Kubernetes là gì? Tổng quan về nền tảng điều phối container K8s

Khi ứng dụng mở rộng trên nhiều container, việc quản lý thủ công sẽ trở thành rào cản của doanh nghiệp. Vậy giải pháp Kubernetes là gì? Được ví như vị thuyền trưởng điều phối, K8s là hệ thống mã nguồn mở giúp tự động hóa hoàn toàn quy trình triển khai, mở rộng và quản lý container trên mọi môi trường đám mây.

Kubernetes là gì?

Kubernetes (viết tắt là K8s) là một hệ thống mã nguồn mở dùng để triển khai, mở rộng và quản lý các ứng dụng được đóng gói trong container ở bất kỳ môi trường nào.

Kubernetes tự động hóa các tác vụ vận hành trong quá trình quản lý container và tích hợp sẵn các lệnh để triển khai ứng dụng, cập nhật thay đổi cho ứng dụng, mở rộng hoặc thu hẹp quy mô ứng dụng theo nhu cầu, giám sát ứng dụng và nhiều tác vụ khác. Nhờ đó, việc quản lý ứng dụng trở nên dễ dàng hơn.

Tên gọi Kubernetes bắt nguồn từ tiếng Hy Lạp, mang nghĩa là người cầm lái hoặc hoa tiêu. Cách viết tắt K8s được tạo ra bằng cách lấy chữ “K” ở đầu, chữ “s” ở cuối và dùng số 8 để đại diện cho tám chữ cái nằm ở giữa. Dự án Kubernetes được Google mở mã nguồn vào năm 2014, sau đó được CNCF tiếp nhận vào năm 2016 và đạt cấp độ Graduated vào năm 2018.

Kiến trúc Kubernetes và các thành phần chính

Kiến trúc Kubernetes được xây dựng theo mô hình cluster. Mỗi cluster gồm nhiều node, trong đó node có thể là máy chủ vật lý hoặc máy ảo. Kubernetes sẽ triển khai và quản lý các ứng dụng container trên các node này.

Về cơ bản, Kubernetes gồm 2 nhóm thành phần chính:

• Control Plane: quản lý, điều phối và duy trì trạng thái của toàn bộ cluster.
• Worker Node: trực tiếp chạy các pod và container của ứng dụng.

Control Plane

Control Plane là bộ phận điều khiển trung tâm của Kubernetes. Thành phần này tiếp nhận yêu cầu, lên lịch chạy pod, theo dõi trạng thái hệ thống và tự động điều chỉnh khi có sự cố.

Các thành phần chính gồm:

• kube-apiserver: tiếp nhận và xử lý các lệnh quản trị Kubernetes.
• etcd: lưu trữ dữ liệu cấu hình, trạng thái và metadata của cluster.
• kube-scheduler: chọn node phù hợp để chạy pod mới.
• kube-controller-manager: theo dõi trạng thái cluster và tự động điều chỉnh khi trạng thái thực tế khác với trạng thái mong muốn.
• cloud-controller-manager: kết nối Kubernetes với hạ tầng của nhà cung cấp cloud.

Worker Node

Worker Node là nơi trực tiếp chạy ứng dụng container. Mỗi worker node nhận chỉ thị từ control plane và vận hành các pod theo cấu hình đã khai báo.

Các thành phần chính gồm:

• kubelet: đảm bảo các container trong pod chạy đúng trạng thái.
• kube-proxy: quản lý kết nối mạng và định tuyến traffic giữa các pod/service.
• Container runtime: phần mềm dùng để chạy container, ví dụ containerd hoặc CRI-O.

Một số khái niệm quan trọng khác

• Pod: đơn vị triển khai nhỏ nhất trong Kubernetes, có thể chứa một hoặc nhiều container.
• Deployment: quản lý việc triển khai, cập nhật và duy trì số lượng pod mong muốn.
• ReplicaSet: đảm bảo luôn có đủ số lượng pod bản sao đang chạy.
• Service: cung cấp địa chỉ truy cập ổn định cho một nhóm pod.
• kubectl: công cụ dòng lệnh dùng để giao tiếp với Kubernetes API.

Tóm lại, Control Plane chịu trách nhiệm điều phối toàn bộ cluster, còn Worker Node là nơi chạy ứng dụng thực tế. Nhờ kiến trúc này, Kubernetes có thể tự động triển khai, mở rộng, cân bằng tải và phục hồi ứng dụng container.

Chức năng chính của Kubernetes

Kubernetes giúp tự động hóa nhiều tác vụ quan trọng trong quá trình triển khai, vận hành và quản lý ứng dụng container, bao gồm:

• Triển khai ứng dụng container: Kubernetes cho phép triển khai số lượng container theo cấu hình mong muốn và duy trì chúng hoạt động ổn định trên các node trong cluster.
• Cập nhật và rollback phiên bản: Kubernetes hỗ trợ rollout để triển khai phiên bản mới, đồng thời cho phép tạm dừng, tiếp tục hoặc rollback về phiên bản trước nếu có lỗi.
• Khám phá dịch vụ: Kubernetes giúp các container và service tự động tìm thấy nhau thông qua DNS hoặc địa chỉ IP, đồng thời có thể expose ứng dụng ra bên ngoài khi cần.
• Cấp phát lưu trữ: Kubernetes có thể kết nối container với lưu trữ cục bộ hoặc lưu trữ đám mây, phù hợp với các ứng dụng cần lưu dữ liệu lâu dài.
• Cân bằng tải: Kubernetes phân phối lưu lượng truy cập đến các pod phù hợp, giúp duy trì hiệu suất và tránh tình trạng một container bị quá tải.
• Tự động mở rộng tài nguyên: Khi lưu lượng truy cập tăng, Kubernetes có thể tự động tạo thêm pod hoặc mở rộng tài nguyên. Khi tải giảm, hệ thống có thể thu hẹp để tối ưu chi phí.
• Tự phục hồi khi có lỗi: Kubernetes liên tục kiểm tra trạng thái container. Nếu phát hiện container lỗi, treo hoặc không đạt health check, hệ thống có thể tự động khởi động lại hoặc thay thế.

Cách hoạt động của Kubernetes

Khi ứng dụng mở rộng trên nhiều container và máy chủ (Server), Kubernetes giúp đơn giản hóa việc quản lý. Kubernetes điều phối các quá trình triển khai thông qua một API mã nguồn mở, nhóm các container vào pod để mở rộng quy mô dựa trên nhu cầu và mức độ sẵn có của tài nguyên. Kubernetes cũng tự động hóa việc khám phá dịch vụ, cân bằng tải và phân bổ tài nguyên, đồng thời giám sát trạng thái sức khỏe để hỗ trợ khả năng tự phục hồi bằng cách khởi động lại hoặc nhân bản các container.

Đối với các lập trình viên doanh nghiệp, dưới đây là phân tích từng bước về cách Kubernetes hoạt động:

• Định nghĩa ứng dụng: Bắt đầu bằng cách định nghĩa trạng thái mong muốn của ứng dụng bằng các file YAML. Các file này chỉ định những container cần chạy, tài nguyên chúng cần sử dụng như CPU, bộ nhớ và cách chúng được expose ra mạng.
• Gửi yêu cầu đến Kubernetes API: Bạn gửi các file YAML này đến Kubernetes API, thường thông qua công cụ dòng lệnh kubectl.
• Scheduler gán pod cho node: Kubernetes scheduler phân tích các yêu cầu của ứng dụng và tìm các node phù hợp nhất trong cluster để chạy container của bạn, các container này được đóng gói dưới dạng pod.
• Kubelet khởi chạy container: Trên mỗi node, tiến trình Kubelet nhận chỉ thị từ control plane và khởi chạy các container.
• Service expose ứng dụng: Kubernetes Service cung cấp địa chỉ IP ổn định và tên DNS cho ứng dụng, cho phép các ứng dụng khác truy cập vào ứng dụng đó, ngay cả khi các pod được tạo mới, bị xóa hoặc được lên lịch chạy lại.
• Controller đảm bảo trạng thái mong muốn: Kubernetes controller liên tục giám sát trạng thái của ứng dụng và thực hiện hành động khắc phục khi cần. Ví dụ, nếu một pod bị crash, controller sẽ tự động tạo một pod mới để thay thế.
• Mở rộng và cập nhật: Bạn có thể dễ dàng mở rộng ứng dụng bằng cách cập nhật số lượng bản sao trong cấu hình deployment. Kubernetes sẽ tự động tạo hoặc xóa pod để khớp với quy mô mong muốn. Rolling update cho phép bạn triển khai phiên bản mới của ứng dụng mà không gây downtime.

Lợi ích của Kubernetes

Kubernetes mang lại nhiều lợi ích cho quá trình triển khai, vận hành và quản lý ứng dụng container, đặc biệt trong các hệ thống có quy mô lớn hoặc cần mở rộng linh hoạt.

Tự động hóa vận hành ứng dụng

Kubernetes hỗ trợ tự động hóa nhiều tác vụ quan trọng như triển khai ứng dụng, cập nhật phiên bản, mở rộng tài nguyên và khôi phục khi có lỗi. Nhờ đó, đội ngũ kỹ thuật có thể giảm thao tác thủ công và đảm bảo ứng dụng luôn chạy đúng theo trạng thái mong muốn.

Giảm phụ thuộc vào hạ tầng vật lý 

Kubernetes giúp tách ứng dụng khỏi hạ tầng bên dưới bằng cách tự xử lý các tài nguyên như máy chủ, mạng và lưu trữ. Điều này cho phép lập trình viên tập trung nhiều hơn vào phát triển ứng dụng thay vì phải quản lý chi tiết môi trường vận hành.

Giám sát và tự phục hồi dịch vụ

Kubernetes liên tục kiểm tra trạng thái hoạt động của container và service. Khi phát hiện container bị lỗi, bị treo hoặc không phản hồi, hệ thống có thể tự động khởi động lại hoặc thay thế bằng container mới, giúp tăng độ ổn định cho ứng dụng.

Tối ưu tài nguyên hạ tầng

Kubernetes phân bổ container vào các node dựa trên nhu cầu tài nguyên như CPU, RAM và mức độ sẵn có của hệ thống. Cách điều phối này giúp tận dụng hạ tầng hiệu quả hơn, hạn chế lãng phí tài nguyên và tối ưu chi phí vận hành.

Đơn giản hóa quản lý ứng dụng

Với Kubernetes, doanh nghiệp có thể sử dụng một phương pháp thống nhất để triển khai, cập nhật, mở rộng và quản lý nhiều loại ứng dụng khác nhau. Điều này đặc biệt hữu ích với các hệ thống microservices hoặc môi trường có nhiều dịch vụ chạy song song.

Tăng tính linh hoạt và khả năng di chuyển

Kubernetes là nền tảng mã nguồn mở, có thể chạy trên nhiều môi trường như on-premises, private cloud, public cloud hoặc hybrid cloud. Nhờ đó, doanh nghiệp dễ dàng di chuyển ứng dụng giữa các hạ tầng khác nhau mà vẫn duy trì cách vận hành nhất quán.

Các trường hợp sử dụng Kubernetes

Kubernetes được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống CNTT hiện đại để triển khai, mở rộng và quản lý ứng dụng container. Nhờ khả năng tự động hóa vận hành, Kubernetes đặc biệt phù hợp với các mô hình cloud-native, microservices, DevOps và hybrid cloud.

Phát triển ứng dụng cloud-native và microservices

Kubernetes là nền tảng quan trọng trong phát triển ứng dụng cloud-native. Với kiến trúc microservices, một ứng dụng được chia thành nhiều dịch vụ nhỏ, có thể phát triển và triển khai độc lập trong các container.

Kubernetes giúp quản lý các container này một cách tự động, đảm bảo từng microservice có đủ tài nguyên để hoạt động ổn định, đồng thời giảm khối lượng công việc khi phải vận hành nhiều dịch vụ cùng lúc.

Triển khai trên môi trường hybrid cloud và multicloud

Kubernetes có thể chạy trên nhiều môi trường khác nhau như on-premises, private cloud, public cloud hoặc multicloud. Điều này giúp doanh nghiệp linh hoạt hơn khi triển khai ứng dụng, tránh phụ thuộc vào một nhà cung cấp duy nhất và giảm rủi ro vendor lock-in.

Với Kubernetes, doanh nghiệp có thể duy trì cách quản lý ứng dụng nhất quán dù hệ thống đang vận hành trên nhiều nền tảng hạ tầng khác nhau.

Vận hành ứng dụng ở quy mô lớn

Kubernetes hỗ trợ autoscaling, cho phép ứng dụng tự động mở rộng hoặc thu hẹp tài nguyên theo nhu cầu thực tế. Khi lưu lượng truy cập tăng, Kubernetes có thể tạo thêm pod để đáp ứng tải; khi nhu cầu giảm, hệ thống tự động thu hồi tài nguyên để tối ưu chi phí.

Tính năng này đặc biệt hữu ích với các website thương mại điện tử, nền tảng streaming, ứng dụng tài chính hoặc hệ thống có lưu lượng truy cập biến động mạnh.

Hiện đại hóa ứng dụng legacy

Kubernetes hỗ trợ doanh nghiệp chuyển đổi các ứng dụng cũ dạng monolithic sang kiến trúc microservices hiện đại. Thay vì vận hành một ứng dụng lớn, khó mở rộng và khó cập nhật, doanh nghiệp có thể tách hệ thống thành nhiều dịch vụ nhỏ, đóng gói trong container và quản lý bằng Kubernetes.

Cách tiếp cận này giúp ứng dụng dễ mở rộng, dễ bảo trì và phù hợp hơn với môi trường cloud.

Hỗ trợ quy trình DevOps

Kubernetes giúp tự động hóa nhiều bước trong quy trình DevOps như cấu hình, triển khai, mở rộng và cập nhật ứng dụng. Nhờ đó, đội ngũ phát triển và vận hành có thể phối hợp hiệu quả hơn, rút ngắn thời gian phát hành phần mềm và giảm lỗi do thao tác thủ công.

Kubernetes cũng phù hợp với các pipeline CI/CD, giúp doanh nghiệp triển khai phiên bản mới nhanh hơn và ổn định hơn.

Triển khai AI và Machine Learning

Các hệ thống AI, Machine Learning và mô hình ngôn ngữ lớn thường gồm nhiều thành phần phức tạp, cần tài nguyên lớn và khả năng mở rộng linh hoạt. Kubernetes giúp tự động hóa việc cấu hình, triển khai và mở rộng các workload này trên môi trường cloud.

Nhờ đó, doanh nghiệp có thể huấn luyện, kiểm thử và triển khai mô hình AI/ML hiệu quả hơn, đặc biệt trong các hệ thống cần xử lý dữ liệu lớn hoặc chạy nhiều tác vụ song song.

VNPT Kubernetes Service: Nền tảng PaaS tối ưu cho quản lý và phát triển ứng dụng Container

VNPT Kubernetes Service (VNPT K8s) là dịch vụ nền tảng (PaaS) thuộc hệ sinh thái VNPT Cloud, do Tập đoàn Bưu chính Viễn thông Việt Nam (VNPT) nghiên cứu, phát triển và vận hành. Dịch vụ giúp các tổ chức, doanh nghiệp triển khai và quản lý ứng dụng container hóa trên nền Kubernetes một cách dễ dàng, linh hoạt và tiết kiệm chi phí, đáp ứng tiêu chuẩn Cloud-native và an toàn thông tin cấp quốc gia.

• Khởi tạo tự động nhanh chóng trên Public Cloud VNPT: Tiết kiệm thời gian và chi phí vận hành nhờ quá trình cấu hình cụm Cluster hoàn toàn tự động chỉ với vài thao tác đơn giản trên giao diện portal.
• Hệ sinh thái Cloud toàn diện & Sẵn sàng cho CI/CD: Tích hợp sâu, đồng bộ với các dịch vụ cốt lõi như Private Registry (lưu trữ images), Persistent Storage, Database as a service, giúp triển khai mượt mà các pipeline DevOps/DevSecOps cho cả ứng dụng Stateless và Stateful.
• Tự động mở rộng linh hoạt (Auto-scaling): Tự động thêm/bớt worker nodes theo thiết lập sẵn, giúp hệ thống tự động thích ứng và chịu tải mượt mà trước các đợt truy cập tăng đột biến (Black Friday, sự kiện tài chính, game, dịch vụ công).
• Quản lý Microservices chuyên sâu: Giải quyết triệt để các bài toán kiến trúc dịch vụ nhỏ nhờ cơ chế tự động phát hiện dịch vụ (Service Discovery), tự động kiểm tra sức khỏe và khởi động lại container lỗi (Self-healing), cùng khả năng phân vùng môi trường (Dev/Staging/Prod) nghiêm ngặt.
• Giám sát tập trung trực quan (Monitoring & Logging): Tích hợp sẵn giao diện theo dõi thời gian thực các chỉ số tài nguyên (CPU, RAM, Disk) và tự động thu thập log từ container, loại bỏ việc phải cài đặt thêm công cụ từ bên thứ ba.
• Bảo mật đa tầng chuẩn doanh nghiệp: Đạt các tiêu chuẩn an toàn nghiêm ngặt từ lớp hệ điều hành đến tầng Kubernetes; áp dụng chính sách mạng (Network Policy) và kiểm soát file cấu hình (.yaml) chặt chẽ để cô lập và ngăn chặn tối đa các cuộc tấn công Zero-day hay leo thang đặc quyền.

Bạn muốn giải phóng đội ngũ IT khỏi áp lực quản trị hạ tầng và chấm dứt nỗi lo hệ thống sập nguồn mỗi khi đột biến tải?

Đừng để việc cấu hình và vận hành K8s thủ công làm chậm tốc độ ra mắt sản phẩm của doanh nghiệp. Hãy để VNPT Kubernetes Service đồng hành cùng doanh nghiệp tối ưu hóa hiệu suất ứng dụng Container.

👉 Liên hệ tư vấn miễn phí 083-828-1080 để trực tiếp trải nghiệm tốc độ khởi tạo tự động và nhận lộ trình tư vấn chuyển đổi Microservices tối ưu nhất từ chuyên gia VNPT Cloud! Hoặc đăng ký tư vấn ngay TẠI ĐÂY.

Nắm vững Kubernetes là gì chính là chìa khóa để tối ưu quy trình DevOps và hiện đại hóa ứng dụng Microservices quy mô lớn. Việc làm chủ K8s không chỉ giúp doanh nghiệp tiết kiệm chi phí hạ tầng mà còn tăng tốc độ ra mắt sản phẩm. Để bắt đầu dễ dàng nhất, VNPT Kubernetes Service sẽ là nền tảng PaaS tin cậy đồng hành cùng bạn.