Kubernetes: o que é, importância e vantagens de usar

Para quem está imerso no mundo do desenvolvimento de aplicações e softwares, a palavra “Kubernetes“, embora estranha, não é novidade. Trata-se de um sistema de gerenciamento de contêineres, soluções que virtualizam SOs em uma arquitetura de microsserviços.

Para fazer o uso de contêineres sem que eles se multipliquem em alta velocidade, uma solução é o emprego do Kubernetes. Isso porque a ferramenta oferece a orquestração e gerenciamento que são necessários para implantar contêineres em escala para grandes cargas de trabalho.

Na prática, os Kubernetes, bem como os contêineres e os microsserviços convergem em um propósito: estabelecer um ecossistema de soluções que simplificam a vida do programador.

Mas essa é apenas uma definição sobre Kubernetes — para quem está entrando na área ou buscando novos conhecimentos, é essencial compreender o assunto de maneira aprofundada.

Ou seja, do conceito até sua aplicação prática no dia a dia de uma empresa de desenvolvimento. Afinal, quais as vantagens do Kubernetes e por que é tão popular hoje em dia?

Entenda mais sobre o que é Kubernetes e quais os principais benefícios em utilizar essa ferramenta.

O que é e como funciona o Kubernetes?

Kubernetes é um sistema open source (código aberto) para orquestração e gerenciamento de cluster para aplicativos baseados em contêineres.

De acordo com o site oficial, kubernetes.io, a definição para o sistema é a seguinte:

“Kubernetes é um sistema de código aberto para automatizar a implantação, escalonamento e gerenciamento de aplicativos em contêineres. Ele agrupa os containers que constituem um aplicativo em unidades lógicas para fácil gerenciamento e descoberta. Kubernetes se baseia em 15 anos de experiência na execução de cargas de trabalho de produção no Google, combinados com as melhores ideias e práticas da comunidade.“

A menção ao Google faz sentido, pois o Kubernetes foi uma criação da empresa, que depois de algum tempo o tornou uma plataforma open source, possibilitando que todos a utilizassem.

O que tudo isso quer dizer, na prática, de forma simples de entender?

Vamos lá: hoje em dia, os usuários de aplicativos e softwares — na sua grande maioria SaaS, que são hospedados na nuvem — esperam funcionalidade completa e de forma ininterrupta.

No entanto, atualmente, a necessidade dos desenvolvedores atualizarem os aplicativos e softwares também é maior do que era anos atrás.

Como você sabe, para atualizar um aplicativo, é preciso mobilizá-lo completamente.

No passado era assim: você precisava baixar a atualização ou instalá-la diretamente de um CD, o que obrigava a empresa a enfrentar determinado período de inatividade.

Com os contêineres, que vamos explicar o que são a seguir, é possível “empacotar” a aplicação, de modo que a empresa isole diferentes partes do software e trabalhe em cima delas de forma livre e rápida, sem comprometer a estabilidade e funcionalidade da aplicação como um todo.

E o Kubernetes nessa dinâmica toda? Ele é o sistema de gerenciamento dos contêineres, que ajuda a controlar a alocação de recursos e o gerenciamento de tráfego para aplicativos em nuvem, bem como microsserviços.

Também ajuda a simplificar vários aspectos das infraestruturas orientadas a serviços.

O Kubernetes permite que o programador garanta exatamente onde e quando as aplicações baseada em contêineres serão executadas, bem como auxilia na busca dos recursos e ferramentas corretas para trabalhar.

Contêineres

Antes de entender mais sobre Kubernetes, é importante saber saber o que são containers Linux e sua função (em português, “contêineres”). Eles podem ser definidos como um conjunto de um ou mais processos organizados isoladamente do sistema.

Podem ser portáteis e consistentes durante toda a migração entre o ambiente de desenvolvimento, o de testes e a produção. É importante saber que o container é diferente do processo de virtualização, que envolve a criação de uma versão virtual de alguma coisa.

Entendido isso, podemos dizer que o Kubernetes é uma plataforma open source (com código aberto) que faz a automatização das operações dos containers Linux. 

Com isso, é possível eliminar a maior parte dos processos manuais para implementar e escalar as aplicações em containers. Essa plataforma é ideal para hospedar aplicações nativas em nuvem.

Essa ferramenta permite que tanto elementos físicos quanto virtuais se comuniquem de maneira clara e transparente. Portanto, cada um desses grupos de elementos físicos e virtuais é chamado de cluster.

Os clusters podem se comunicar por meio de uma rede desenvolvida pela ferramenta para essa finalidade. Veja os mecanismos que fazem parte do Kubernetes:

• Master: se trata do centro de tudo. É onde roda a API e os componentes mais essenciais que gerenciam o cluster que executa os containers;
• Nodes: são máquinas virtuais ou físicas que capturam instruções da Master e depois processam o acesso às aplicações;
• Pod: os pods são a menor unidade dessa ferramenta e é onde rodam os containers;
• Deployments: auxiliam no controle e na organização do deploy dos Pods. Podem conter informações sobre o ambiente, mapeamento de volumes e tags;
• Services: é onde os Pods executados são organizados a partir de tags;
• Kubelet: é um serviço executado nos nods que faz a leitura dos manifestos do container, além de garantir que eles foram iniciados e estão em execução,
• Kubectl: se trata da ferramenta de configuração da linha de comando do Kubernetes.

Cloud-native

O Kubernetes tem uma grande vantagem, que podem agrupar clusters em hosts em nuvem pública, privada ou híbrida. É por isso que é tão utilizado para hospedar aplicações cloud-native.

Mas o que é uma aplicação cloud-native? Trata-se de qualquer aplicativo desenvolvido para se aproveitar completamente das plataformas em nuvem. Assim, essas aplicações podem:

• Escalar horizontalmente;
• Utilizar serviços de plataforma em nuvem;
• Escalar automaticamente com ações proativas e reativas;
• Permite a comunicação assíncrona sem bloqueio em uma arquitetura fracamente acoplada.

Ainda relacionado às aplicações cloud-native está o aplicativo “Twelve Factor”, um conjunto de padrões para o desenvolvimento de aplicativos que são entregues como serviço.

Além disso, aplicações nativas da nuvem fogem do que se chama de “arquitetura monolítica”, em que todas as camadas do software são unificadas.

Logo, realizar atualizações e mudanças nesses sistemas é um enorme desafio, já que uma única mudança pode obrigar o time inteiro a reescrever o código-fonte, o que também torna a fase de testes mais lenta.

Uma arquitetura de microsserviços muda esse panorama, pois desmembra as aplicações em componentes individuais, mínimos e independentes.

Cada componente representa um microsserviço, o que permite que as empresas isolem essas camadas e possam trabalhar de forma autônoma em cima delas, não afetando o desempenho geral da aplicação.

O que é Kubernetes Deployment?

Como explicamos, o Kubernetes Deployment é uma carga de trabalho (workload) comum que pode ser criada e gerenciada diretamente.

É um dos elementos da arquitetura Kubernetes, considerado um “Object” com diversas funcionalidades que automatizam vários processos no decorrer do desenvolvimento de uma aplicação.

O Kubernetes Deployment é utilizado para informar ao Kubernetes como criar ou modificar certas instâncias dos pods com aplicativo em contêiner.

Esse Deployment pode escalar o número de pods de réplica, bem como permitir a distribuição de código atualizado de maneira controlada ou reverter para uma versão anterior da aplicação.

É basicamente o que possibilita — seja de forma manual ou automatizada — que alterações sejam feitas em aplicações em contêineres.

Como? Bom, é que o Kubernetes Deployment é o processo de fornecer atualizações declarativas para pods e ReplicaSets.

Ressaltando: ReplicaSets são conjuntos de replicação, uma interação no design do controlador de replicação (Replication Controllers) com flexibilidade em como o controlador reconhece os pods que deve gerenciar.

Ele substitui os controladores de replicação devido à sua maior capacidade de seleção de replicação.

Ou seja, voltando, o Deployment permite que os usuários escrevam exatamente qual o estado desejado no arquivo de manifesto (chamado de YAML), e o Deployment controller (controlador) vai alterar o estado atual para o desejado.

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Quando e como o Kubernetes surgiu?

Muito se fala que o Kubernetes data do começo da década passada, mais especificamente 2014. Essa é uma definição correta, mas as raízes da plataforma datam de 2003, com a criação do Borg System pelo Google.

Esse foi um projeto pequeno do Google — naquela época, ainda uma empresa em ascensão. O intuito do Borg era compor uma nova versão do mecanismo de busca do Google.

Na prática, o Borg era um sistema de gerenciamento de cluster interno em grande escala, que executava centenas de milhares de cargas de trabalho, de incontáveis aplicativos diferentes e em muitos clusters, cada um com até dezenas de milhares de máquinas.

Em 2013, uma década depois, o Google evoluiu o Borg para o sistema de gestão de clusters Omega: um agendador flexível e escalável para grandes clusters de computação.

Em 2014, o Google apresentou o Kubernetes como conhecemos hoje — na prática, uma versão do Borg que era open source.

Ainda neste ano, empresas como Microsoft, Red Hat, IBM e Docker se uniram à comunidade Kubernetes.

Para que serve o Kubernetes?

O Kubernetes é um sistema open source que ajuda sua empresa a implantar, escalonar e gerenciar aplicativos baseados em contêineres.

É um sistema facilitador, que ajuda a simplificar vários aspectos das infraestruturas orientadas a serviços.

Ele ajuda a automatizar várias tarefas operacionais da gestão de contêineres, com comandos integrados para implantação de aplicativos.

Desse modo, é possível:

• Implantar aplicativos em qualquer lugar: possibilita a execução de aplicativos em implantações no local, em nuvens públicas e também em ambientes híbridos.
• Executar serviços de maneira mais eficaz: lhe oferece maior poder de controle, tornando as ações do seu time mais eficientes. Por exemplo, o Kubernetes permite que você ajuste automaticamente o tamanho de um cluster para executar um determinado serviço.
• Aumentar a velocidade de desenvolvimento: cria aplicativos baseados em microsserviços cloud-native, bem como suporta a conteinerização de aplicativos existentes.

Por que o Kubernetes é importante?

Em um alto nível, é fácil ver a importância do Kubernetes para as organizações. Como mencionamos, o Kubernetes é um orquestrador open source, totalmente flexível e escalável, capaz de facilitar completamente a gestão de contêineres.

Entre seus principais benefícios, podemos elencar:

Portabilidade e flexibilidade

O Kubernetes funciona com praticamente qualquer tipo de execução de contêiner.

Além disso, o Kubernetes pode trabalhar com praticamente qualquer tipo de infraestrutura (nuvem pública, privada ou um servidor local), desde que o SO host seja Linux ou Windows (de uma versão de 2016 ou mais recente).

E a portabilidade? Bom, o Kubernetes é altamente portátil, podendo ser aplicado em diversos ambientes, com diferentes configurações.

Multi-cloud

Devido em parte à sua portabilidade, o Kubernetes pode hospedar workloads executáveis em uma única nuvem ou mesmo espalhadas por várias nuvens.

Ou seja, falamos de uma solução que facilita o escalonamento do ambiente de aplicação.

Vale dizer que existem sim outros orquestradores de clusters no mercado, mas só o Kubernetes vai além, permitindo que a empresa adapte-se a uma estratégia multi-cloud e híbrida.

Dá maior produtividade ao desenvolvedor

Com o Kubernetes, as equipes de desenvolvimento podem escalar e implantar mais rápido do que nunca.

Em vez de uma implantação por mês — quase sempre em situações críticas e de alto estresse — as equipes agora podem implantar várias vezes ao dia.

Open source

O fato do Kubernetes ser open source é também um benefício, já que permite que seja utilizado e modificado por todos os interessados.

Na prática, o Kubernetes tem diversos patrocinadores corporativos, porém nenhum deles controla a plataforma.

Líder de mercado

A adoção do Kubernetes está aumentando cada vez mais.

De acordo com dados divulgados pelo Container Journal, 59% das empresas entrevistadas afirmaram que estavam executando o Kubernetes em produção.

Por que isso é uma vantagem? Bom, quanto mais desenvolvedores e engenheiros conhecem o Kubernetes, mais conhecimento se dissipa pelo mundo — e mais facilmente.

É algo que diminui a curva de aprendizado para empresas que o adotam. Além disso, o Kubernetes tem um grande ecossistema de projetos e ferramentas de software complementares que facilitam a extensão de sua funcionalidade.

Organização do Kubernetes

Os componentes de um cluster geralmente assumem uma de duas funções possíveis: podem ser o master ou o node. Já os componentes que assumem a função de server, são incubidos de estabelecer a comunicação com outros clusters.

Por outro lado, os componentes node realizam os trabalhos designados pelas aplicações que são executadas neles. O Kubernetes Linux faz o gerenciamento dos elementos node por meio de containers.

O master repassa as instruções a serem executadas aos node dentro de cada cluster. Os nodes podem criar e eliminar containers para atender a essas instruções. Esses processos de criação e eliminação ficam parametrizados por regras de escalabilidade.

Já um pod é uma unidade de trabalho do Kubernetes constituída por contêineres que trabalham dentro do mesmo node. Inclusive, chegam a compartilhar recursos entre si. Temos também os volumes, que são basicamente containers para persistência de informações de maneira transiente ou definitiva.

A infraestrutura do Kubernetes

A arquitetura Kubernetes é um sistema em camadas, com a camada mais alta abstraindo a complexidade das camadas mais baixas.

Na base, encontram-se máquinas físicas ou virtuais individuais em um cluster, utilizando uma rede para se comunicar em cada servidor. Isso é um cluster — uma plataforma física em que todos os componentes e workloads estão configurados.

Cada uma dessas máquinas cumpre um papel no Kubernetes:

O servidor mestre é um gateway para o cluster, expondo uma API para usuários e clientes, bem como agindo como cérebro e definindo a divisão e atribuição do trabalho, fazendo assim toda orquestração dos componentes.

As outras máquinas são os nodes, que aceitam e executam workloads se aproveitando de recursos externos ou locais.

Para auxiliar no isolamento dessas execuções, o Kubernetes utiliza contêineres.

Na prática, essa arquitetura permite que você desmembre suas aplicações em sistemas menores (na arquitetura de microsserviços) durante o desenvolvimento. Além disso, possibilita que você orquestre esses sistemas isolados durante a implantação, organizando as diferentes etapas de desenvolvimento.

Os principais componentes do painel de controle do Kubernetes

O painel de controle (ou a camada de gerenciamento) do Kubernetes é responsável pelas principais decisões sobre o cluster. Entre seus componentes listado pelo site do Kubernetes, podemos destacar:

• kube-apiserver: é o servidor de API do Kubernetes;
• etcd: armazenamento do tipo Chave-Valor consistente e em alta-disponibilidade usado como repositório de apoio do Kubernetes para todos os dados do cluster.
• kube-scheduler: componente da camada de gerenciamento que observa os pods recém-criados sem nenhum nó atribuído, e seleciona um nó para executá-los.
• kube-controller-manager: componente da camada de gerenciamento que executa os processos de controlador.
• cloud-controller-manager: um componente da camada de gerenciamento do Kubernetes que incorpora a lógica de controle específica da nuvem. O gerenciador de controle de nuvem permite que você vincule seu cluster na API do seu provedor de nuvem, e separar os componentes que interagem com essa plataforma de nuvem a partir de componentes que apenas interagem com seu cluster.

A API do Kubernetes

A API do Kubernetes é a camada front-end do painel de controle do sistema. É o meio pelo qual os usuários conseguem interagir com os clusters e suas diferentes partes.

A API do Kubernetes permite que você consulte e manipule o estado dos outros objetos da API no Kubernetes, como pods, eventos etc.

Cada ação que qualquer usuário realiza no Kubernetes passa pela API do sistema.

Neste cenário, a API facilita com que o cluster atinja o estado desejado: nele, o desenvolvedor descreve o que quer realizar e o faz.

Na prática, é algo que pode envolver tanto a criação como a destruição de recursos.

Termos específicos sobre essa tecnologia

No Kubernetes, existem múltiplos termos técnicos que muitas vezes complicam o entendimento. Acima, explicamos alguns dos principais, mas vamos trazer alguns outros que você deve ter visto neste conteúdo (e provavelmente vai encontrar ao longo dos seus estudos no tema).

Vamos lá?

• Plano de controle: camada que reúne os processos que controlam todos os nós do Kubernetes.
• Serviço: uma aplicação de rede executada em um conjunto de pods.
• Volume: banco de dados que pode ser acessado nos contêineres de um pod.
• Namespace: um cluster virtual que pode ser multiplicado e gerenciado no mesmo cluster físico.

Por que implementar o Kubernetes?

O Kubernetes não é apenas um orquestrador, é também um mecanismo capaz de facilitar o desenvolvimento e a estabilização da aplicação. Veja os principais benefícios dessa tecnologia:

Modernização

É essencial que uma empresa modernize seu gerenciamento de redes e opte por ferramentas que promovam a inovação. Portanto, é preciso integrar sistemas existentes de forma ágil e deixar de utilizar soluções de forma rápida, também. O Kubernetes ajuda a acelerar a redução da carga operacional, que pode ser um gargalo em muitas companhias.

Experiência do usuário

Para evitar que um erro afete outras funcionalidades, essa ferramenta maximiza o isolamento de funcionalidades e reduz o espectro de impacto quando algo dá errado. Também reduz o tempo de recuperação, portanto, torna a experiência do usuário muito melhor.

Linguagem

Outra vantagem que vale a pena ser destacada é que essa solução não fornece e nem exige idioma ou linguagem específica para fazer a configuração dos sistemas. Desse modo, há mais flexibilidade no uso da ferramenta.

Escalagem automática

Com o Kubernetes, você pode escalar automaticamente seus workloads, garantindo o aumento do número de Pods para o desejado.

Segurança

É possível implementar contêineres de maneira completamente segura, criando imagens protegidas que conservem suas aplicações.

Maior controle

O Kubernetes em geral é um sistema que dá maior controle aos desenvolvedores. Não por menos, é um orquestrador de contêineres, que possibilita que desenvolvedores foquem no resultado final de suas aplicações e não em questões técnicas, como implementação.

Como usar kubernetes?

Para usar o Kubernetes, de acordo com o próprio site oficial da plataforma, é preciso seguir alguns passos. No entanto, entenda que existem diferentes maneiras de aplicar o Kubernetes no seu local de trabalho — já que existem várias plataformas para tal.

Primeiro, é preciso instalar o Kubernetes, realizar o deployment do Kubernetes em uma máquina local, na sua nuvem ou em seu próprio banco de dados.

Além disso, é necessário realizar o download de ferramentas como o kubectl, selecionar um tempo para o contêiner no novo cluster e configurá-lo!

Lembrando que o Kubernetes foi projetado para que seu plano de controle seja executado no Linux. 

Em seu cluster, você pode executar aplicativos em Linux ou outros sistemas operacionais, incluindo Windows.

Kubernetes vs. Docker: entenda as diferenças

O Docker e o Kubernetes são soluções semelhantes: tecnologias cloud based e open source.

A principal diferença é que o Docker empacota aplicativos em contêineres em um único nó, e o Kubernetes se destina a executá-los em um cluster (ou seja, em vários nós).

Essencialmente, são plataformas diferentes, que costumam ser utilizadas em conjunto.

Enquanto uma grande empresa pode se beneficiar do Kubernetes e pode dar suporte à sua manutenção, um projeto menor pode se beneficiar apenas com o Docker.

Openshift vs. Kubernetes

O OpenShift é uma plataforma da Red Hat, definida como uma cloud native Kubernetes contêiner que serve tanto para a “conteinerização” de softwares e uma Plataforma como Serviço (PaaS).

É também parcialmente desenvolvida em cima da arquitetura do Docker.

É uma solução considerada mais segura, capaz de centralizar a gestão e monitoramento dos workloads.

Kubernetes: principais desafios

À medida que o Kubernetes se torna mais popular, vários desafios inerentes a essa tecnologia emergem para quem só agora começa a se interessar pelo assunto. Entre eles, os principais são:

• Implementação: existem várias formas de implementar o Kubernetes nas empresas, o que aumenta o leque de opções, mas exigem maior conhecimento dos líderes empresariais.
• Complexidade em ambientes DevOps: enquanto é simples gerenciar contêineres com o Kubernetes, a missão se torna complexa em empresas adeptas do DevOps, especialmente se relacionados com a automação de processos.
• Segurança: na medida em que o Kubernetes avança, também avançam os ataques cibernéticos em busca de brechas nos sistemas das empresas. Quando uma empresa adota o Kubernetes, a segurança das informações deve ser sempre uma prioridade.

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Conclusão

A crescente adoção do Kubernetes está proporcionando aos desenvolvedores a liberdade de criar seus próprios ambientes, bem como de entregar aplicações e sistemas mais alinhados com as necessidades atuais dos usuários finais.

Neste guia completo, nos aprofundamos no assunto para te explicar tudo sobre Kubernetes, do conceito até a aplicação do sistema, bem como utilizá-lo em seu negócio!

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