Kubernetes

Kubernetes ist eine herstellerunabhängige Open-Source-Plattform zur Automatisierung der Bereitstellung, Skalierung und Verwaltung von containerisierten Anwendungen über Server-Cluster hinweg. Die Kernaufgabe besteht in der Abstraktion der zugrundeliegenden Hardware-Infrastruktur: Kubernetes überwacht kontinuierlich den Soll-Zustand der Anwendungen, verteilt Ausführungseinheiten optimal auf verfügbare Rechenknoten und stellt die hohe Verfügbarkeit der Dienste sicher.

Ein Pod ist die kleinste bereitstellbare Ausführungseinheit in Kubernetes. Er umfasst einen oder mehrere eng gekoppelte Container, die sich gemeinsame Ressourcen wie Netzwerkspeicher und IP-Adressräume teilen (Shared Network Namespace). Während Container einzelne Anwendungsprozesse kapseln, bildet ein Pod eine logische Anwendungsinstanz. Container innerhalb desselben Pods können direkt über die lokale Schleifenschnittstelle (localhost) miteinander kommunizieren.

Die Steuerungsebene (Control Plane) trifft globale Entscheidungen im Cluster und reagiert auf Ereignisse. Sie besteht aus vier Hauptkomponenten: Dem zentralen API-Server (kube-apiserver) als Kommunikationsdrehscheibe, dem verteilten Schlüsselspeicher etcd zur persistenten Sicherung des Cluster-Zustands, dem Verteilungsdienst (kube-scheduler) zur Zuordnung von Pods auf Rechenknoten sowie dem kube-controller-manager, der Regelkreise zur Durchsetzung des Soll-Zustands steuert.

Die Worker-Knoten stellen die eigentliche Rechenkapazität für die Arbeitslasten bereit. Auf jedem Knoten laufen drei Kernkomponenten: Der Knotendienst kubelet, der Anweisungen der Steuerungsebene entgegennimmt und den Zustand der Pods lokal überwacht; eine OCI-konforme Container-Laufzeitumgebung (z. B. containerd oder CRI-O), welche die Container ausführt; sowie der Netzwerk-Proxy kube-proxy, der Netzwerkregeln auf den Knoten pflegt und das Routing innerhalb des Clusters ermöglicht.

Dies sind Diensttypen (Services) zur Bereitstellung von Netzwerkzugriffen auf Pods: ClusterIP ist der Standardtyp und stellt einen Dienst ausschließlich über eine interne Cluster-IP-Adresse bereit. NodePort öffnet einen spezifischen Port auf allen Worker-Knoten und leitet externen Datenverkehr an die internen Pods weiter. LoadBalancer erweitert NodePort um die automatische Anbindung an externe, physikalische oder cloudbasierte Lastverteiler.

Ein Ingress-Controller ist ein spezialisierter Lastverteiler auf Anwendungsebene (Schicht 7 des OSI-Modells), der den eingehenden HTTP- und HTTPS-Datenverkehr von außerhalb des Clusters an die internen Dienste steuert. Er ermöglicht Pfad- und Host-basiertes Routing (z. B. Weiterleitung nach Domainnamen), die zentrale Entschlüsselung von TLS/SSL-Zertifikaten sowie die Konsolidierung externer Zugriffspunkte, um die Anzahl benötigter externer IP-Adressen zu minimieren.

Da Pods ephemer (flüchtig) sind, entkoppelt Kubernetes den Speicher vom Lebenszyklus der Anwendungsinstanzen. Über Persistent Volumes (PV) stellt der Administrator physischen oder virtuellen Speicher bereit (z. B. per SAN, NFS oder CSI-Anbindung). Entwickler fordern diesen Speicher über Persistent Volume Claims (PVC) an. Das Container Storage Interface (CSI) dient dabei als standardisierte Schnittstelle zur Einbindung externer Speichersysteme.

Bei der deklarativen Konfiguration beschreibt der Administrator in YAML- oder JSON-Dateien den gewünschten Zielzustand (Soll-Zustand) der Infrastruktur, anstatt einzelne Befehle manuell auszuführen. Der Abstimmungsregelkreis (Reconciliation Loop) in den Controllern vergleicht diesen Soll-Zustand kontinuierlich mit dem tatsächlichen Ist-Zustand im Cluster. Weicht der Ist-Zustand ab – etwa durch den Ausfall eines Knotens –, leitet Kubernetes automatisch Korrekturmaßnahmen ein (Selbstheilung).

Namensräume (Namespaces) unterteilen einen physischen Kubernetes-Cluster in logische, voneinander isolierte Segmente für verschiedene Teams, Projekte oder Umgebungen (z. B. Entwicklung, Test, Produktion). In Kombination mit der rollenbasierten Zugriffskontrolle (RBAC - Role-Based Access Control) lässt sich feingranular festlegen, welche Benutzer oder Dienstkonten (Service Accounts) welche Aktionen auf welchen Ressourcen innerhalb eines Namensraums ausführen dürfen.

Ein Operator erweitert die native Kubernetes-API um anwendungsspezifisches Betriebswissen. Er kombiniert benutzerdefinierte Ressourcenressourcendefinitionen (Custom Resource Definitions, CRDs) mit eigenen Steuerungseinheiten (Custom Controllers). Operatoren automatisieren komplexe, zustandsbehaftete Anwendungen (z. B. Datenbanken oder Messaging-Systeme), indem sie Aufgaben wie Datensicherungen, Failover-Szenarien oder Version-Upgrades vollautomatisch und ohne manuellen Eingriff durch den Administrator durchführen.