та рештою ресурсів Kubernetes.

Найкращі практики та рекомендації щодо використання Docker та Kubernetes

Щоб отримати максимальну користь від цих середовищ, доцільно дотримуватися низки найкращих практик роботи з Docker, починаючи з використовувати офіційні або перевірені зображення, або з Docker Hub, або з перевірених приватних репозиторіїв, щоб зменшити ризики безпеки.

Настійно рекомендується оптимізувати розмір зображення використання легких базових образів, багатоетапних збірок та видалення тимчасові файли або непотрібні артефакти. Менші образи завантажуються швидше та пришвидшують розгортання на Kubernetes.

Ще один ключовий момент — це використання томи для збереження данихЗамість зберігання інформації в контейнерах, втрата або відтворення контейнера не передбачає втрати важливих даних.

Обмеження ресурсів, що виділяються кожному контейнеру (процесор, пам'ять, операції вводу/виводу), допомагає запобігти монополізації хоста одним сервісом і деградувати решту. Крім того, контейнери необхідно контролювати за допомогою таких інструментів, як Docker Stats або більш просунутих рішень, щоб підтримувати контроль у продакшені.

З Kubernetes важливо зрозуміти архітектуру кластера та його компоненти перед запуском у виробництво. Це зменшує багато головних болів.

Це теж гарна ідея автоматизувати якомога більшеВикористовуйте контролери реплікації, автомасштабувальники та завдання для пакетного завантаження; скористайтеся перевагами постійних оновлень та відкатів; а також визначайте декларативні маніфести з версіями в репозиторіях Git.

Безпека завжди має бути головним пріоритетом: Обмежте доступ до API-сервера, керуйте обліковими даними за допомогою секретів, шифруйте дані під час передачі та в стані спокоюРегулярно встановлюйте патчі та визначайте мережеві політики, які обмежують зв'язок між службами відповідно до принципу найменших привілеїв.

Зрештою, важливо мати хороші централізовані системи моніторингу та реєстраціїа також із передвиробничими середовищами, де зміни можна ретельно протестувати перед впровадженням у виробничий кластер, що зменшує ризики та неприємні сюрпризи.

Ця екосистема мікросервісів, контейнерів Docker та оркестрації Kubernetes дозволяє створювати системи, які є набагато гнучкішими, масштабованішими та стійкішими, ніж традиційні моноліти. Поєднуючи продуману архітектуру, відповідні інструменти та найкращі практики DevOps, ви можете розгортати додатки, які безперешкодно адаптуються до змін робочого навантаження, швидко відновлюються після збоїв та легше розвиваються з часом.