Microservices

Kubernetes là gì? Tổng quan về hệ thống điều phối container mạnh mẽ nhất hiện nay

Thương Phạm

08/03/2025

5 Min Read

12 Views

0 Comments

1. Giới thiệu về Kubernetes

Kubernetes là gì?

Kubernetes (K8s) là một nền tảng mã nguồn mở giúp tự động hóa việc triển khai, mở rộng và quản lý các ứng dụng container. Nó giúp đơn giản hóa quy trình điều phối container, cho phép các doanh nghiệp triển khai ứng dụng trên nhiều môi trường khác nhau mà không cần lo lắng về hạ tầng bên dưới. Kubernetes được thiết kế để hỗ trợ các ứng dụng có kiến trúc microservices, giúp chúng có thể chạy độc lập và giao tiếp hiệu quả với nhau.

Lịch sử phát triển

Kubernetes được phát triển bởi Google dựa trên hệ thống điều phối container nội bộ có tên Borg. Sau nhiều năm sử dụng Borg để vận hành các dịch vụ quy mô lớn như Gmail và YouTube, Google quyết định mở nguồn một phiên bản tương tự với tên Kubernetes vào năm 2015. Dự án nhanh chóng trở thành tiêu chuẩn công nghiệp và được Cloud Native Computing Foundation (CNCF) tiếp quản để thúc đẩy sự phát triển của hệ sinh thái cloud-native.

Tại sao Kubernetes lại quan trọng?

• Tự động điều phối container, giúp triển khai ứng dụng nhanh chóng.
• Khả năng mở rộng linh hoạt, hỗ trợ auto-scaling theo nhu cầu thực tế.
• Tối ưu tài nguyên, giảm chi phí vận hành.
• Hỗ trợ hybrid cloud và multi-cloud, giúp ứng dụng hoạt động trên nhiều nền tảng khác nhau.
• Khả năng tự phục hồi (self-healing), giúp hệ thống luôn duy trì trạng thái ổn định.

2. Kiến trúc Kubernetes

graph TD;
    subgraph Control Plane
        APIServer[API Server]
        Scheduler[Scheduler]
        ControllerManager[Controller Manager]
        Etcd[etcd - Cluster Store]
    end

    subgraph Worker Node 1
        Kubelet1[Kubelet]
        KubeProxy1[Kube Proxy]
        Runtime1[Container Runtime]
        Pod1[Pod]
        Pod2[Pod]
    end

    subgraph Worker Node 2
        Kubelet2[Kubelet]
        KubeProxy2[Kube Proxy]
        Runtime2[Container Runtime]
        Pod3[Pod]
        Pod4[Pod]
    end

    APIServer -->|Schedules Workloads| Scheduler
    APIServer -->|Manages Cluster State| ControllerManager
    APIServer -->|Stores Data| Etcd
    APIServer -->|Sends Instructions| Kubelet1
    APIServer -->|Sends Instructions| Kubelet2
    Kubelet1 -->|Manages| Pod1
    Kubelet1 -->|Manages| Pod2
    Kubelet2 -->|Manages| Pod3
    Kubelet2 -->|Manages| Pod4
    KubeProxy1 -->|Handles Networking| Runtime1
    KubeProxy2 -->|Handles Networking| Runtime2

Sơ đồ trên minh họa kiến trúc tổng thể của Kubernetes, bao gồm Control Plane chịu trách nhiệm điều phối hệ thống và Worker Nodes nơi các container chạy thực tế. Mỗi Worker Node có một Kubelet để quản lý Pod, Kube Proxy để xử lý networking và một Container Runtime để chạy các container.

Control Plane (Mặt phẳng điều khiển)

• API Server: Thành phần trung tâm giao tiếp với client và quản lý tài nguyên Kubernetes.
• Scheduler: Xác định Pod sẽ chạy trên Node nào dựa trên tài nguyên và chính sách ưu tiên.
• Controller Manager: Chạy các controller để duy trì trạng thái mong muốn của cluster (ReplicaSet, Node, Endpoint, v.v.).
• Etcd: Cơ sở dữ liệu lưu trữ toàn bộ trạng thái của cluster, đảm bảo tính toàn vẹn và tính nhất quán của hệ thống.

Worker Nodes (Các nút chạy ứng dụng)

• Kubelet: Quản lý vòng đời của các Pod trên mỗi Node, chịu trách nhiệm đảm bảo container chạy đúng theo định nghĩa.
• Container Runtime: Môi trường chạy container, phổ biến nhất là containerd, Docker, CRI-O.
• Kube Proxy: Quản lý networking trong Kubernetes, giúp các Pod giao tiếp với nhau và với dịch vụ bên ngoài.

3. Các khái niệm quan trọng trong Kubernetes

• Pod: Đơn vị triển khai nhỏ nhất chứa một hoặc nhiều container có cùng vòng đời.
• Deployment: Quản lý việc triển khai và cập nhật ứng dụng, đảm bảo số lượng bản sao luôn đúng.
• Service: Expose ứng dụng để các Pod hoặc bên ngoài có thể truy cập thông qua ClusterIP, NodePort hoặc LoadBalancer.
• ConfigMap & Secret: Quản lý cấu hình và thông tin nhạy cảm một cách an toàn.
• Namespace: Chia cluster thành nhiều không gian làm việc độc lập, giúp tổ chức và phân quyền tài nguyên hiệu quả hơn.
• StatefulSet: Quản lý các ứng dụng có trạng thái, chẳng hạn như database (MySQL, PostgreSQL) trong Kubernetes.

4. Kubernetes hoạt động như thế nào?

Triển khai một ứng dụng trên Kubernetes

1. Viết file YAML định nghĩa Pod, Deployment, Service.
2. Apply với kubectl apply -f deployment.yaml.
3. Kubernetes sẽ lên lịch, tạo container, và duy trì trạng thái mong muốn.
4. Khi có lỗi hoặc Pod bị hỏng, Kubernetes sẽ tự động khởi động lại container.

Kubernetes tự động mở rộng hệ thống như thế nào?

• Horizontal Pod Autoscaler (HPA): Tăng/giảm số lượng Pod dựa vào CPU, RAM hoặc custom metrics.
• Cluster Autoscaler: Mở rộng hoặc thu nhỏ số lượng Node dựa vào nhu cầu tài nguyên của cluster.
• Vertical Pod Autoscaler (VPA): Tự động điều chỉnh CPU và RAM của Pod để tối ưu tài nguyên.

5. Lợi ích của Kubernetes

• Triển khai nhanh chóng, tự động hóa toàn diện, giảm thiểu công việc thủ công.
• Tính linh hoạt cao, hỗ trợ nhiều nền tảng (On-premise, Cloud, Hybrid Cloud).
• Tối ưu tài nguyên, tiết kiệm chi phí hạ tầng nhờ vào auto-scaling.
• Tích hợp mạnh mẽ với các công cụ DevOps như CI/CD, monitoring, logging.
• Khả năng phục hồi cao, giúp hệ thống duy trì hoạt động liên tục ngay cả khi có sự cố.

6. Nhược điểm và thách thức khi dùng Kubernetes

• Độ phức tạp cao, yêu cầu kiến thức chuyên sâu về container và networking.
• Tốn tài nguyên, đặc biệt khi chạy trên các cluster nhỏ hoặc môi trường thử nghiệm.
• Quản lý bảo mật, cần cấu hình đúng RBAC, TLS, Secrets để bảo vệ dữ liệu.
• Khó debug, yêu cầu các công cụ hỗ trợ như kubectl logs, Prometheus, Grafana để giám sát và xử lý lỗi.
• Cần nhiều công cụ bổ trợ, như Helm để quản lý ứng dụng, Istio để quản lý giao tiếp giữa microservices.

7. Khi nào nên sử dụng Kubernetes?

• Khi cần triển khai nhiều container một cách linh hoạt.
• Khi ứng dụng yêu cầu khả năng mở rộng tự động (scaling theo tài nguyên).
• Khi muốn chạy kiến trúc microservices trên môi trường cloud-native.
• Khi cần tối ưu hóa sử dụng tài nguyên máy chủ và quản lý nhiều workload khác nhau trên cùng một hạ tầng.
• Khi cần môi trường CI/CD tự động, hỗ trợ cập nhật phần mềm mà không gây gián đoạn.

8. Kết luận

Kubernetes đã trở thành tiêu chuẩn công nghiệp trong việc quản lý container, mang lại khả năng mở rộng, linh hoạt và tự động hóa vượt trội. Tuy nhiên, nó cũng đi kèm với sự phức tạp trong cấu hình và vận hành.

Việc sử dụng Kubernetes đòi hỏi sự hiểu biết sâu về hệ thống, nhưng nếu được triển khai đúng cách, nó sẽ giúp doanh nghiệp tối ưu hóa tài nguyên, giảm chi phí vận hành và nâng cao hiệu suất của ứng dụng. Một ví dụ điển hình là Netflix – công ty đã sử dụng Kubernetes để quản lý hàng ngàn microservices và tự động mở rộng hệ thống dựa trên nhu cầu của người dùng. Nhờ Kubernetes, Netflix có thể triển khai và cập nhật ứng dụng một cách nhanh chóng, đảm bảo tính sẵn sàng cao và mang lại trải nghiệm mượt mà cho hàng triệu khách hàng trên toàn thế giới.

Kubernetes là một lựa chọn lý tưởng cho các hệ thống hiện đại, đặc biệt trong môi trường microservices, nơi mà khả năng mở rộng và quản lý container là yêu cầu quan trọng. Nếu bạn đang tìm kiếm một nền tảng mạnh mẽ để điều phối container, Kubernetes chắc chắn là một giải pháp đáng cân nhắc.