Estratégias de implementação do Kubernetes: como escolher a estratégia certa para suas aplicações

A estratégia de implementação escolhida pelas organizações pode definir o sucesso ou fracasso dos lançamentos de aplicações de software. Em ambientes Kubernetes, essa decisão impacta diretamente a disponibilidade de aplicações, a velocidade de desenvolvimento e os custos operacionais.

A diferença entre um lançamento tranquilo e um desastre na implementação geralmente se resume à seleção da abordagem certa para as necessidades e a tolerância ao risco de aplicativos específicos.

Com a adoção do Kubernetes continuando a crescer, as escolhas estratégicas de implementação se tornaram cada vez mais importantes para as equipes de DevOps e os resultados de negócios.

Uma pesquisa da Cloud Native Computing Foundation (CNCF) descobriu que 93% das organizações estão usando, realizando o piloto ou avaliando o Kubernetes.¹ Cada estratégia de implementação do Kubernetes oferece diferentes compensações entre velocidade, segurança e uso de recursos.

Uma implementação do Kubernetes é um recurso de alto nível que gerencia o ciclo de vida de aplicações sem estado em um cluster do Kubernetes. Ela fornece uma maneira declarativa de definir o estado pretendido da aplicação, incluindo o número de réplicas, imagens de contêineres e tratamento de atualizações.

Em vez de gerenciar contêineres ou pods individuais, as implementações oferecem às equipes uma camada de gerenciamento que lida com a orquestração complexa necessária para manter as aplicações funcionando de maneira confiável.

O Kubernetes, a plataforma de orquestração de contêineres de código aberto de fato, mudou fundamentalmente a forma como as organizações pensam sobre a implementação de aplicações. À medida que as empresas migravam de aplicações simples e monolíticas para arquiteturas complexas e distribuídas durante a migração para a nuvem, as abordagens tradicionais de implementação se tornaram impraticáveis e caras.

Inicialmente desenvolvido pelo Google e doado à CNCF em 2015, o Kubernetes alimenta a infraestrutura de TI essencial para a maioria das empresas no ranking Fortune 500. O Kubernetes automatiza a implementação, a escala e o gerenciamento em clusters de máquinas, permitindo que as equipes atualizem as aplicações várias vezes por dia, em vez de tratar as implementações como eventos pouco frequentes e de alto risco.

Antes do Kubernetes, as aplicações normalmente eram executadas em servidores dedicados ou em máquinas virtuais (VMs), o que tornava a escalabilidade cara e demorada. Enquanto o Docker popularizava os contêineres, o Kubernetes fornecia a camada de orquestração de contêineres para gerenciar esses contêineres em escala, organizando-os em pods, as menores unidades implementáveis.

Esses pods são executados em nós dentro de clusters, enquanto um plano de controle coordena todas as operações.

Essa arquitetura nativa da nuvem permite as estratégias sofisticadas de implementação que as aplicações conteinerizadas baseadas na nuvem modernas exigem. Desde lançamentos graduais até comutação instantânea de tráfego com balanceamento de carga, cada abordagem lida com perfis de risco e requisitos operacionais diferentes. O Kubernetes Service fornece identidades de rede estáveis e descoberta baseada em DNS para grupos de pods, permitindo padrões de comunicação confiáveis, mesmo quando instâncias individuais são atualizadas ou substituídas.

As implementações do Kubernetes gerenciam automaticamente os ciclos de vida das aplicações, mantendo o número pretendido de pods, lidando com atualizações e substituindo contêineres por meio de recursos de autocorreção.

Ao atualizar uma aplicação, as equipes definem como deve ser a nova versão em um arquivo YAML. Então, o Kubernetes lida com a orquestração complexa necessária para alcançar o estado pretendido em todo o cluster, criando novos pods enquanto gerencia a transição da versão anterior.

As equipes interagem com as implementações por meio do kubectl, a interface de linha de comando para clusters do Kubernetes. Elas aplicam arquivos de configuração YAML (por exemplo, deployment.yaml) que especificam a versão da API da implementação, os metadados e o estado definido na seção de especificação.

 Esses arquivos de configuração declarativos permitem o controle de versão e implementações repetíveis em diferentes ambientes. O controlador de implementação monitora e gerencia continuamente o ciclo de vida da implementação com base nessas especificações.

O processo automatizado do Kubernetes depende de cinco componentes essenciais trabalhando juntos, com a rede do Kubernetes permitindo a comunicação entre pods:

1. Especificação de modelos de pods: a especificação de modelos de pods define o blueprint para criar pods, incluindo imagens de contêineres, requisitos de recursos, variáveis de ambiente, montagens de volume, portas de contêineres e configuração de rede. Esse modelo garante consistência em todas as instâncias da aplicação.
   
   
2. Contagem de réplicas: a contagem de réplicas especifica quantas instâncias devem ser executadas simultaneamente. Os usuários podem ajustar essa configuração manual ou automaticamente por meio de autoescaladores de pods horizontais com base em métricas de monitoramento do Kubernetes, como uso da CPU, consumo de memória ou métricas de negócios personalizadas. As equipes podem monitorar o status do lançamento por meio de comandos kubectl rollout ou kubectl get para verificar o status da implementação e garantir que o número correto de pods esteja em execução durante as atualizações.
   
   
3. Rótulos de seletores: rótulos de seletores estabelecem conexões entre implementações e seus pods gerenciados por meio de correspondência baseada em rótulos. Esses seletores garantem que as implementações gerenciem os pods pelos quais são responsáveis, evitando conflitos de configuração em ambientes complexos.
   
   
4. Configuração da estratégia de atualização: a configuração da estratégia de atualização controla como as novas versões de uma aplicação são lançadas. Inclui configurações para o máximo de pods indisponíveis durante atualizações, capacidade de pico para cenários azuis-verdes e gatilhos de reversão para recuperação automática de falhas.
   
   
5. Configurações de gerenciamento de recursos: as configurações de gerenciamento de recursos definem solicitações e limites de CPU e memória para contêineres, garantindo a alocação ideal de recursos em todo o cluster e, ao mesmo tempo, evitando a contenção de recursos — crítico em ambientes multilocatários.

As organizações usam as implementações do Kubernetes em muitos contextos diferentes, cada um se beneficiando do gerenciamento automatizado do ciclo de vida e das estratégias de atualização flexíveis:

• Aplicações da web e APIs

• Microsserviços

• Cargas de trabalho de processamento em lote

• Fluxos de trabalho em multiambientes

• Pipelines de CI/CD

As aplicações da web e APIs mantêm a disponibilidade durante as atualizações enquanto se ajustam às demandas de tráfego. As plataformas de comércio eletrônico e os sistemas de gerenciamento de conteúdo se beneficiam particularmente da capacidade de atualizar funcionalidades sem interrupção do usuário.

Os serviços de back-end que lidam com processamento de dados ou lógica de negócios podem implementar independentemente das aplicações de front-end, com os controladores do Kubernetes Ingress gerenciando o roteamento de tráfego e o balanceamento de cargas entre as instâncias de serviços.

As arquiteturas de microsserviços coordenam atualizações em centenas de serviços independentes sem afetar todo o sistema. Esse recurso permite que as equipes implementem componentes individuais em cronogramas diferentes, mantendo a estabilidade geral do sistema.

Gráficos de Helm simplificam o gerenciamento de implementações complexas de microsserviços com configurações padronizadas e gerenciamento de dependências.

As cargas de trabalho de processamento em lote garantem a alocação consistente de recursos e recursos de reinicialização automática para tarefas de processamento de dados. A abstração da implementação simplifica o gerenciamento de pipelines de processamento complexos que precisam lidar com falhas de forma eficiente.

Os fluxos de trabalho multiambientes mantêm a consistência entre desenvolvimento, preparação e produção, ao mesmo tempo em que aplicam configurações específicas do ambiente. As equipes podem usar as mesmas definições de implementação em ambientes com diferentes contagens de réplicas, limites de recursos ou sinalizadores de funcionalidades, organizando as aplicações em namespaces para proporcionar separação lógica e isolamento de recursos.

Os pipelines de CI/CD usam implementações para automatizar todo o processo de entrega de software, desde a confirmação do código até a liberação de produção por meio da implementação contínua.

As implementações se integram perfeitamente a ferramentas e plataformas de integração contínua como o GitHub, possibilitando testes, construção e implementação automatizados com base em alterações de código, solicitações de recebimento ou lançamentos agendados.

As estratégias de implementação têm fundamentalmente a ver com o gerenciamento de riscos ao atualizar o software. No passado, os métodos tradicionais envolviam agendar janelas de manutenção e colocar os sistemas offline, o que era seguro, mas lento. O Kubernetes permite a atualização de aplicações sem downtime, implementação com mais frequência e redução do ônus da coordenação.

Diferentes estratégias de implementação do Kubernetes lidam com o risco de atualização de forma diferente. A escolha depende do que a aplicação faz, do que a equipe pode gerenciar e daquilo de que a empresa precisa.

As de estratégias de implementação do Kubernetes incluem os seguintes tipos:

• Recriar a implementação

• Implementação contínua de atualizações

• Implementação azul-verde

• Implementação canário

• Implementação invisível

• Implementação de testes A/B

Recriar as implementações desliga todas as instâncias existentes antes de iniciar novas instâncias. Esse recursos cria um breve downtime, mas evita problemas de compatibilidade de versões e conflitos de recursos.

Essa abordagem funciona bem para sistemas de processamento em lote, aplicações legadas e ambientes de desenvolvimento, onde a simplicidade operacional é mais importante do que o tempo de atividade. As equipes optam por recriar implementações quando podem aceitar um downtime curto em troca de um comportamento previsível.

As atualizações contínuas substituem as instâncias gradualmente, mantendo a aplicação disponível. Essa abordagem é a estratégia padrão do Kubernetes porque equilibra velocidade, uso de recursos e riscos.

Os CMSs geralmente usam atualizações contínuas para permitir a entrega contínua de funcionalidades sem interrupção do usuário. Entretanto, as aplicações devem ser projetadas para lidar com ambientes de versões mistas; se versões diferentes não puderem ser executadas juntas simultaneamente, as atualizações contínuas se tornarão problemáticas.

O Kubernetes substitui os pods antigos por novas instâncias de maneira gradual, permitindo que a versão anterior seja descontinuada sem problemas. As equipes podem iniciar esse processo por meio de comandos kubectl.

As implementações azuis-verdes mantêm dois ambientes de produção completos e alternam todo o tráfego instantaneamente entre eles. Essa estratégia permite a reversão instantânea, mas também dobra os custos de infraestrutura durante as implementações.

Sistemas de processamento de pagamentos, bancos de dados de clientes, serviços de autenticação e aplicações de conformidade regulatória usam implementações azuis-verdes quando os custos de infraestrutura são gerenciáveis em comparação com o risco de interrupção do serviço. As equipes podem executar uma validação completa no novo ambiente antes de trocar o tráfego.

As implementações canário direcionam uma pequena parte do tráfego para a nova versão enquanto monitoram o desempenho e as taxas de erro. As equipes aumentam gradualmente o tráfego até que todos usem a versão mais recente.

Essa estratégia permite que as equipes identifiquem problemas com uma base de usuários limitada, em vez de afetar todos os usuários. Ao direcionar um subconjunto do tráfego para a nova versão, as implementações canário ajudam a reduzir o risco de lançamento. Aplicativos móveis testando novas interfaces, plataformas SaaS validando melhorias de desempenho e sites de comércio eletrônico testando modificações de compras, tudo depende dessa estratégia de implementação.

As implementações invisíveis duplicam o tráfego de produção tanto para a versão atual (atendendo aos usuários) quanto para a nova versão (processando solicitações silenciosamente para testes). Os usuários não são expostos à versão invisível, mas as equipes recebem validação completa de desempenho em relação a cargas de trabalho reais.

As implementações invisíveis permitem que os sistemas testem novas funcionalidades em condições reais sem afetar os usuários. Os mecanismos de pesquisa os usam para testar algoritmos de classificação, sistemas de recomendação dependem deles para validar modelos de aprendizado de máquina (ML) e sistemas de detecção de fraudes os usam para avaliar regras atualizadas.

As implementações de testes A/B encaminham diferentes segmentos de usuários para diferentes configurações de aplicações para medir métrica de negócios e o comportamento do usuário. Diferentemente das implementações canário, focadas em métricas técnicas, os testes A/B avaliam a eficácia dos recursos e a experiência do usuário.

As equipes de produtos também usam implementações de testes A/B para validar novas interfaces de usuário, testar modelos de preços ou avaliar algoritmos de recomendação.

Entender como as implementações se encaixam com outros recursos do Kubernetes ajuda a esclarecer quando usar cada abordagem.

Os pods são instâncias de aplicações individuais, mas gerenciá-los diretamente se torna complicado rapidamente. As implementações do Kubernetes lidam com a camada de gerenciamento, permitindo que as equipes se concentrem na lógica das aplicações em vez de na orquestração de contêineres.

Os ReplicaSets são objetos do Kubernetes que garantem que o número correto de instâncias esteja em execução. As implementações do Kubernetes adicionam gestão de mudanças, incluindo controle de versão, atualizações e recursos de reversão, que facilitam as atualizações das aplicações.

StatefulSets são objetos do Kubernetes que mantêm identidades persistentes e operações ordenadas para os pods. Implementações do Kubernetes são mais adequadas para aplicações sem estado, onde os pods podem ser tratados como unidades idênticas e substituíveis, enquanto StatefulSets lida com aplicações com estado que exigem identidades estáveis e dimensionamento sequencial.

As estratégias bem-sucedidas de implementação do Kubernetes exigem práticas operacionais sólidas compatíveis com implementações confiáveis e repetíveis em diferentes ambientes e tipos de aplicações:

• Monitoramento e observabilidade

• Verificações de integridade e sondagens de prontidão

• Integração de testes automatizados

• Planejamento e execução da reversão

O monitoramento do Kubernetes oferece às equipes visibilidade do desempenho das aplicações, das métricas de negócios, das taxas de erro e da experiência do usuário, para que possam fazer escolhas informadas durante as implementações e detectar os problemas precocemente.

Plataformas avançadas de observabilidade levam essa abordagem ainda mais adiante, integrando o rastreamento da implementação com o monitoramento de desempenho, permitindo que as equipes correlacionem os eventos de implementação com o comportamento do sistema e o impacto no usuário.

As verificações de integridade configuradas corretamente garantem que novas instâncias de aplicações estejam totalmente funcionais antes de receberem tráfego. Esse mecanismo evita que implementações com falha afetem os usuários e permite a reversão automática quando problemas são detectados.

As sondagens de prontidão do Kubernetes devem validar não apenas que a aplicação está em execução, mas também que ela está pronta para lidar com o tráfego de produção, incluindo conexões de banco de dados, dependências de serviços externos e quaisquer processos de inicialização necessários.

Os testes automatizados requerem implementação em vários estágios, incluindo testes de unidades, testes de integração, validação de ponta a ponta e testes de desempenho. Essa abordagem abrangente ajuda a descobrir problemas com antecedência e reduz o risco de problemas de produção.

Pipelines de implementação modernos integram testes a estratégias de implementação, promovendo automaticamente compilações por meio de ambientes com base em resultados de testes e métricas de desempenho, em vez de processos de aprovação manuais.

Estratégias de reversão eficazes exigem preparação e testes cuidadosos antes que surjam problemas de implementação. As equipes devem entender como reverter rapidamente as implementações, prever possíveis desafios de consistência de dados e estabelecer protocolos de comunicação claros para garantir uma recuperação rápida quando ocorrerem problemas.

Em vez de ver as estratégias de implementação como escolhas mutuamente exclusivas, muitas organizações encontram um valor significativo em usar várias abordagens juntas. Esta abordagem híbrida aproveita os pontos fortes de cada estratégia enquanto lida com suas limitações.

As equipes de plataformas geralmente padronizam as atualizações contínuas como padrão. As implementações azuis-verdes estão disponíveis para aplicações críticas, enquanto as implementações canário são usadas para funcionalidades de alta visibilidade.

Grandes organizações implementam diferentes estratégias em todas as camadas de aplicações: azul-verde para serviços voltados para o usuário, atualizações contínuas para APIs internas e microsserviços e recriação de implementações para componentes de processamento em lote.

As organizações frequentemente combinam estratégias em pipelines de implementação únicos: implementações sombra para validação de desempenho, seguidas por lançamentos canário para exposição gradual do usuário, com recursos azuis-verdes disponíveis para reversão instantânea quando surgirem problemas.

As escolhas de implementação estratégica determinam se as equipes entregam com confiança ou gerenciam constantemente as crises. Organizações que se destacam em várias abordagens mudam fundamentalmente seus recursos de entrega, alcançando ciclos mais rápidos e maior confiabilidade. Ao adaptar a abordagem para se adequar a cada cenário único no desenvolvimento moderno de aplicaçõeso, essa estratégia promove uma confiança operacional mais forte.