Architettura di Kubernetes spiegata: un'immersione nella scalabilità cloud-native

Kubernetes è diventato la tecnologia di riferimento per gestire applicazioni containerizzate negli ambienti cloud moderni. Man mano che le organizzazioni passano ai microservizi e alle architetture cloud-native, Kubernetes offre tutto ciò che serve per automatizzare il deployment, scalare le applicazioni e garantire alta disponibilità. 

Kubernetes è un orchestratore di container open-source che semplifica il complesso processo di gestione dei container su larga scala. Astrae le complessità dell’infrastruttura, permettendo agli sviluppatori di concentrarsi sulla creazione delle applicazioni invece che sui server sottostanti.

Capire l’architettura di Kubernetes è essenziale per chiunque voglia distribuire e gestire applicazioni scalabili, resilienti e pronte per la produzione. 

Oggi voglio condividere una panoramica più approfondita dell’architettura di Kubernetes con chi ha già una conoscenza intermedia dei concetti di base. 

Che cos’è Kubernetes?

Kubernetes è un potente sistema distribuito progettato per orchestrare e gestire applicazioni containerizzate su larga scala. Consente alle organizzazioni di distribuire carichi di lavoro su più macchine fisiche o virtuali, chiamate Node, garantendo che le applicazioni rimangano disponibili, scalabili e resilienti ai guasti.

Uno dei punti di forza principali di Kubernetes è la capacità di gestire in modo efficiente carichi di lavoro dinamici. Distribuendo automaticamente i container tra i nodi, Kubernetes assicura che le applicazioni possano scalare orizzontalmente, bilanciando i carichi in base alle risorse disponibili. Se un nodo è sovraccarico, Kubernetes ripianifica i carichi di lavoro su nodi vicini in salute, riducendo al minimo i tempi di inattività e mantenendo le prestazioni.

Se sei ancora alle prime armi con questa tecnologia, dai un’occhiata a questo corso Introduction to Kubernetes per iniziare.

Una breve storia di Kubernetes

Google ha sviluppato originariamente Kubernetes come successore open-source di Borg, il suo sistema interno di gestione dei container. Rilasciato nel 2014, Kubernetes è diventato rapidamente lo standard di settore per l’orchestrazione dei container, supportato da un vasto ecosistema di strumenti e provider cloud. Oggi è mantenuto dalla Cloud Native Computing Foundation (CNCF) ed è ampiamente adottato in diversi settori per la gestione di applicazioni cloud-native.

Che cos’è l’architettura di Kubernetes?

Il seguente diagramma rappresenta visivamente l’architettura di Kubernetes:

Immagine dell’autore. L’architettura di Kubernetes. 

• I componenti del Control Plane gestiscono il cluster e assicurano il mantenimento dello stato desiderato.
• I nodi Worker eseguono i carichi di lavoro, facendo girare i container all’interno dei Pod.
• L’API Server funge da ponte tra le interazioni dell’utente (tramite UI o CLI) e il cluster.
• Le estensioni di rete e storage ampliano le capacità di Kubernetes per ambienti di produzione.

Con queste basi, possiamo ora esplorare i ruoli dettagliati di ogni componente nell’architettura di un cluster Kubernetes.

Componenti principali dell’architettura di Kubernetes

Kubernetes è composto da due livelli principali: Control Plane e componenti del nodo. Vediamoli uno per uno:

Control Plane

Il Control Plane di Kubernetes è lo strato di gestione centrale responsabile del mantenimento dello stato desiderato del cluster, della pianificazione dei carichi di lavoro e dell’automazione. Garantisce che le applicazioni vengano eseguite come previsto monitorando continuamente le condizioni del cluster e apportando gli aggiustamenti necessari.

Immagine dell’autore. Componenti del Control Plane. 

API Server (kube-apiserver)

L’API Server è il gateway verso il cluster Kubernetes. Elabora tutte le richieste di gestione, sia dalla CLI (kubectl), dai dashboard UI o da strumenti di automazione. Senza un API Server in esecuzione, il cluster rimane funzionante, ma gli amministratori perdono il controllo diretto su deployment e configurazioni.

Controller Manager (kube-controller-manager)

Kubernetes si basa sul pattern dei controller, in cui i controller monitorano lo stato del sistema e intraprendono azioni correttive. Il Controller Manager supervisiona questi controller, garantendo funzioni essenziali come:

• Scalare i carichi di lavoro in base alla domanda.
• Gestire i nodi guasti e ripianificare i carichi di lavoro.
• Applicare gli stati desiderati (ad esempio, assicurarsi che un Deployment esegua sempre il numero specificato di repliche).

Scheduler (kube-scheduler)

Lo Scheduler assegna i Pod ai nodi worker, considerando fattori come:

• Disponibilità di risorse (CPU, memoria).
• Regole di affinità e anti-affinità dei nodi.
• Distribuzione dei Pod per prevenire sovraccarichi.

Segue un processo di filtraggio e punteggio per selezionare il nodo ottimale per ogni nuovo Pod, garantendo un utilizzo bilanciato delle risorse.

etcd (archivio distribuito key-value)

etcd funge da unica fonte di verità di Kubernetes, archiviando tutti i dati del cluster, tra cui:

• Impostazioni di configurazione.
• Secret e credenziali.
• Stati correnti e storici dei carichi di lavoro.

Poiché compromettere etcd garantisce il pieno controllo del cluster, deve essere messo in sicurezza e dotato di risorse hardware adeguate per mantenere prestazioni e affidabilità.

Cloud Controller Manager

Per i deployment di Kubernetes nel cloud, il Cloud Controller Manager integra il cluster con i servizi del provider cloud, occupandosi di:

• Provisioning dei load balancer.
• Assegnazione di volumi di storage persistente.
• Scalare l’infrastruttura in modo dinamico (ad es., aggiungendo macchine virtuali come nodi)

Componenti del nodo

I nodi Worker sono la spina dorsale computazionale di un cluster Kubernetes, responsabili dell’esecuzione dei carichi di lavoro applicativi. Ogni nodo opera in modo indipendente, mantenendo al contempo una comunicazione costante con il control plane per garantire un’orchestrazione fluida.

Kubernetes pianifica dinamicamente i Pod sui nodi worker in base alla disponibilità di risorse e alle esigenze del carico. I nodi possono essere macchine fisiche o virtuali, e un cluster pronto per la produzione è tipicamente composto da più nodi per consentire scalabilità orizzontale e alta disponibilità. Ogni nodo worker include i seguenti componenti essenziali:

Kubelet: l’agente del nodo

Kubelet è il principale agente a livello di nodo che gestisce l’esecuzione dei container. Esso:

• Comunica continuamente con l’API Server per ricevere istruzioni.
• Garantisce che i Pod vengano eseguiti come definito nelle loro specifiche.
• Recupera le immagini dei container e avvia i container richiesti.
• Monitora lo stato di salute dei container e li riavvia se necessario.

Senza Kubelet, il nodo sarebbe scollegato dal cluster e i carichi di lavoro pianificati non verrebbero gestiti correttamente.

Kube-Proxy: rete e bilanciamento del carico

Kube-Proxy è responsabile della gestione della comunicazione di rete tra i servizi in esecuzione su nodi diversi. In particolare:

• Configura le regole di rete per consentire una comunicazione fluida tra i Pod.
• Facilita il service discovery e il bilanciamento del carico per il networking tra Pod.
• Garantisce che il traffico venga instradato correttamente tra i nodi e i client esterni.

Se Kube-Proxy si arresta, i Pod sul nodo interessato potrebbero diventare irraggiungibili, interrompendo il traffico di rete all’interno del cluster.

Container Runtime: esecuzione dei container

Il container runtime è il software che esegue le applicazioni containerizzate all’interno dei Pod. Kubernetes supporta diverse opzioni di runtime, tra cui:

• containerd (il più utilizzato)
• CRI-O (leggero e nativo per Kubernetes)
• Docker Engine (supporto legacy tramite dockershim)

Il runtime interagisce con il sistema operativo per isolare i carichi di lavoro usando tecnologie come cgroups e namespace, assicurando un utilizzo efficiente delle risorse.

Come interagiscono i nodi Worker con il Control Plane

• I nodi si uniscono al cluster utilizzando un token emesso dal control plane.
• Una volta registrato, lo scheduler assegna i carichi di lavoro al nodo in base alle risorse disponibili.
• Il control plane monitora continuamente la salute del nodo e può ripianificare i carichi di lavoro se un nodo diventa non sano o sovraccarico.

Combinando Kubelet, Kube-Proxy e un container runtime, i nodi worker costituiscono uno strato di esecuzione scalabile e resiliente che alimenta le applicazioni Kubernetes.

Estendere Kubernetes con add-on

Kubernetes è progettato per essere altamente estensibile, consentendoti di personalizzarne e potenziarne le funzionalità tramite add-on. Sebbene il control plane e i nodi worker costituiscano l’infrastruttura di base, gli add-on forniscono funzionalità di rete, storage, monitoraggio e automazione che rendono Kubernetes più potente e pronto per la produzione.

Soluzioni di rete

Il networking in Kubernetes segue un approccio basato su plugin e richiede un plugin compatibile con la Container Network Interface (CNI) per abilitare la comunicazione fluida tra i Pod. Alcune soluzioni di rete ampiamente utilizzate includono:

• Calico: policy di rete sicure e routing ad alte prestazioni.
• Cilium: networking e sicurezza basati su eBPF.
• Flannel: overlay networking leggero e facile da configurare.

La maggior parte delle distribuzioni Kubernetes gestite viene fornita preconfigurata con una soluzione di rete, ma i cluster autogestiti richiedono l’installazione manuale di un plugin CNI.

Soluzioni di storage

Kubernetes fornisce il provisioning dinamico dello storage tramite StorageClass, consentendo ai carichi di lavoro di interagire con diversi backend di storage:

• Storage locale: utilizza il filesystem di un nodo.
• Cloud block storage: si integra con i provider cloud (ad es., AWS EBS, Azure Disk, GCP Persistent Disks).
• Storage distribuito: soluzioni come Ceph, Longhorn e Rook abilitano storage persistente e replicato tra i nodi.

Poiché Kubernetes non include un registry di container integrato, devi usare un registry esterno (ad es., Docker Hub, Harbor o Amazon ECR) per archiviare e distribuire le immagini dei container.

Monitoraggio e osservabilità

Un monitoraggio e un logging efficaci sono essenziali per gestire i carichi di lavoro in Kubernetes. Soluzioni popolari includono:

• Prometheus: raccolta di metriche e alerting.
• Grafana: dashboard di visualizzazione.
• ELK Stack (Elasticsearch, Logstash, Kibana): aggregazione e analisi dei log.

Questi strumenti aiutano a monitorare la salute del cluster, diagnosticare problemi e ottimizzare le prestazioni.

Ingress controller

Gli Ingress controller gestiscono l’accesso esterno alle applicazioni all’interno del cluster, occupandosi del traffico HTTP/HTTPS e del bilanciamento del carico. Opzioni popolari includono:

• NGINX Ingress Controller – ampiamente usato per la gestione del traffico web.
• Traefik – routing dinamico con supporto integrato a Let’s Encrypt.
• HAProxy Ingress – bilanciamento del carico ad alte prestazioni.

Funzionalità personalizzate con CRD

Kubernetes consente di estendere la sua API tramite le Custom Resource Definition (CRD), permettendo la creazione di oggetti personalizzati e flussi di automazione.

Operator e controller possono automatizzare attività complesse, come:

• Eseguire il provisioning di database quando viene aggiunto un oggetto personalizzato PostgresDatabaseConnection.
• Gestire dinamicamente le policy di sicurezza.
• Scalare le applicazioni in base a metriche personalizzate.

Sfruttando le CRD, Kubernetes può trasformarsi in una piattaforma completamente personalizzabile, adattandosi a esigenze di business specifiche.

Architettura del cluster Kubernetes

Kubernetes introduce diversi livelli di astrazione per aiutare a definire e gestire le applicazioni in modo efficiente. Queste astrazioni semplificano il deployment, la scalabilità e la gestione in ambienti distribuiti.

Nodi master e worker

Un cluster Kubernetes è composto da due tipi principali di nodi:

• Nodi master (Control Plane): responsabili dell’orchestrazione e della gestione del cluster. Questi nodi eseguono API Server, Scheduler, Controller Manager ed etcd per garantire che i carichi di lavoro vengano distribuiti e mantenuti come previsto.
• Nodi worker (Data Plane): eseguono i carichi di lavoro applicativi facendo girare i pod, che contengono i container. Ogni nodo worker è gestito da Kubelet, interagisce con Kube-Proxy per il networking ed esegue un container runtime come Docker o containerd.

Insieme, nodi master e worker formano un’infrastruttura auto-riparante e scalabile in cui le applicazioni possono funzionare senza intoppi. Se vuoi approfondire containerizzazione e virtualizzazione, segui questo percorso guidato da esperti Containerization and Virtualization.

Architettura dei Pod

Al cuore di Kubernetes c’è il Pod, l’unità più piccola distribuibile nel sistema. Un Pod racchiude uno o più container che condividono storage, rete e impostazioni di configurazione.

• Pod a singolo container: la configurazione più comune, in cui ogni Pod contiene un container che esegue un microservizio.
• Pod multi-container: usati quando container strettamente accoppiati devono condividere risorse e comunicare in modo efficiente.

I Pod sono effimeri, il che significa che possono essere ripianificati o riavviati secondo necessità. Kubernetes gestisce i Pod tramite Deployment, StatefulSet e DaemonSet, garantendo scalabilità e disponibilità.

Immagine dell’autore. Architettura del Pod. 

Namespace e segmentazione

I namespace consentono una segmentazione logica all’interno di un cluster Kubernetes. Aiutano a:

• Isolare i carichi di lavoro per team, progetti o ambienti diversi (ad es., dev, staging, production).
• Applicare il controllo degli accessi basato sui ruoli (RBAC) per limitare i permessi.
• Gestire quote di risorse per prevenire consumi eccessivi.

Organizzando i carichi di lavoro in namespace, Kubernetes abilita maggiore sicurezza, gestione delle risorse e scalabilità all’interno di un singolo cluster.

Con queste basi, possiamo ora esplorare come l’architettura di Kubernetes supporti i deployment a microservizi nella prossima sezione. 

Architettura a microservizi con Kubernetes

Kubernetes è ideale per i microservizi, offrendo scalabilità, resilienza e automazione per applicazioni distribuite. Consente:

• Scalabilità automatizzata: adegua le risorse in base alla domanda.
• Auto-riparazione: rileva e sostituisce i container guasti.
• Service discovery e bilanciamento del carico: comunicazione efficiente tra microservizi.
• Portabilità: esegue ovunque, tra cloud e on-premise.
• Configurazione dichiarativa: utilizza YAML per deployment prevedibili.

Un dubbio comune tra i professionisti è se usare Kubernetes o Docker Compose per i microservizi. Se è il tuo caso, ti consiglio la seguente guida Docker Compose vs Kubernetes per approfondire. 

Best practice

Di seguito evidenziamo alcune best practice da seguire:

• Namespace per isolare i carichi di lavoro: organizza e isola i carichi per una migliore sicurezza e gestione delle risorse.
• Servizi Kubernetes e Ingress per la gestione del traffico: abilita una comunicazione efficiente tra microservizi e client esterni.
• Autoscaling e Rolling Update per prestazioni senza interruzioni: usa Horizontal Pod Autoscaler e deployment a rotazione per mantenere la disponibilità.
• ConfigMap e Secret per configurazioni sicure: gestisci in modo sicuro dati sensibili e configurazioni d’ambiente.
• Monitoraggio e logging con Prometheus e Grafana: ottieni insight e risolvi i problemi in modo efficace con strumenti di osservabilità solidi.

Seguendo queste pratiche, Kubernetes semplifica il deployment dei microservizi, garantendo flessibilità e alta disponibilità.

Casi d’uso dell’architettura Kubernetes

Kubernetes è ampiamente adottato nei vari settori per la capacità di scalare le applicazioni, garantire alta disponibilità e supportare ambienti multi-cloud. La sua architettura abilita una gestione fluida dei carichi di lavoro, rendendolo la scelta preferita per le moderne applicazioni cloud-native.

Scalabilità delle applicazioni 

Kubernetes abilita la scalabilità orizzontale, permettendo alle applicazioni di gestire carichi variabili in modo efficiente:

• L’Horizontal Pod Autoscaler (HPA) regola il numero di Pod in base a CPU, memoria o metriche personalizzate.
• Il Cluster Autoscaler aggiunge o rimuove dinamicamente nodi worker in base alla domanda.
• Il bilanciamento del carico assicura che il traffico sia distribuito uniformemente tra le repliche.

Ciò rende Kubernetes ideale per applicazioni con traffico altalenante, come piattaforme e-commerce, servizi di streaming e applicazioni SaaS.

Alta disponibilità e tolleranza ai guasti 

Kubernetes garantisce la continuità operativa grazie a:

• Replica dei carichi di lavoro su più nodi per prevenire interruzioni del servizio.
• Meccanismi di auto-riparazione che riavviano automaticamente i container guasti.
• Elezione del leader nel control plane per mantenere la stabilità in caso di guasti.

Queste caratteristiche rendono Kubernetes adatto ad applicazioni mission-critical che richiedono downtime quasi nullo.

Deployment ibridi e multi-cloud

Kubernetes astrae la complessità dell’infrastruttura, facilitando il deployment dei carichi di lavoro tra ambienti on-premise, ibridi e multi-cloud:

• Gestione coerente delle applicazioni su AWS, Google Cloud, Azure e cluster on-premise.
• Instradamento del traffico tra provider cloud per latenza e costi ottimali.
• Strategie di disaster recovery con configurazioni di failover cross-cloud.

Conclusione

Kubernetes ha rivoluzionato l’orchestrazione dei container, diventando lo standard di settore per distribuire, gestire e scalare applicazioni negli ambienti cloud moderni. La sua architettura abilita scalabilità automatizzata, alta disponibilità e compatibilità cross-cloud, rendendolo uno strumento potente per le organizzazioni che adottano strategie a microservizi e cloud-native.

Comprendendo l’architettura di Kubernetes, sviluppatori e team IT possono:

• Ottimizzare le prestazioni delle applicazioni tramite pianificazione e scalabilità efficienti.
• Aumentare la resilienza del sistema grazie ad auto-riparazione e alta disponibilità.
• Garantire deployment multi-cloud e ibridi senza attriti, evitando il vendor lock-in.

Dal controllo del control plane all’esecuzione sui nodi worker e agli add-on personalizzabili, Kubernetes offre la flessibilità necessaria per eseguire applicazioni su larga scala mission-critical. Con l’evoluzione dell’ecosistema cloud, Kubernetes rimane in prima linea, permettendo alle aziende di innovare con sicurezza.

Kubernetes è uno strumento potente per gestire le applicazioni moderne, ma per padroneggiarlo serve pratica. Continua ad apprendere con:

• Introduction to Kubernetes per imparare le basi di Kubernetes e distribuire e orchestrare container usando Manifest e istruzioni kubectl.
• Docker Compose vs Kubernetes per scegliere lo strumento giusto per le tue esigenze.
• Containerization for Machine Learning per applicare Kubernetes ai flussi di lavoro di AI/ML.