Kubernetes: o que é e como funciona na aplicação em nuvem

O que é Kubernetes 

Kubernetes (ou K8s) é uma plataforma de orquestração de containers de código aberto que automatiza a implantação, o escalonamento e o gerenciamento de aplicações conteinerizadas que foi criada originalmente pelo Google. 

O sistema agrupa containers em unidades chamadas “pods“, gerencia a alocação de recursos de forma inteligente e realiza balanceamento de carga automaticamente. Além disso, ele oferece mecanismos para garantir que as aplicações estejam sempre funcionando conforme o esperado se algo falha, assim o Kubernetes reinicia ou replica containers automaticamente, sem você precisar ficar monitorando tudo manualmente.

Hoje, o Kubernetes é amplamente utilizado para facilitar o desenvolvimento, a escalabilidade e a operação de aplicações modernas baseadas em containers. Virou uma peça fundamental da infraestrutura de nuvem atual, praticamente um padrão da indústria.

Curiosidade: o nome “Kubernetes” vem do grego e significa “timoneiro” ou “piloto” aquele que guia o navio. Faz todo sentido, já que ele está lá para pilotar e orquestrar todos os seus containers.

Leia também

O que é computação em nuvem e por que ela é essencial para quem programa em Python?

Como o Kubernetes funciona

Entender como o Kubernetes funciona pode parecer complicado no começo, mas vou te mostrar que a estrutura dele é bem lógica quando você pega o jeito.

O Kubernetes trabalha com uma hierarquia de componentes que se encaixam de forma bem interessante.

Pods são a menor unidade do sistema. Pense neles como pequenos grupos de um ou mais containers que estão fortemente acoplados e compartilham recursos entre si, como redes e armazenamento. Cada pod representa uma instância de uma aplicação ou serviço específico. É a unidade básica com a qual você vai trabalhar no dia a dia.

Nodes são as máquinas, que podem ser físicas ou virtuais, onde os pods realmente rodam. Cada node executa processos fundamentais para manter tudo funcionando direitinho, como o kubelet e o kube-proxy (vou explicar esses dois logo abaixo).

Clusters são o conjunto completo de nodes gerenciado de forma centralizada pelo Kubernetes. O cluster também inclui o plano de controle, que orquestra todos os nodes e garante que tudo esteja rodando conforme esperado.

Principais componentes do Kubernetes

Aqui é onde a mágica acontece de verdade. O Kubernetes tem vários componentes trabalhando juntos, e cada um tem sua função específica.

Control Plane (Plano de controle) é o cérebro da operação. Ele centraliza as decisões do cluster, como agendar pods, manter o estado desejado das aplicações e gerenciar eventos. 

O plano de controle é composto por várias partes importantes:

O Kube-apiserver funciona como a interface de comunicação do cluster. Tudo passa por ele, basicamente. Já o Etcd é um banco de dados chave-valor que armazena toda a configuração e o estado atual do cluster. Sem ele, o Kubernetes não saberia o que está acontecendo.

O Kube-scheduler é o componente que decide em qual node cada pod será executado, levando em conta recursos disponíveis e outras restrições. E o Kube-controller-manager controla o estado do cluster, garantindo que o estado atual sempre se aproxime do estado desejado. Se algo sair do lugar, ele age para corrigir.

Kubelet é um agente que roda em cada node. Ele recebe instruções do plano de controle e garante que os containers definidos estejam rodando nos pods daquele node específico. Se um container falha, o kubelet tenta reiniciá-lo ou acerta o estado para voltar ao normal.

Kube-proxy gerencia as regras de rede em cada node. Ele encaminha o tráfego interno e externo entre os pods, nodes e serviços, facilitando a comunicação entre todos os componentes do Kubernetes. Pode usar regras do sistema operacional ou sua própria lógica para isso.

Kubernetes Dashboard

O Kubernetes Dashboard é uma interface web que muita gente acha útil, porque nem todo mundo quer ficar digitando comandos o tempo todo. Por meio do dashboard, você consegue fazer várias coisas de forma visual:

• Monitorar o estado dos pods, nodes e serviços em tempo real;
• Implantar novas aplicações rapidamente com alguns cliques;
• Visualizar eventos e logs para entender o que está rolando;
• Gerenciar usuários, permissões e configurações do cluster.

O dashboard facilita bastante o uso para quem prefere uma interface gráfica, tornando tarefas como modificações de pods ou escalar réplicas mais acessíveis, sem precisar decorar um monte de comandos. É bastante útil quando você está começando ou precisa fazer mudanças rápidas.

Leia também

Containers: transformando o desenvolvimento em Python

Kubernetes vs Docker: entenda as diferenças

Muita gente confunde Docker e Kubernetes ou acha que são a mesma coisa, mas na verdade eles são tecnologias relacionadas que trabalham em níveis diferentes do ecossistema de containers.

Docker é uma plataforma focada em criar, empacotar, distribuir e executar containers individualmente. Pense nele como a ferramenta que permite aos desenvolvedores criarem ambientes isolados para suas aplicações, com tudo o que elas precisam para rodar bibliotecas, dependências, configurações. Isso garante portabilidade e consistência, porque o que funciona na máquina do desenvolvedor vai funcionar em qualquer outro lugar. 

Leia também

Docker: a solução para ambientes de desenvolvimento

Kubernetes, por outro lado, é um sistema de orquestração que gerencia múltiplos containers distribuídos em um cluster de máquinas. Enquanto o Docker cuida de containers individuais, o Kubernetes entra em cena quando você precisa coordenar dezenas, centenas ou até milhares deles. Ele organiza esses containers em pods, agenda onde e quando devem ser executados, automatiza o balanceamento de carga, cuida da escalabilidade e faz recuperação automática em caso de falhas. O objetivo é garantir que aplicações conteinerizadas rodem de forma estável e eficiente na produção.

Vale mencionar que o Docker oferece também o Docker Swarm, que é uma ferramenta básica de orquestração. Porém, o Kubernetes se tornou a solução padrão para orquestração de containers, e isso não é à toa. A robustez dele e a ampla adoção pela comunidade e pelos provedores de nuvem fizeram com que virasse praticamente o padrão da indústria. O Docker Swarm é mais simples e pode funcionar bem para casos menores, mas quando o negócio cresce, a maioria acaba migrando para Kubernetes mesmo.

Faça o curso completo

Docker do Zero: como usar e criar containers rodando Python

Kubernetes nas principais nuvens (AWS, Azure e GCP)

O Kubernetes está disponível como serviço gerenciado nas três principais nuvens públicas: AWS (EKS), Azure (AKS) e Google Cloud (GKE). Cada uma dessas plataformas oferece facilidades e integrações específicas que fazem sentido dentro do próprio ecossistema delas.

AWS EKS (Elastic Kubernetes Service)

A Amazon Web Services oferece o EKS, que simplifica bastante o gerenciamento do Kubernetes. A AWS cuida do plano de controle do Kubernetes para você, incluindo atualizações e patches de segurança, o que já tira uma boa dor de cabeça.

A integração com serviços AWS é um dos pontos fortes. Você consegue conectar facilmente seus clusters a outros serviços nativos da Amazon, como o RDS para bancos de dados, S3 para armazenamento, IAM para gestão de permissões e CloudWatch para monitoramento. 

Um exemplo prático: dá para definir políticas de IAM por pod, controlando com precisão quais recursos cada aplicação pode acessar.

O EKS integra com o Auto Scaling Groups e o Load Balancer da AWS, facilitando escalar seus pods e nodes conforme a demanda de tráfego ou uso de recursos aumenta. Além disso, os recursos para rede e segurança são robustos, é compatível nativamente com VPC, Security Groups e utiliza o AWS PrivateLink para conexões seguras entre serviços.

Leia também

O que é Amazon Web Services (AWS) e seus serviços?

Azure Kubernetes Service (AKS)

O AKS da Microsoft tem um foco forte em automação DevOps. A plataforma permite integração direta com o Azure DevOps, o que facilita bastante implementar pipelines CI/CD para automação de deploy, testes e gerência de versões. As aplicações podem passar pelo build, teste e deploy diretamente para o cluster AKS sem muita fricção.

A gestão de identidade e segurança utiliza o Active Directory (AD) para autenticação, trabalha com RBAC (controle de acesso por função) e integra com o Azure Key Vault para guardar segredos como tokens e certificados de forma segura.

A Azure cuida do plano de controle e oferece ferramentas robustas de monitoramento através do Azure Monitor, além de diagnósticos e escalabilidade automática. A configuração de redes e regras de firewall também é facilitada, tornando a operação menos complexa no dia a dia.

Google Kubernetes Engine (GKE)

O GKE tem uma vantagem interessante: foi projetado desde o início para rodar Kubernetes, o que faz sentido já que o Google criou o projeto original. Isso se traduz em uma plataforma nativa que funciona de forma muito natural.

A otimização e performance do GKE são notáveis. Ele oferece upgrades automáticos do cluster, gerenciamento de versões e integra com recursos avançados do Google Cloud, como gerenciamento de identidade, Stackdriver para monitoramento e logs e Cloud Functions.

Quando falamos de escalabilidade, o GKE usa tecnologias próprias do Google, como instâncias preemptivas e escalonamento automático de nodes e pods. Isso permite ajustar os recursos de forma rápida e econômica, pois você paga apenas pelo que realmente precisa usar.

O networking e balanceamento de carga também são simples de configurar. Além disso, dá para criar balanceamento de carga global, trabalhar com rede privada, e as integrações com outros serviços do Google (como BigQuery e Cloud Storage) acontecem de forma bem transparente, sem complicação.

Leia também

GCP: tudo o que você precisa saber para começar com Python

Ferramentas e extensões do ecossistema Kubernetes

O Kubernetes por si só já é poderoso, mas existem várias ferramentas e extensões no ecossistema dele que facilitam bastante o gerenciamento e a automação das aplicações no dia a dia.

Helm

O Helm funciona como um gerenciador de pacotes para Kubernetes. Pense nele como o apt ou yum, mas para aplicações Kubernetes. Ele simplifica a implantação e o gerenciamento de aplicações agrupando todos os arquivos de configuração em um pacote chamado “chart”.

Com o Helm, você consegue instalar, atualizar e gerenciar versões das aplicações de forma bem mais fácil, evitando aquela complexidade de lidar manualmente com múltiplos arquivos YAML que podem virar uma bagunça rapidamente. Além disso, o Helm oferece funcionalidades de rollback, ou seja, se você implantar uma versão nova e algo der errado, dá para retornar para versões anteriores das aplicações sem muito sofrimento.

Kubectl

O Kubectl é a ferramenta de linha de comando oficial para interagir com clusters Kubernetes. Basicamente, é através dele que você vai fazer quase tudo no Kubernetes quando estiver trabalhando via terminal.

Por meio do kubectl você pode criar, atualizar, deletar e monitorar recursos dentro do cluster. Dá para executar comandos diretamente em containers, acessar logs para debugar problemas, escalar aplicações aumentando ou diminuindo réplicas, entre outras tarefas operacionais essenciais. É uma ferramenta que você vai usar constantemente, então vale a pena se familiarizar com os comandos principais.

PVC (Persistent Volume Claims)

Os PVCs são o mecanismo usado para garantir armazenamento persistente para containers dentro do Kubernetes. Isso é importante porque, por padrão, quando um container morre, todos os dados dentro dele vão embora juntos.

Um PVC permite que um pod solicite armazenamento de forma dinâmica ou estática, garantindo que dados importantes não sejam perdidos mesmo que o pod seja reiniciado ou movido para outro node. É essencial para aplicações que precisam manter estado, como bancos de dados, sistemas de arquivos ou qualquer coisa que armazene informações que não podem simplesmente desaparecer.

Kubernetes Operators

Os Kubernetes Operators são extensões bem interessantes que encapsulam operações complexas de aplicações rodando no Kubernetes. Eles automatizam tarefas como deploy, backup, upgrades e recuperação de forma inteligente.

Os Operators usam a API do Kubernetes para criar controladores customizados que gerenciam aplicações específicas. Isso facilita muito o gerenciamento de sistemas complexos que vão além do ciclo padrão de vida dos pods. Por exemplo, se você precisa gerenciar um banco de dados PostgreSQL ou MongoDB no Kubernetes, existem Operators específicos que sabem como fazer backup, escalar, atualizar versões e recuperar de falhas de forma automatizada, sem você precisar fazer tudo manualmente.

Leia também

Kubeflow: o que é e como usar com Python

Aprenda Python e crie seu primeiro chatbot com IA!

Se você chegou até aqui e se interessou por tecnologias como Kubernetes e containers, provavelmente já percebeu que saber programar abre um mundo de possibilidades. E não há melhor linguagem para começar do que Python, principalmente quando falamos de inteligência artificial.

No curso “Python para IA: do zero ao primeiro chatbot“, da Asimov Academy, você vai:

• Aprender Python do absoluto zero, sem precisar de experiência prévia;
• Criar um chatbot prático que interage com seus próprios dados;
• Trabalhar com a biblioteca LangChain para aplicações reais de IA;
• Automatizar processos e economizar tempo no seu dia a dia;
• Desenvolver habilidades que vão te destacar no mercado.

Este curso foi pensado para quem nunca programou antes, mas quer explorar o fascinante mundo da inteligência artificial. 

Comece agora e crie seu primeiro chatbot com Python!