Hướng dẫn Kubernetes: Cẩm nang cho người mới bắt đầu triển khai ứng dụng

Kiến thức cơ bản về Kubernetes: Pod, Deployment, Service và Namespace

Giờ khi đã thiết lập cụm và kiểm tra mọi thứ hoạt động, đã đến lúc tạo ứng dụng đầu tiên của chúng ta.

Nhưng trước khi tạo ứng dụng đầu tiên, điều quan trọng là hiểu những kiến thức cơ bản của Kubernetes. Nếu bạn muốn phần giới thiệu sâu hơn về Kubernetes, Tôi khuyến nghị bạn xem khóa học Introduction to Kubernetes.

Những khái niệm cơ bản nhất trong Kubernetes là Pod, Deployment và Service. Hiểu ba loại tài nguyên này có thể giúp bạn tạo ra các ứng dụng mạnh mẽ. Vậy nên, hãy đi sâu vào chúng.

Pod là gì?

Pod là đơn vị có thể triển khai nhỏ nhất trong Kubernetes. Nó chạy một hoặc nhiều container liên kết chặt chẽ, chia sẻ cùng lưu trữ, mạng và namespace. Pod luôn được lập lịch trên một nút Kubernetes. 

Bạn có thể định nghĩa lượng tài nguyên Pod của mình sẽ nhận được (ví dụ: CPU và bộ nhớ). 

Một ví dụ ứng dụng với hai container có thể là container ứng dụng của bạn và một container hỗ trợ gom nhật ký và gửi đi nơi khác. 

Tính năng của Pod:

• Đơn thể: Mỗi Pod chạy một phiên bản ứng dụng của bạn.
• Tính chất tạm thời: Pod được thiết kế để tạm thời và sẽ được thay thế nếu gặp lỗi hoặc khi cập nhật.

Ví dụ YAML tạo một Pod:

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: my-pod
spec:
  containers:
  - name: nginx-container
    image: nginx:1.21
    ports:
    - containerPort: 80

Sau đó bạn có thể cài Pod bằng kubectl:

kubectl apply -f pod.yaml

Lệnh này sẽ khởi chạy một Pod tên my-pod, chạy webserver nginx cho bạn.

Deployment là gì?

Deployment là đối tượng Kubernetes cấp cao hơn dùng để quản lý vòng đời của Pod. Nó đảm bảo số lượng bản sao Pod mong muốn luôn chạy và xử lý cập nhật cũng như rollback. 

Tính năng của Deployment:

• Quản lý bản sao: Đảm bảo số lượng pod mong muốn luôn chạy.
• Tự phục hồi: Tự động thay thế các Pod không khỏe mạnh.
• Rolling update: Cập nhật phiên bản ứng dụng theo từng bước mà không gây downtime (nếu được cấu hình).

Hãy xem một tệp YAML Deployment tạo webserver nginx, lần này với ba bản sao:

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: nginx-deployment
spec:
  replicas: 3
  selector:
    matchLabels:
      app: nginx
  template:
    metadata:
      labels:
        app: nginx
    spec:
      containers:
      - name: nginx
        image: nginx:1.21
        ports:
        - containerPort: 80

Bạn có thể cài Deployment này bằng kubectl:

kubectl apply -f deployment.yaml

Lệnh trên sẽ tạo một Deployment tên nginx-deployment sinh ra ba Pod, mỗi Pod chạy container nginx. 

Service là gì?

Giờ đến phần cuối: Service. 

Service là một lớp trừu tượng cung cấp kết nối mạng ổn định tới các Pod, ngay cả khi địa chỉ IP của chúng thay đổi. Nó đóng vai trò cầu nối giữa ứng dụng của bạn và các client bên ngoài. 

Nhưng tại sao cần điều đó? Mỗi Pod có một địa chỉ IP. Vậy sao không dùng trực tiếp IP đó? 

Ta có thể! Nhưng không nên. Tại sao? 

Vì Pod có tính tạm thời, nó có thể bị Deployment dừng và một Pod mới được tạo khi Pod của bạn không khỏe. Pod mới sẽ có IP khác. Điều này có nghĩa là client muốn dùng ứng dụng của bạn sẽ phải liên tục thay đổi IP mỗi khi một Pod sập, điều có thể xảy ra thường xuyên.

Đây là lúc Service phát huy tác dụng: nó tìm tất cả các Pod khớp với một nhãn cụ thể và tự động định tuyến lưu lượng tới chúng. Nếu một Pod không khỏe, Service sẽ ngừng gửi lưu lượng đến Pod đó. Và nếu một Pod mới xuất hiện, nó sẽ bắt đầu gửi lưu lượng tới Pod mới. 

Service cũng phân phối lưu lượng giữa tất cả các bản sao của Deployment, điều này rất tuyệt vì bạn có thể tạo thêm nhiều phiên bản ứng dụng để phân tán lưu lượng mà không cần xử lý trong logic ứng dụng.

Các loại Service:

• ClusterIP (mặc định): Phơi bày Service trong phạm vi cụm.
• NodePort: Phơi bày Service trên một cổng có thể truy cập từ bên ngoài cụm.
• LoadBalancer: Tích hợp với nhà cung cấp đám mây để phơi bày Service qua một bộ cân bằng tải.

Ví dụ YAML để phơi bày web server nginx ra bên ngoài cụm:

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: nginx-service
spec:
  selector:
    app: nginx
  ports:
  - protocol: TCP
    port: 80
    targetPort: 80
  type: NodePort

Bạn có thể tạo service này bằng kubectl:

kubectl apply -f service.yaml

Service này sẽ phân phối lưu lượng vào tới tất cả các Pod có nhãn app=nginx trên cổng 80. 

Nếu bạn chạy lệnh describe trên Service vừa tạo, bạn sẽ thấy có ba endpoint, mỗi endpoint đại diện địa chỉ IP của Pod đang chạy:

kubectl describe service nginx-service

Lệnh trên sẽ trả về kết quả tương tự: 

Name:                     nginx-service
Namespace:                default
Labels:                   <none>
Annotations:              <none>
Selector:                 app=nginx
Type:                     NodePort
IP Family Policy:         SingleStack
IP Families:              IPv4
IP:                       10.104.53.131
IPs:                      10.104.53.131
Port:                     <unset>  80/TCP
TargetPort:               80/TCP
NodePort:                 <unset>  32256/TCP
Endpoints:                10.244.0.5:80,10.244.0.6:80,10.244.0.7:80
Session Affinity:         None
External Traffic Policy:  Cluster
Events:                   <none>

Mối quan hệ giữa Pod, Deployment và Service

Tóm tắt nhanh:

• Pod: Đại diện cho các phiên bản ứng dụng riêng lẻ.
• Deployment: Quản lý vòng đời Pod và đảm bảo chúng khỏe mạnh.
• Service: Cung cấp truy cập ổn định tới Pod và cho phép giao tiếp nội bộ hoặc bên ngoài.

Namespace là gì?

Namespace trong Kubernetes cho phép bạn tổ chức và cô lập tài nguyên trong một cụm. Bạn có thể coi chúng như các cụm ảo trong cùng một cụm vật lý. 

Lợi ích khi dùng Namespace:

• Phân tách mối quan tâm: Các đội hoặc ứng dụng khác nhau có thể hoạt động trong namespace riêng mà không ảnh hưởng lẫn nhau. 
• Quản lý tài nguyên: Bạn có thể đặt quota và giới hạn tài nguyên cho từng namespace.
• Bảo mật và kiểm soát truy cập: Có thể áp chính sách ở cấp độ namespace.

Mặc định, Kubernetes có một vài namespace dựng sẵn:

• default: Namespace mặc định nơi tài nguyên được tạo nếu không chỉ định khác
• kube-system: Dùng cho các thành phần nội bộ của Kubernetes (ví dụ: API server, scheduler, v.v.).
• kube-public: Một namespace có thể đọc công khai.
• kube-node-lease: Dùng để theo dõi heartbeat của nút.

Bạn có thể tạo một namespace bằng tệp YAML: 

apiVersion: v1
kind: Namespace
metadata:
  name: my-namespace

Lưu vào tệp tên namespace.yaml và áp dụng bằng: 

kubectl apply -f namespace.yaml

Khi chạy lệnh dưới đây, bạn sẽ thấy danh sách tất cả namespace mặc định kể trên và namespace mới tạo: 

kubectl get namespaces

Bạn có thể tạo tài nguyên trong namespace đó bằng cách đặt namespace trong phần metadata của tài nguyên. 

Deployment nginx của chúng ta sẽ như sau nếu muốn tạo trong namespace mới tạo:

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: nginx-deployment
  namespace: my-namespace
spec:
  replicas: 3
  selector:
    matchLabels:
      app: nginx
  template:
    metadata:
      labels:
        app: nginx
    spec:
      containers:
      - name: nginx
        image: nginx:1.21
        ports:
        - containerPort: 80

Giờ bạn cần chỉ rõ rằng bạn muốn truy xuất tài nguyên từ namespace mới tạo bằng tham số -n như sau: 

kubectl get deployment -n my-namespace

Quản lý ứng dụng đầu tiên của bạn với Kubernetes

Được rồi, giờ bạn đã quen với các khái niệm cơ bản của Kubernetes, hãy triển khai ứng dụng web đầu tiên lên Kubernetes và thử truy cập nó. 

Trong chương này, chúng ta sẽ tạo một web server nginx, phơi bày web server đó ra thế giới bên ngoài qua một Service, mở rộng ứng dụng để mô phỏng hành vi lưu lượng cao, và cập nhật ứng dụng bằng rolling update lên phiên bản mới hơn.

Vậy hãy bắt đầu phần thú vị thôi!

Tạo một deployment ứng dụng web đơn giản

Bước đầu tiên là tạo một Deployment cho webserver của chúng ta, tạo container sử dụng image Nginx.

Sao chép đoạn mã dưới đây và lưu vào tệp nginx-deployment.yaml.

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: nginx-deployment
spec:
  replicas: 1
  selector:
    matchLabels:
      app: nginx
  template:
    metadata:
      labels:
        app: nginx
    spec:
      containers:
      - name: nginx
        image: nginx:latest
        ports:
        - containerPort: 80

Sau đó, áp dụng Deployment này lên cụm bằng lệnh sau:

kubectl apply -f nginx-deployment.yaml

Bạn có thể xác minh rằng Pod đang chạy: 

kubectl get pods

Phơi bày ứng dụng bằng service

Chúng ta cần phơi bày web server nginx ra bên ngoài qua một Service. Ở đây, ta tạo Service kiểu NodePort, vì chúng ta muốn truy cập webserver nginx từ máy cục bộ bên ngoài cụm Kubernetes.

Vậy hãy tạo tệp nginx-service.yaml và thêm nội dung sau:

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: nginx-service
spec:
  selector:
    app: nginx
  ports:
  - protocol: TCP
    port: 80
    targetPort: 80
  type: NodePort

Bạn có thể áp dụng Service bằng lệnh dưới đây:

kubectl apply -f nginx-service.yaml

Cuối cùng, bạn có thể dùng minikube để lấy URL tới web server nginx của mình:

minikube service nginx-service --url

Mở URL đó trong trình duyệt, bạn sẽ thấy trang chào mừng của web server nginx.

Ảnh chụp màn hình trang chào mừng của web server nginx trong trình duyệt cục bộ.

Mở rộng ứng dụng

Hiện tại chúng ta có một Pod đang chạy. Nhưng có thể sẽ có lượng lớn người dùng truy cập trang. Đó là lý do trong Kubernetes, bạn có thể nhanh chóng mở rộng ứng dụng để có nhiều Pod chạy hơn. 

Service sẽ tự động phát hiện tất cả Pod thuộc Deployment đó và cân bằng tải các yêu cầu đến tất cả Pod đang chạy web server nginx. Điều này giúp cải thiện hiệu năng tổng thể của trang khi có nhiều lưu lượng đổ vào.

Vậy hãy mở rộng ứng dụng lên 3 bản sao bằng lệnh dưới đây:

kubectl scale deployment nginx-deployment --replicas=3

Giờ bạn có thể liệt kê các Pod đang chạy, số lượng sẽ là ba:

kubectl get pods

Bạn cũng có thể dùng lệnh dưới đây để xem tất cả endpoint mà nginx-service đang kết nối. Kết quả sẽ là ba endpoint, mỗi endpoint là một địa chỉ IP nội bộ trong cụm:

kubectl get endpoints nginx-service

Rolling update

Giờ đây, chúng ta có thêm một lợi ích lớn khi dùng Kubernetes: Rolling update.

Rolling update nhằm mục tiêu tránh mọi downtime của ứng dụng web. Hãy tưởng tượng thiệt hại tài chính với những công ty như Amazon nếu trang của họ bị sập mỗi khi phát hành phiên bản mới.

Với rolling update, Kubernetes sẽ tăng một Pod mới, kiểm tra xem Pod đó có khỏe không, rồi giảm Pod cũ xuống. 

Mặc định, Kubernetes đảm bảo ít nhất 75% số Pod mong muốn luôn chạy, với 25% là tối đa số Pod không khả dụng. Điều này có nghĩa trong trường hợp của chúng ta, nơi có ba bản sao đang chạy, Kubernetes sẽ chỉ thêm một Pod mới mỗi lần, kiểm tra Pod đó có khỏe không, và nếu ổn thì giảm một Pod cũ. Quá trình lặp lại cho tới khi tất cả Pod được cập nhật lên phiên bản mới.

Hãy làm điều đó bằng cách đổi phiên bản image nginx từ latest sang 1.23:

kubectl set image deployment/nginx-deployment nginx=nginx:1.23

Bạn có thể theo dõi trạng thái rollout bằng: 

kubectl rollout status deployment/nginx-deployment

Kết quả sẽ trông tương tự: 

Waiting for deployment "nginx-deployment" rollout to finish: 1 out of 3 new replicas have been updated...
Waiting for deployment "nginx-deployment" rollout to finish: 1 out of 3 new replicas have been updated...
Waiting for deployment "nginx-deployment" rollout to finish: 1 out of 3 new replicas have been updated...
Waiting for deployment "nginx-deployment" rollout to finish: 2 out of 3 new replicas have been updated...
Waiting for deployment "nginx-deployment" rollout to finish: 2 out of 3 new replicas have been updated...
Waiting for deployment "nginx-deployment" rollout to finish: 2 out of 3 new replicas have been updated...
Waiting for deployment "nginx-deployment" rollout to finish: 1 old replicas are pending termination...
Waiting for deployment "nginx-deployment" rollout to finish: 1 old replicas are pending termination...
deployment "nginx-deployment" successfully rolled out

Và trong suốt quá trình rollout, trang web của bạn vẫn luôn truy cập được, không hề downtime!

Tuyệt vời phải không?

Quản lý tài nguyên Kubernetes

Kubernetes cung cấp các công cụ mạnh mẽ để kiểm tra, chỉnh sửa và xóa tài nguyên ở mọi loại. Hiểu cách quản lý tài nguyên hiệu quả giúp bạn khắc phục sự cố tốt hơn, phân bổ tài nguyên hợp lý và duy trì cụm tổng thể. 

Trong phần này, chúng ta sẽ tìm hiểu các lệnh quan trọng khác giúp bạn quản lý tài nguyên hiệu quả và xử lý sự cố khi cần.

Xem tài nguyên trong cụm

Trước khi thay đổi bất kỳ tài nguyên nào, việc xem và kiểm tra các tài nguyên đang chạy trong cụm là rất quan trọng.

Ví dụ, bạn có thể liệt kê tất cả Pod, Service và Deployment đang chạy để xem tình hình trong cụm: 

# list running Pods
kubectl get pods

# list running Services 
kubectl get services

# list running Deployments
kubectl get deployments

Nếu muốn đi sâu vào một tài nguyên cụ thể, bạn có thể dùng lệnh describe như sau:

kubectl describe deployment nginx-deployment

Lệnh này sẽ hiển thị nhiều thông tin hơn, bao gồm rolling update, mở rộng hay các sự kiện kéo image. Đây là điểm đầu tiên bạn nên kiểm tra nếu có sự cố.

Bạn cũng có thể xem log của một Pod đang chạy để biết chuyện gì đang diễn ra bên trong Pod bằng lệnh dưới đây:

kubectl logs <pod-name>

Xóa tài nguyên

Việc dọn dẹp tài nguyên khi không còn sử dụng cũng quan trọng để giải phóng tài nguyên cụm cho các ứng dụng mới. 

Bạn có thể xóa một Pod bằng:

kubectl delete pod <pod-name>

Chúng ta có thể thử với một trong các pod nginx. Tuy nhiên, một Pod mới sẽ lập tức được tạo thêm vì chúng được quản lý qua Deployment, vốn luôn cố gắng duy trì ba bản sao chạy sẵn. 

Vì vậy, ở đây chúng ta cần xóa nginx-deployment: 

kubectl delete deployment nginx-deployment

Sau khi chạy lệnh này, tất cả Pod nginx đang chạy sẽ bị xóa. 

Chúng ta cũng có thể xóa tất cả tài nguyên trong một Namespace. Lệnh sau sẽ xóa tất cả tài nguyên của chúng ta, mặc định được tạo trong Namespace default:

kubectl delete all --all

Kết luận

Chúc mừng! Bạn đã đi đến cuối và thành công với những bước đầu tiên trong Kubernetes. 

Bằng cách làm theo hướng dẫn này, bạn đã học cách:

• Thiết lập cụm Kubernetes cục bộ bằng minikube.
• Làm việc với Pod, Deployment, Service và Namespace (những khối xây dựng thiết yếu của Kubernetes).
• Triển khai và quản lý một ứng dụng web đơn giản trong Kubernetes.
• Mở rộng ứng dụng động và thực hiện rolling update mà không có downtime.
• Quản lý tài nguyên Kubernetes bằng cách liệt kê, mô tả và xóa chúng.

Ban đầu Kubernetes có thể trông phức tạp (ít nhất là với tôi). Nhưng khi tách thành các khái niệm nền tảng, nó trở nên dễ tiếp cận hơn. 

Tiếp tục thử nghiệm và triển khai nhiều ứng dụng hơn. 

Cách tốt nhất để học Kubernetes là bắt tay làm, hãy bắt đầu xây dựng!

Để nâng cao kỹ năng Kubernetes, hãy cân nhắc khám phá thêm:

• Làm việc với ConfigMap và Secret: Lưu trữ và quản lý cài đặt cấu hình một cách an toàn.
• Persistent volume: Học cách lưu trữ dữ liệu tồn tại qua việc khởi động lại Pod bằng persistent volume.
• Mạng và ingress controller: Thiết lập định tuyến dựa trên tên miền và quản lý lưu lượng bên ngoài.
• Helm: Dùng Helm chart để đóng gói và triển khai ứng dụng phức tạp một cách hiệu quả.
• Kubernetes trên đám mây: Thử nghiệm với các dịch vụ Kubernetes được quản lý như AWS EKS, Azure AKS hoặc Google GKE.

Cuối cùng, lộ trình Containerization and Virtualization with Docker and Kubernetes trên DataCamp là nguồn tài nguyên tuyệt vời để thực hành cả Docker và Kubernetes.