تعلم أساسيات Kubernetes

يوفر هذا الدرس نظرة عامة على أساسيات نظام تنسيق العناقيد (Cluster orchestration) في Kubernetes. تحتوي كل وحدة على معلومات أساسية عن ميزات ومفاهيم Kubernetes الرئيسية، وتتضمن برنامجًا تعليميًا تفاعليًا عبر الإنترنت. تتيح لك هذه الدروس التفاعلية إدارة عنقود بسيط والتطبيقات العاملة على حاويّات فيه.

باستخدام الدروس التفاعلية، يمكنك تعلم ما يلي:

نشر تطبيق يعمل ضمن حاوية على عنقود.
تحجيم النشر.
تحديث التطبيق العامل ضمن حاوية بإصدار جديد من البرنامج.
تنقيح التطبيقات العاملة ضمن حاويات.

تستخدم البرامج التعليمية منصَّة Katacoda لتشغيل طرفية افتراضية في متصفح الويب يشغّل Minikube، وهو بيئة نشر Kubernetes محلية محدودة الحجم يمكن تشغيلها في أي مكان. لا داعي لتثبيت أي برنامج أو ضبط أي شيء؛ يعمل كل درس تفاعلي مباشرة من متصفح الويب.

ما الذي يمكن أن يقدمه لك Kubernetes؟

مع خدمات الويب الحديثة، يتوقع المستخدمون أن تكون التطبيقات متاحة على مدار الساعة طوال أيام الأسبوع، ويتوقع المطورون نشر إصدارات جديدة من هذه التطبيقات عدة مرات في اليوم. يُساعد مفهوم "الحاويات" على تحزيم البرامج لخدمة هذه الأهداف، مما يتيح إصدار التطبيقات وتحديثها بطريقة سهلة وسريعة دون توقف. يساعدك Kubernetes على التأكد من تشغيل هذه التطبيقات الحاوية أينما ومتى تريد، ويساعد في العثور على الموارد والأدوات التي تحتاجها تلك الحاويّات للعمل. Kubernetes هي منصّة مفتوحة المصدر، جاهزة للإنتاج ومصممة بخبرة Google المتراكمة في تنسيق الحاويات، جنبًا إلى جنب مع أفضل الأفكار والممارسات التي يقترحها المجتمع.

سننتقل الآن إلى التحدث عن وحدات Kubernetes الأساسية:

إنشاء عنقود Kubernetes
نشر التطبيق
استكشاف التطبيق
الإعلان عن التطبيق
تحجيم التطبيق
تحديث التطبيق

1. استخدام Minikube لإنشاء عنقود Kubernetes

عناقيد Kubernetes

تنسق Kubernetes عناقيد من الحواسيب عالية التوفّر المتصلة في ما بينها للعمل كوحدة منفردة. تسمح لك التجريدات (Abstractions) في Kubernetes بنشر تطبيقات تعمل ضمن حاويات على عنقود دون ربط الحاويّات بأجهزة مخصوصة. للاستفادة من هذا النموذج الجديد للنشر، يجب تحزيم التطبيقات بطريقة تفصلها عن المضيفات الفردية، أي أنه يجب وضعها في حاويات. التطبيقات العاملة ضمن حاويات أكثر مرونة وتوفّرًا مما كانت عليه في نماذج النشر السابقة، إذ كانت التطبيقات تثبّت مباشرة على أجهزة معينة بصيغة حزم مدمجة شديدة الارتباط بالمضيف. يؤتمت Kubernetes عمليات توزيع حاويّات التطبيقات وجدولتها على عنقود من المضيفات بطريقة أكثر كفاءة. Kubernetes هي منصة مفتوحة المصدر وجاهزة للإنتاج.

يتكون عنقود Kubernetes من نوعين من الموارد:

القبطان (The Master) الذي ينسق عمل العنقود.
العُقَد (Nodes) وهي الموارد العاملة على تشغيل التطبيق.

مخطط عنقود

القبطان هو المسؤول عن إدارة الدفة. ينسّق القبطان جميع الأنشطة في العنقود، مثل جدولة التطبيقات، والحفاظ على الحالة المرغوبة، وتحجيم التطبيقات، وطرح تحديثات جديدة.

العقدة هي آلة افتراضية (VM) أو حاسوب فيزيائي يُستخدم كآلة عاملة في عنقود Kubernetes. تحتوي كل عقدة على Kubelet، وهو وكيل لإدارة العقدة والتواصل مع القبطان. يجب أن تحتوي العقدة أيضًا على أدوات للتعامل مع عمليات الحاوية، مثل Docker أو rkt. يجب أن يحتوي عنقود Kubernetes الذي يتعامل مع حركة البيانات في بيئة إنتاج على ثلاث عقد على الأقل.

عندما تنشر تطبيقات على Kubernetes، فأنت تطلب من القبطان تشغيل حاويات التطبيقات. يجدول القبطان الحاويات لتعمل على عقد العنقود. **تتواصل العُقَد مع القبطان باستخدام واجهة تطبيقات Kubernetes التي يبرزها القبطان. يمكن للمستخدمين النهائيين أيضًا استخدام واجهة تطبيقات Kubernetes مباشرةً للتفاعل مع العنقود.

يمكن نشر عنقود Kubernetes على الأجهزة الفيزيائية أو الافتراضية على حد السواء. يمكنك بدء التطوير على Kubernetes باستخدام Minikube، وهو إصدار مخفّف من Kubernetes ينشئ آلة افتراضية على جهازك المحلي وينشر عنقودًا بسيطًا يحتوي على عقدة واحدة فقط. يتوفر Minikube لأنظمة لينكس و ماك وويندوز. توفّر طرفية Minikube عمليات التمهيد الأساسية للعمل مع العناقيد، بما في ذلك البدء (Start) والإيقاف (Stop) والحالة (Status) والحذف (Delete).

توجد على هذه الصفحة طرفية جاهزة للاستخدام يُثبّت عليها Minikube مسبقا.

2. نشر تطبيق باستخدام kubectl

عمليات النشر في Kubernetes

يمكن نشر تطبيقات تعمل على حاويّات ضمن منصة Kubernetes بمجرّد توفر عنقود قيد التشغيل. لذا أنشئ إعدادات نشر (Deployment). يوجِّه كائن النشر Kubernetes إلى كيفية إنشاء نظائر (Instances) للتطبيق وتحديثها. يجدول قبطان Kubernetes، بعد إعداد كائن النشر، نظائر التطبيق للعمل على عقد العنقود.

تراقب وحدة تحكم (Controller) باستمرار عمل النظائر بعد إنشائها. إنْ تعطلت عقدة مضيفة أو حذفت، فإن وحدة التحكم تستبدلها بعقدة أخرى من العنقود ليعمل عليها التطبيق، ممّا يوفّر آلية للإصلاح الذاتي لمعالجة إخفاق الآلة أو لصيانتها.

في عالم ما قبل التنسيق، غالبًا ما كان تُشتخدَم سكربتات تثبيت لبدء التطبيقات، لكن لم توفر الحلول حينئذٍ لاستعادة عمل التطبيق عند إخفاق الآلة. من خلال إنشاء نظائر لتطبيقك والحفاظ على تشغيلها عبر العُقَد، توفر عمليات النشر في Kubernetes نهجًا مختلفًا جذريًا لإدارة التطبيقات.

نشر تطبيقك الأول على Kubernetes

يمكنك إنشاء عملية نشر وإدارتها باستخدام واجهة سطر أوامر Kubernetes ‏(Kubectl). يستخدم Kubectl واجهة برمجة تطبيقات Kubernetes للتفاعل مع العنقود. في هذا الجزء، ستتعلم أوامر Kubectl الأكثر شيوعًا اللازمة لإنشاء عمليات النشر التي تشغّل تطبيقاتك على عنقود Kubernetes.

عندما تنشئ عملية نشر، ستحتاج إلى تحديد صورة حاوية التطبيق وعدد النظائر التي تريد تشغيلها. يمكنك تغيير هذه المعلومات لاحقًا عن طريق تحديث النشر. تناقش النقطتان 5 و 6 من هذا الدرس كيفية تحجيم عمليات النشر وتحديثها.

بالنسبة إلى عملية النشر الأولى، ستستخدم تطبيق Node.js معبَّأ في حاوية Docker. (إذا لم تكن قد حاولت بالفعل إنشاء تطبيق Node.js ونشره باستخدام حاوية، فيمكنك القيام بذلك أولاً باتباع الإرشادات من مقال مدخل إلى Kubernetes.

3. استكشاف التطبيق: عرض العناقيد والعُقد

الكائنات من نوع Pod

عندما أنشأت عملية نشر في الجزء 2 أعلاه، أنشأ Kubernetes كائنًا من نوع Pod لاستضافة نظير من التطبيق. كائنات Pod هي تجريد Kubernetes لتمثيل مجموعة واحدة أو أكثر من حاويات التطبيقات (مثل Docker أو rkt)، إضافة إلى موارد مشتركة بين تلك الحاويات. تشمل تلك الموارد:

التخزين المشترك، بصيغة تجزئات (Partitions).
الشبكات، مثل عنوان IP فريد لكل عنقود.
معلومات حول كيفية تشغيل كل حاوية، مثل إصدار صورة الحاوية أو منافذ معينة لاستخدامها.

يصمّم كائن Pod "مضيفًا منطقيًّا" خاصًّا بالتطبيق، ويمكن أن يحتوي على حاويات تطبيق مختلفة مقترنة في ما بينها بإحكام نسبيًا. على سبيل المثال، قد يحتوي الكائن على حاوية تطبيق Node.js بالإضافة إلى حاوية أخرى تغذي البيانات التي سينشرها خادم الويب Node.js الذي يعمل في الحاوية الأولى. تشترك الحاويات الموجودة في كائن واحد عنوانَ IP وفضاء منافذ (Port Space)، كما أنها تشترك دائمًا العقدة والجدولة، وتعمل في سياق مشترك على العقدة نفسها.

كائنات Pod هي أصغر وحدة على منصة Kubernetes. عندما تنشئ عملية نشر فإن هذا النشر ينشئ كائنات Pod مع حاويات بداخل الكائن (بدلًا من إنشاء حاويات مباشرة). يرتبط كل كائن Pod بالعقدة التي جُدولت عليها، وتظل هناك حتى الإنهاء (وفقًا لسياسة إعادة التشغيل) أو الحذف. في حالة إخفاق العقدة، تُجدول كائنات Pod متطابقة على العقد الأخرى المتاحة في العنقود.

نظرة عامة على كائنات Pod

عقد Kubernetes

تُشَغَّل كائنات Pod دائمًا على عقدة. العقدة هي آلة عاملة في Kubernetes وقد تكون إما آلة افتراضية أو فيزيائية، حسب العنقود. يدير القبطان كل العُقد. يمكن أن تحتوي العُقدة على عدة كائنات Pod. يتولّى القبطان في Kubernetes جدولة كائنات Pod تلقائيًا على عقد العنقود. تأخذ الجدولة التلقائية من طرف القبطان في الاعتبار الموارد المتاحة لكل عقدة.

تُشغِّل كل عقدة Kubernetes على الأقل:

Kubelet، عملية مسؤولة عن التواصل بين القبطان و العُقدة؛ تُدير كائنات Pod والحاويات التي تعمل على الجهاز.
بيئة تشغيل حاويات (مثل Docker وrkt) مسؤولة عن سحب صورة الحاوية من تقييد (Registry)، فك ضغط الحاوية، وتشغيل التطبيق.

اقتباس

لا تجوز جدولة حاويّات معًا في كائن Pod واحد إلّا إذا كانت مرتبطة ارتباطًا وثيقًا وتحتاج لتقاسم موارد مثل قرص التخزين.

نظرة عامة على العقد

استكشاف الأخطاء وإصلاحها باستخدام kubectl

تحدّثنا في الجزء 2 أعلاه عن واجهة سطر الأوامر kubectl. سنستمر في الحديث عنه في هذا الجزء للحصول على معلومات حول التطبيقات المنشورة وبيئاتها. يمكن تنفيذ العمليات الأكثر شيوعًا باستخدام أوامر kubectl التالية:

kubectl get - سرد الموارد.
kubectl describe - عرض معلومات تفصيلية حول مورد.
kubectl logs - طباعة السجلات من حاوية في كائن Pod.
kubectl exec - تنفيذ أمر على حاوية في كائن Pod.

يمكنك استخدام هذه الأوامر لمعرفة متى نُشرت التطبيقات، وما حالاتها الراهنة، وأين تعمل وما إعداداتها. الآن بعد أن عرفنا المزيد عن مكونات المجموعة لدينا وسطر الأوامر، دعنا نستكشف تطبيقنا.

توجد على هذا الرابط بيئة تفاعلية لعرض العناقيد والعقد واستكشاف أوامر kubectl.

4. الإعلان عن التطبيق للعموم

استخدام خدمة للإعلان عن التطبيق الخاص بك

نظرة عامة على خدمات Kubernetes

كائنات Pod في Kubernetes فانية. وهي في الواقع لها دورة حياة. عند توقّف عقدة عاملة تفقد كل كائنات Pod التي تعمل كانت تعمل على العقدة. قد تعيد وحدة التحكم ReplicaSet بعد ذلك العنقود ديناميكيًّا إلى الحالة المرغوبة من خلال إنشاء كائنات Pod جديدة للحفاظ على تشغيل التطبيق الخاص بك. مثال آخر، فلنفترض سندًا (Backend) لمعالجة الصور مع ثلاث حاويّات متماثلة. هذه النسخ المتماثلة قابلة للاستبدال؛ يجب ألا يهتم نظام الواجهة الأمامية بالنسخ المتماثلة للسند أو حتى في حالة فقد كائن Pod وإعادة إنشائه. ومع ذلك، فإن كل كائن Pod في عنقود Kubernetes له عنوان IP فريد، حتى الكائنات على العقدة نفسها. لذا يجب أن تكون هناك طريقة للتوفيق بين التغييرات تلقائيًا بين كائنات Pod حتى تستمر تطبيقاتك في العمل.

الخدمة في Kubernetes عبارة عن تجريد يعرّف مجموعة منطقية من كائنات Pod وسياسة للوصول إليها. تتيح الخدمات اقترانًا فضفاضًا بين كائنات Pod المترابطة في ما بينها. تُعرّف الخدمة باستخدام YAML (وهي الوسيلة المفضّلة) أو JSON، مثل جميع كائنات Kubernetes. عادةً ما تُحدّذ مجموعة كائنات Pod التي تستهدفها الخدمة بواسطة كائن من النوع LabelSelector (انظر أدناه لمعرفة الحالات التي قد تدعوك لإنشاء خدمة بطريقة مغايرة).

على الرغم من أن كل كائن Pod لديه عنوان IP فريد، إلّا أنّ تلك العناوين لا تُعرَض خارج العنقود بدون خدمة. تسمح الخدمات لتطبيقاتك بتلقي حركة المرور. يمكن الإعلان عن الخدمات بطرق مختلفة عن طريق تحديد النوع type في ServiceSpec:

ClusterIP (قيمة افتراضية): يعرض الخدمة على عنوان IP داخلي في العنقود. يجعل هذا النوع الوصول للخدمة متاحًا فقط من داخل العنقود.
NodePort: يعرض الخدمة على نفس المنفذ لكل عقدة محددة في العنقود باستخدام ترجمة عناوين الشبكة (NAT). يتيح الوصول إلى خدمة من خارج العنقود باستخدام عنوان IP العنقود ورقم المنفذ (<NodeIP>:<NodePort>). امتداد للطريقة السابقة (ClusterIP).
LoadBalancer : ينشئ موازن حِمْل خارجي في السحابة الحالية (إذا كانت تدعم ذلك) ويعين عنوان IP ثابتًا خارجيًا للخدمة. امتداد للطريقة السابقة (NodePort).
ExternalName: يُعلن عن الخدمة باستخدام اسم عشوائي (محدد بواسطة القيمة externalName في المواصفات spec) عن طريق إرجاع سجل CNAME يتضمّن الاسم. لا يُستخدَم أي وكيل (Proxy). يتطلب هذا النوع الإصدار v1.7 أو أعلى من حزمة kube-dns.

يمكن العثور على مزيد من المعلومات حول الأنواع المختلفة من الخدمات في الدرس التالي، وأيضًا من خلال هذا المقال.

بالإضافة إلى ذلك، يُرجى ملاحظة أن هناك حالات استخدام لا تتضمن فيها الخدمات تحديد حقل selector في المواصفات (spec). لن تنشئ الخدمة في تلك الحالة الكائن الطرفي (Endpoint object) المقابل، وهو ما يسمح للمستخدمين بالتعيين اليدوي للنقاط الطرفية للخدمة. توجد إمكانية أخرى لعدم وجود حقل selector وهي أنك تستخدم النوع ExternalName.

الخدمات واللصائق (Labels)

توجّه الخدمة البيانات عبر مجموعة من كائنات Pod. الخدمات هي طبقة تجريد تسمح بزوال كائنات Pod وتكرارها دون التأثير على عمل التطبيق في بيئة Kubernetes. تتولّى خدمات Kubernetes اكتشاف كائنات Pod المترابطة (مثل تطبيق يتكوّن من سند وواجهة أمامية) والتوجيه بينها.

تتعرّف الخدمات على كائنات Pod المترابطة من خلال المحدّدات واللصائق (Selectors and Labels). المحدّدات هي دوال للتجميع تسمح بإجراء عمليات منطقية على كائنات Kubernetes، أمّا اللصائق فهي أزواج مفاتيح وقيم (Key/Value) مرفقة بالكائنات، ويمكن استخدامها بأي واحدة من الطرق التالية:

تعيين كائنات للتطوير والاختبار والإنتاج،
تضمين وسوم الإصدار،
تصنيف كائن حسب الوسوم.

يمكن إرفاق التسميات أو اللصائق (label) بالكائنات في وقت الإنشاء أو لاحقا. يمكن تعديلها في أي وقت.

تجربة تفاعلية لعرض التطبيق للعموم باستخدام خدمات Kubernetes.

5. تحجيم التطبيق

تشغيل نُسَخ متعددة للتطبيق

رأينا أعلاه كيفية إنشاء عملية نشر (Deplyment)، ثم كيفية الإعلان عنها للعموم عبر خدمة. أنشأت عملية النشر كائن Pod واحدًا لتشغيل التطبيق. عندما تزداد حركة البيانات، سنحتاج إلى تحجيم (Scaling) التطبيق لمواكبة طلب المستخدم.

يتحقّق التحجيم عن طريق تغيير عدد النظائر المنشورة.

نظرة عامة على التحجيم

سيضمن تحجيم النشر إنشاء كائنات Pod جديدة وجدولتها على العقد ذات الموارد المتاحة. سيؤدي التحجيم إلى زيادة عدد كائنات Pod إلى الحالة المرغوبة الجديدة. يدعم Kubernetes أيضًا التحجيم التلقائي Autoscaling لكائنات Pod، ولكنّ ذلك خارج نطاق هذا الدرس. التحجيم باتجاه الصفر ممكن أيضًا، وسيؤدي إلى إنهاء جميع كائنات Pod في عملية النشر المحددة.

اقتباس

يتحقق التحجيم عن طريق تغيير عدد النظائر الموجودة في النشر.

يتطلب تشغيل نسخ متعددة من تطبيق ما طريقة لتوزيع حركة البيانات عليها جميعا. تتضمّن الخدمات موازِن حِمل متكامل من شأنه أن يوزِّع البيانات المارة في الشبكة على جميع كائنات Pod الموجود ضمن نشر متاح للعموم. تراقب الخدماتُ كائنات Pod العاملة باستمرار باستخدام النقاط الطرفية لضمان إرسال البيانات إلى كائنات Pod المتاحة فقط.

بمجرد أن يكون لديك نُسَخ متعددة للتطبيق قيد التشغيل، ستتمكن من دحرجة التحديثات دون توقف. سنغطي ذلك في الأجزاء التالية، وهو ما سنراه في الجزء اللاحق.

يمكنك تجربة تحجيم التطبيق (بتوسيعه أو تقليصه) عبر هذه الطرفية التفاعلية.

6. تحديث التطبيق

التحديث المتدحرج (Rolling update)

يتوقع المستخدمون أن تكون التطبيقات متاحة طوال الوقت، ويُنتظر من المطورين أن ينشروا إصدارات جديدة منها عدة مرات في اليوم. في Kubernetes يتم ذلك عن طريق التحديثات المتدحرجة. تسمح التحديثات المتدحرجة بتحديث عمليات النشر دون توقف عن طريق التحديث التدريجي بإحلال كائنات Pod جديدة تدريجيًّا مكان الكائنات الحالية. تُجدول كائنات Pod الجديدة على العُقد التي لديها موارد متاحة.

تحدّثنا في الجزء السابق عن تحجيم التطبيق لتشغيل نُسَخ متعددة. هذا الأمر مطلوب لإجراء التحديثات دون التأثير على توفر التطبيق. افتراضيًّا، الحد الأقصى لعدد كائنات Pod التي يمكن أن تكون غير متاحة ولعدد كائنات Pod الجديدة التي يمكن إنشاؤها أثناء التحديث، هو واحد. يمكن ضبط كل واحد من الخيارين إما بالأرقام أو بالنسب المئوية (من كائنات Pod). تؤصدر (Versioned) التحديثات في Kubernetes، ويمكن التراجع عن أي تحديث نشر إلى إصدار سابق (مستقر).

اقتباس

تسمح التحديثات المتدحرجة بتحديث عمليات النشر دون توقف عن طريق التحديث التدريجي بإحلال كائنات Pod جديدة تدريجيًّا مكان الكائنات الحالية.

نظرة عامة على التحديثات المتدحرجة

على غرار تحجيم التطبيق، إذا كان النشر متاحًا للعموم، فإن الخدمة ستوازن حركة البيانات فقط بين كائنات Pod المتاحة أثناء التحديث. كائن Pod متاح هو نظير متوفّر لمستخدمي التطبيق.