Was ist Kubernetes-Speicher? So funktioniert persistenter Speicher

Kubernetes ist eine Plattform zur Containerorchestrierung, die die für die Bereitstellung, den Betrieb und die Skalierung von Containern in einem Cluster oder in einer Cloud-Computing-Umgebung erforderlichen Dienste und Verwaltungsfunktionen bereitstellt. Sie hat sich für Unternehmen aus den unterschiedlichsten Branchen zu einer Standardmethode für die Containerorchestrierung entwickelt. Das gilt insbesondere für Unternehmen, die containerisierte Anwendungen skalieren möchten.

Die Plattform bietet eine flexible Möglichkeit, Container-Workloads zu automatisieren, bereitzustellen und zu verwalten. Kubernetes-Speicher ist für Speicheradministratoren nützlich, da er verschiedene Formen der persistenten Aufbewahrung zustandsbehafteter Daten in Kubernetes-Clusterbereitstellungen ermöglicht, die zunehmend beliebter werden.

Dieser Artikel gibt einen Überblick über Kubernetes und persistenten Speicher, seine Funktionsweise und die Vorteile seiner Nutzung.

Was ist Kubernetes?

Um es klar zu sagen: Kubernetes-Speicher wird zwar manchmal in der Cloud verwendet, ist aber eine eigenständige und vom Cloud-Speicher getrennte Entität. Google hat die Kubernetes-Plattform 2014 als Open-Source-Projekt entwickelt, um die Containerbereitstellung des Unternehmens zu verwalten. 2016 wechselte die Plattform zur Cloud Native Computing Foundation (CNCF) der Linux Foundation und ist heute ein von allen großen öffentlichen Cloud-Anbietern unterstütztes Projekt mit mehreren Beteiligten, darunter Amazon Web Services (AWS), Oracle, Microsoft Azure und Google Cloud Platform.

Kubernetes hat sich in den vergangenen Jahren aufgrund seiner Portabilität zu einer wichtigen Technologie entwickelt. Derselbe grundlegende Kubernetes-Container, der in einer öffentlichen Cloud ausgeführt wird, kann mit geringen oder gar keinen Änderungen in einer anderen betrieben werden. Die Portabilität ermöglicht außerdem Multicloud-Bereitstellungen, bei denen Kubernetes zur Orchestrierung von Containerbereitstellungen auf mehr als einer Cloud-Plattform eingesetzt wird.

Cloud Native ist ein weiterer Begriff, der häufig direkt mit Kubernetes in Verbindung gebracht wird – unter anderem, weil Kubernetes das grundlegende Projekt der Cloud Native Computing Foundation ist. In diesem Fall bezeichnet Cloud Native Anwendungen – ob für Speicher oder andere Zwecke –, die speziell für die Cloud entwickelt wurden, anstatt für das Rechenzentrum entwickelt und später in die Cloud portiert zu werden.

Anwendungscontainer bieten eine Möglichkeit, Anwendungen in einem portablen Format zu paketieren und bereitzustellen. Der am häufigsten mit Kubernetes verwendete Anwendungscontainertyp ist ein Docker-Container. Mit Kubernetes können mehrere Containergruppen für hohe Verfügbarkeit und Anwendungsstabilität bereitgestellt, skaliert und repliziert werden.

Mehr erfahren: Kubernetes im Test

Kubernetes-Architektur: So funktioniert Kubernetes

Kubernetes lässt sich als „Master-Worker“-Struktur innerhalb eines Clusters aus Knoten beschreiben. Der Master-Knoten fungiert als Kontrollzentrum und überwacht den Betrieb des Clusters sowie den Gesamtzustand des Systems. Zu den Aufgaben gehören unter anderem die Planung, Skalierung und allgemeine Orchestrierung von Workloads auf untergeordneten „Worker“-Knoten, auf denen die eigentlichen Container mit den Anwendungen ausgeführt werden. Master-Knoten kommunizieren in der Regel über API-Server mit Worker-Knoten.

Die Kubernetes-Architektur ist auf Replikation und Verfügbarkeit als oberste Prioritäten ausgelegt. Jede Kubernetes-Architektur umfasst mehrere zentrale Elemente:

• Kube-Master: Dies ist der zentrale Kontrollpunkt für die verteilte Orchestrierung über verschiedene Knoten hinweg.
• Knoten: Knoten sind die Systemressourcen, die vom Kube-Master zugewiesene Aufgaben ausführen.
• Pod: In einem Pod können ein oder mehrere Container ausgeführt werden. Jeder Pod erhält eine eigene IP-Adresse sowie eigene Netzwerk- und Speicherressourcen.
• Replikations-Controller/ReplicaSet: Stellt sicher, dass ständig eine bestimmte Anzahl von Pod-Replikaten ausgeführt wird.
• Dienste: Dienste umfassen stabile Netzwerkendpunkte für den Zugriff auf Pods und ermöglichen Vorteile wie Load-Balancing und Service Discovery.
• Bereitstellungen: Vereinfachen die Verwaltung und Aktualisierung von Anwendungen durch unkompliziertes Ausrollen, Zurücksetzen und Skalieren von Replikaten.
• ConfigMaps und Secrets: Mit dieser Funktion können Benutzer Konfigurationsdaten und vertrauliche Informationen vom Anwendungscode trennen und so die Sicherheit erhöhen.
• Persistente Volumes: Ermöglichen es Benutzern, Daten über den Lebenszyklus einzelner Pods hinaus zu speichern und darauf zuzugreifen.
• Ingress: Unterstützt den externen Zugriff auf Dienste innerhalb von Clustern, fungiert als Gateway und ermöglicht erweitertes Routing sowie die Beendigung von SSA.

Kubernetes ermöglicht es Entwicklern, Container in einem Cluster oder in einer Cloud-Computing-Umgebung bereitzustellen und zu skalieren.

So funktioniert persistenter Kubernetes-Speicher

Als Kubernetes ursprünglich entwickelt wurde, diente es hauptsächlich für zustandslose Anwendungen ohne Anforderungen an persistenten Speicher. Beim modernen Kubernetes sieht die Sache jedoch anders aus: Es kann problemlos zustandsbehaftete Anwendungen und persistenten Speicher verwalten.

Im Zusammenhang mit Kubernetes-Speicher gibt es mehrere zentrale Konzepte, die man verstehen sollte. Erstens gibt es die Container Storage Interface (CSI), die als Verbindungspunkt für Speichersysteme dient. Außerdem stehen innerhalb von Pods Funktionen zur Speicherbereitstellung zur Verfügung, etwa Objekte für persistenten Speicher, mit denen Speicher angefordert und verbunden werden kann.

Container Storage Interface

Die CSI ist eine relativ neue Ergänzung zu Kubernetes, vereinfacht jedoch die Speicherverwaltung und -anbindung erheblich.

Vor der CSI mussten Speichergerätetreiber direkt in den Kubernetes-Kern integriert werden. Das war ein zeitaufwendigerer Prozess, um neue Speichergeräte zu aktivieren. Die CSI bietet eine erweiterbare Plugin-Architektur mit zahlreichen Vorteilen.

Zu den wichtigsten Elementen der Container Storage Interface gehören:

• Erweiterbares Plugin-Framework: Speichertreiber sind Plugins, die nicht fest in Kubernetes programmiert sind.
• Updates: Die CSI ermöglicht es Anbietern von Speicherhardware und -software, Treiber einfacher zu aktualisieren.
• Sicherheit: Mit der CSI gibt es verbesserte Sicherheitsgarantien, da die Abstraktion zwischen Kubernetes und dem Speicher klarer ist.

Persistente Kubernetes-Speicherobjekte

Während die CSI eine Möglichkeit bietet, Speichergeräte mit einem Kubernetes-Cluster zu verbinden, benötigen Kubernetes-Anwendungen weiterhin Unterstützung, um auf Speicher zugreifen zu können. Zu diesem Zweck gibt es mehrere zentrale Konzepte zur Definition persistenter Speicherobjekte:

• Pod: Der Pod kann verwendet werden, um ein persistentes Speichervolume in einen Container einzubinden.
• PersistentVolumeClaim (PVC): Wenn eine Anwendung Speicher anfordert, geschieht dies in Form eines PVC, wodurch ein Speichervolume in einem Pod nutzbar wird. PVCs können manuell oder dynamisch über Richtlinien bereitgestellt werden.
• PersistentVolume (PV): Das PV ist das Verwaltungsobjekt zur Definition persistenten Speichers in Kubernetes. Es verweist auf den tatsächlichen physischen Speicher, der über die Container Storage Interface (CSI) verbunden ist.
• StorageClass: Das StorageClass-Objekt ist eine Sammlung von PVs mit denselben Eigenschaften. Dadurch kann eine Anwendung für eine bestimmte Bereitstellung den passenden Speichertyp auswählen.
• StatefulSet: Da Kubernetes auf Ausfallsicherheit ausgelegt ist, führt das StatefulSet-Objekt eine konfigurierbare Anzahl von Pod-Replikaten aus, wobei jeder Pod sein eigenes PVC aus einer PVC-Vorlage erhält. Jeder Pod verfügt über eine stabile Identität und kann hoch- oder herunterskaliert werden.

Die Vorteile von Kubernetes

Kubernetes bietet Unternehmen, die ihre Verwaltung containerisierter Anwendungen modernisieren möchten, mehrere zentrale Vorteile:

• Skalierbarkeit: Da Kubernetes die Skalierung und Verteilung von Workloads über Cluster automatisiert, können Anwendungen eine hohe Verfügbarkeit aufrechterhalten und gleichzeitig steigende Workload-Anforderungen erfüllen.
• Automatisierung: Die Infrastruktur- und Anwendungskonfigurationen für Kubernetes werden deklarativ definiert, das heißt, es kommen konkrete Anweisungen zum Einsatz. Dies ermöglicht eine unkomplizierte Replikation, Versionierung und Automatisierung.
• Effizienz: Kubernetes kann die Ressourceneffizienz steigern, indem es die Ressourcenzuweisung optimiert, Kosten senkt und die Leistung maximiert.
• Container-Portabilität: Indem Kubernetes die zugrunde liegenden Anwendungsinfrastrukturen effektiv ignoriert, können Kubernetes-Anwendungen in unterschiedlichen Umgebungen ausgeführt werden. Dies ist besonders wertvoll für Unternehmen mit hybriden Netzwerkumgebungen, die lokale Rechenzentren und Cloud-Ressourcen umfassen.
• Selbstheilung: Wenn Kubernetes einen fehlerhaften Container erkennt, kann es ihn automatisch neu starten oder sogar ersetzen und so Ausfallsicherheit und Fehlertoleranz erhöhen.
• Community-Unterstützung: Als Open-Source-Ressource profitiert Kubernetes von den kontinuierlichen Beiträgen der Community, neuen Plugins sowie den neuesten Tools und Best Practices.

Fazit: Kubernetes und persistenter Speicher

Kubernetes ist eine sich schnell weiterentwickelnde Technologie, die von Cloud-Anbietern und Unternehmen gleichermaßen angenommen wurde, um eine agilere und besser skalierbare Form der Anwendungsbereitstellung zu ermöglichen. Mit einer korrekt implementierten Kubernetes-Speicherkonfiguration können Datenbanken und Anwendungsdaten von zahlreichen Anwendungen erstellt und abgerufen werden, was höhere Geschwindigkeit und Effizienz ermöglicht.

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