Estrategias de implementación de Kubernetes: elegir el enfoque adecuado para sus aplicaciones

La estrategia de implementación que elijan las organizaciones puede hacer o deshacer la implementación de aplicaciones de software. En entornos Kubernetes, esta decisión afecta directamente a la disponibilidad de las aplicaciones, la velocidad de desarrollo y los costes operativos.

La diferencia entre una implementación fluida y un despliegue desastroso a menudo se reduce a seleccionar el enfoque adecuado para las necesidades específicas de las aplicaciones y la tolerancia al riesgo.

Con la adopción de Kubernetes en continuo crecimiento, las opciones de implementación estratégica se han vuelto cada vez más importantes tanto para los equipos de DevOps como para los resultados empresariales.

Una encuesta de la Cloud Native Computing Foundation (CNCF) reveló que el 93 % de las organizaciones utilizan, prueban o evalúan Kubernetes.¹ Cada estrategia de implementación de Kubernetes ofrece diferentes compensaciones entre velocidad, seguridad y uso de recursos.

Una implementación de Kubernetes es un recurso de alto nivel que gestiona el ciclo de vida de las aplicaciones sin estado en un clúster de Kubernetes. Proporciona una forma declarativa de definir el estado previsto de la aplicación, incluido el número de réplicas, las imágenes de contenedor y la gestión de actualizaciones.

En lugar de administrar contenedores o pods individuales, las implementaciones dan a los equipos una capa de administración que maneja la compleja orquestación necesaria para mantener las aplicaciones funcionando de manera fiable.

Kubernetes, la plataforma de orquestación de contenedores de código abierto de facto, ha cambiado fundamentalmente la manera en que las organizaciones piensan sobre la implementación de aplicaciones. A medida que las empresas pasaron de aplicaciones simples y monolíticas a arquitecturas complejas y distribuidas durante la migración a la nube, los enfoques de implementación tradicionales se volvieron poco prácticos y costosos.

Desarrollada inicialmente por Google y donada a la CNCF en 2015, Kubernetes proporciona la infraestructura de TI esencial para la mayoría de las empresas de la Fortune 500. Kubernetes automatiza la implementación, el escalado y la gestión en clústeres de máquinas, lo que permite a los equipos actualizar las aplicaciones varias veces al día en lugar de tratar las implementaciones como eventos poco frecuentes y de alto riesgo.

Antes de Kubernetes, las aplicaciones solían ejecutarse en servidores dedicados o máquinas virtuales (VM), lo que hacía que el escalado resultara caro y llevara mucho tiempo. Mientras que Docker popularizó los contenedores, Kubernetes proporcionó la capa de orquestación de contenedores para gestionar estos contenedores a escala, organizándolos en pods, las unidades implementables más pequeñas.

Estos pods se ejecutan en nodos dentro de clústeres, mientras que un plano de control coordina todas las operaciones.

Esta arquitectura nativa de la nube permite las sofisticadas estrategias de implementación que requieren las aplicaciones basadas en la nube modernas en contenedores. Desde implementaciones graduales hasta conmutación instantánea de tráfico con equilibrio de carga, cada enfoque maneja diferentes perfiles de riesgo y requisitos operativos. Kubernetes Services proporciona identidades de red estables y descubrimiento basado en DNS para grupos de pods, lo que permite patrones de comunicación fiables incluso cuando se actualizan o reemplazan instancias individuales.

Las implementaciones de Kubernetes gestionan automáticamente los ciclos de vida de las aplicaciones manteniendo el número previsto de pods, gestionando las actualizaciones y reemplazando los contenedores mediante capacidades de autorreparación.

Al actualizar una aplicación, los equipos definen el aspecto que debe tener la nueva versión en un archivo YAML. A continuación, Kubernetes gestiona la compleja orquestación necesaria para lograr el estado previsto en todo el clúster, creando nuevos pods mientras gestiona la transición desde la versión anterior.

Los equipos interactúan con las implementaciones a través de kubectl, la interfaz de línea de comandos para los clústeres de Kubernetes. Aplican archivos de configuración YAML (por ejemplo, deployment.yaml) que especifican la versión de la API de la implementación, los metadatos y el estado definido en la sección de especificaciones.

 Estos archivos de configuración declarativa permiten el control de versiones y las implementaciones repetibles en diferentes entornos. El controlador de implementación supervisa y gestiona continuamente el ciclo de vida de la implementación en función de estas especificaciones.

El proceso automatizado de Kubernetes se basa en cinco componentes esenciales que trabajan juntos, con la red de Kubernetes que permite la comunicación entre pods:

1. Especificación de la plantilla de pod: la especificación de la plantilla de pod define el plan para crear pods, incluidas las imágenes de contenedor, los requisitos de recursos, las variables de entorno, los montajes de volumen, los puertos de contenedor y la configuración de red. Esta plantilla garantiza la coherencia en todas las instancias de la aplicación.
   
   
2. Recuento de réplicas:  el recuento de réplicas especifica cuántas instancias deben ejecutarse simultáneamente. Los usuarios pueden ajustar esta configuración de forma manual o automática a través de Horizontal Pod Autoscaler de pods basados en métricas de monitorización de Kubernetes como el uso de CPU, el consumo de memoria o métricas empresariales personalizadas. Los equipos pueden monitorizar el estado de implementación a través de los comandos de implementación de kubectl o kubectl get para comprobar el estado de implementación y asegurarse de que se ejecuta el número correcto de pods durante las actualizaciones.
   
   
3. Etiquetas de selector: las etiquetas de selector establecen conexiones entre las implementaciones y sus pods gestionados a través de la coincidencia basada en etiquetas. Estos selectores garantizan que las implementaciones gestionen los pods de los que son responsables, evitando conflictos de configuración en entornos complejos.
   
   
4. Configuración de la estrategia de actualización: la configuración de la estrategia de actualización controla cómo se implementan las nuevas versiones de una aplicación. Incluye ajustes para el máximo de pods no disponibles durante las actualizaciones, capacidad de aumento para escenarios azul-verde y activadores de reversión para la recuperación automática de fallos.
   
   
5. Configuración de gestión de recursos: la configuración de gestión de recursos define las solicitudes de CPU y memoria y los límites para los contenedores, lo que garantiza una asignación óptima de recursos en todo el clúster y evita la contención de recursos, algo crítico en entornos multiinquilino.

Las organizaciones utilizan implementaciones de Kubernetes en diferentes contextos, cada una de las cuales se beneficia de la gestión automatizada del ciclo de vida y de las estrategias de actualización flexibles:

• Aplicaciones web y API

• Microservicios

• Cargas de trabajo de procesamiento por lotes

• Flujos de trabajo multientorno

• Canalizaciones de CI/CD

Las aplicaciones web y las API mantienen la disponibilidad durante las actualizaciones mientras se escalan con las demandas de tráfico. Las plataformas de comercio electrónico y los sistemas de gestión de contenidos se benefician especialmente de la capacidad de actualizar las funciones sin interrumpir al usuario.

Los servicios de back-end que manejan el proceso de datos o la lógica empresarial pueden implementar independientemente de las aplicaciones front-end, con controladores de Kubernetes Ingress que gestionan el enrutamiento y equilibrio de carga del tráfico entre las instancias de servicio.

Las arquitecturas de microservicios coordinan las actualizaciones en cientos de servicios independientes sin afectar a todo el sistema. Esta capacidad permite a los equipos implementar componentes individuales en diferentes horarios mientras mantienen la estabilidad general del sistema.

Los gráficos de Helm simplifican la gestión de implementaciones complejas de microservicios con configuraciones estandarizadas y gestión de dependencias.

Las cargas de trabajo de procesamiento por lotes garantizan una asignación coherente de recursos y capacidades de reinicio automático para las tareas de procesamiento de datos. La abstracción de la implementación simplifica la gestión de pipelines de procesamiento complejas que necesitan gestionar los fallos con facilidad.

Los flujos de trabajo multientorno mantienen la coherencia entre el desarrollo, la puesta en escena y la producción al tiempo que aplican configuraciones específicas del entorno. Los equipos pueden utilizar las mismas definiciones de implementación en entornos con diferentes recuentos de réplicas, límites de recursos o indicadores de características, organizando las aplicaciones dentro de espacios de nombres para proporcionar separación lógica y aislamiento de recursos.

Los pipelines de CI/CD utilizan implementaciones para automatizar todo el proceso de entrega de software, desde la confirmación del código hasta la liberación en producción mediante la implementación continua.

Las implementaciones se integran de manera fluida con herramientas y plataformas de integración continua como GitHub, lo que permite realizar pruebas, compilaciones e implementaciones automatizadas en función de cambios de código, solicitudes de extracción o lanzamientos programados.

Las estrategias de implementación consisten fundamentalmente en gestionar el riesgo al actualizar el software. En el pasado, los métodos tradicionales implicaban programar ventanas de mantenimiento y desconectar los sistemas, lo que era seguro pero lento. Kubernetes permite actualizar las aplicaciones sin tiempo de inactividad, implementarlas con mayor frecuencia y reducir la carga de coordinación.

Las diferentes estrategias de implementación de Kubernetes manejan el riesgo de actualización de manera diferente. La elección depende de lo que haga la aplicación, de lo que el equipo pueda gestionar y de las necesidades de la empresa.

Los tipos de estrategias de implementación de Kubernetes incluyen estos ejemplos:

• Recreación de la implementación

• Implementación de actualizaciones continuas

• Implementación azul-verde

• Implementación de Canary

• Implementación en la sombra

• Implementación de pruebas A/B

Las recreaciones de las implementaciones cierran todas las instancias existentes antes de iniciar otras nuevas. Esta capacidad crea un breve tiempo de inactividad, pero evita problemas de compatibilidad de versiones y conflictos de recursos.

Este enfoque funciona bien para sistemas de procesamiento por lotes, aplicaciones heredadas y entornos de desarrollo donde la simplicidad operativa importa más que el tiempo de actividad. Los equipos optan por volver a crear implementaciones cuando pueden aceptar un tiempo de inactividad breve a cambio de un comportamiento predecible.

Las actualizaciones continuas reemplazan las instancias gradualmente mientras mantienen la aplicación disponible. Este enfoque es la estrategia predeterminada de Kubernetes porque equilibra la velocidad, el uso de recursos y el riesgo.

Los CMS suelen utilizar actualizaciones continuas para permitir la entrega continua de características sin interrumpir al usuario. Sin embargo, las aplicaciones deben diseñarse para gestionar entornos de versiones mixtas; si las diferentes versiones no pueden ejecutarse juntas simultáneamente, las actualizaciones continuas se vuelven problemáticas.

Kubernetes reemplaza los pods antiguos por nuevas instancias de forma gradual, lo que permite que la versión anterior se elimine sin problemas. Los equipos pueden iniciar este proceso a través de comandos kubectl.

Las implementaciones azul-verde mantienen dos entornos de producción completos y cambian todo el tráfico al instante entre ellos. Esta estrategia permite la reversión instantánea, pero también duplica los costes de infraestructura durante las implementaciones.

Los sistemas de procesamiento de pagos, las bases de datos de clientes, los servicios de autenticación y las aplicaciones de cumplimiento normativo utilizan implementaciones azul-verde cuando los costes de infraestructura son manejables en comparación con el riesgo de interrupción del servicio. Los equipos pueden ejecutar una validación completa en el nuevo entorno antes de cambiar el tráfico.

Las implementaciones de Canary enrutan una pequeña parte del tráfico a la nueva versión mientras monitorizan el rendimiento y las tasas de error. Los equipos aumentan gradualmente el tráfico hasta que todos utilizan la última versión.

Esta estrategia permite a los equipos identificar problemas con una base de usuarios limitada, en lugar de afectar a todos los usuarios. Al dirigir un subconjunto del tráfico a la nueva versión, las implementaciones de Canary ayudan a reducir el riesgo de implementación. Las aplicaciones móviles que prueban nuevas interfaces, las plataformas SaaS que validan las mejoras de rendimiento y los sitios de comercio electrónico que prueban las modificaciones de pago dependen de esta estrategia de implementación.

Las implementaciones en la sombra duplican el tráfico de producción tanto a la versión actual (que atiende a los usuarios) como a la nueva versión (que procesa las solicitudes de forma silenciosa para realizar pruebas). Los usuarios no están expuestos a la versión oculta, pero los equipos obtienen una validación completa del rendimiento frente a cargas de trabajo reales.

Las implementaciones en la sombra permiten a los sistemas probar nuevas características en condiciones reales sin afectar a los usuarios. Los motores de búsqueda los utilizan para probar algoritmos de clasificación, los sistemas de recomendación se basan en ellos para validar modelos de ML (machine learning) y los sistemas de detección del fraude los utilizan para evaluar reglas actualizadas.

Las implementaciones de pruebas A/B dirigen diferentes segmentos de usuarios a diferentes configuraciones de aplicaciones para medir las métricas empresariales y el comportamiento de los usuarios. A diferencia de las implementaciones canary centradas en métricas técnicas, las pruebas A/B evalúan la eficacia de las funciones y la experiencia del usuario.

Los equipos de producto también utilizan implementaciones de pruebas A/B para validar nuevas interfaces de usuario, probar modelos de precios o evaluar algoritmos de recomendación.

Comprender cómo encajan las implementaciones con otros recursos de Kubernetes ayuda a aclarar cuándo utilizar cada enfoque.

Los pods son instancias de aplicación individuales, pero gestionarlos directamente se complica rápidamente. Las implementaciones de Kubernetes gestionan la capa de gestión, lo que permite a los equipos centrarse en la lógica de la aplicación en lugar de en la orquestación de contenedores.

Los ReplicaSets son objetos de Kubernetes que garantizan que se esté ejecutando el número correcto de instancias. Las implementaciones de Kubernetes añaden gestión del cambio, incluidas versiones, actualizaciones y capacidades de reversión que facilitan las actualizaciones de la aplicación.

Los StatefulSets son objetos de Kubernetes que mantienen identidades persistentes y operaciones ordenadas para los pods. Las implementaciones de Kubernetes son más adecuadas para aplicaciones sin estado donde los pods se pueden tratar como unidades idénticas y reemplazables, mientras que los StatefulSets gestionan aplicaciones con estado que requieren identidades estables y escalado secuencial.

Las estrategias de implementación exitosas de Kubernetes requieren prácticas operativas sólidas que respalden implementaciones fiables y repetibles en diferentes entornos y tipos de aplicaciones:

• Seguimiento y observabilidad

• Comprobaciones de estado y sondeos de preparación

• Integración de pruebas automatizadas

• Planificación y ejecución de reversiones

La monitorización de Kubernetes proporciona a los equipos visibilidad del rendimiento de las aplicaciones, las métricas empresariales, las tasas de error y la experiencia del usuario para que puedan tomar decisiones informadas durante las implementaciones y detectar problemas a tiempo.

Plataformas de observabilidad avanzada llevan este enfoque más allá al integrar la implementación de seguimiento con la monitorización de rendimiento, lo que permite a los equipos correlacionar los eventos de implementación con el comportamiento del sistema y el impacto en el usuario.

Las comprobaciones de estado configuradas correctamente garantizan que las nuevas instancias de aplicación sean completamente funcionales antes de recibir tráfico. Este mecanismo evita que las implementaciones fallidas afecten a los usuarios y permite la reversión automática cuando se detectan problemas.

Las sondas de preparación de Kubernetes deben validar no solo que la aplicación se está ejecutando, sino que está lista para gestionar el tráfico de producción, incluidas las conexiones de bases de datos, las dependencias de servicios externos y cualquier proceso de inicialización necesario.

Las pruebas automatizadas requieren implementación en múltiples etapas, incluidas pruebas unitarias, pruebas de integración, validación de extremo a extremo y pruebas de rendimiento. Este enfoque integral ayuda a descubrir problemas de manera temprana y reduce el riesgo de problemas de producción.

Los canales de implementación modernos integran las pruebas con las estrategias de implementación, promoviendo automáticamente las compilaciones a través de entornos basados en los resultados de las pruebas y las métricas de rendimiento en lugar de los procesos de aprobación manuales.

Las estrategias de reversión eficaces requieren una preparación y pruebas cuidadosas antes de que surjan problemas de implementación. Los equipos deben saber cómo revertir las implementaciones rápidamente, anticiparse a los posibles problemas de coherencia de los datos y establecer protocolos de comunicación claros para garantizar una recuperación rápida cuando se produzcan problemas.

En lugar de ver las estrategias de implementación como opciones mutuamente excluyentes, muchas organizaciones encuentran un valor significativo en el uso conjunto de múltiples estrategias. Este enfoque híbrido aprovecha las fortalezas de cada estrategia al tiempo que aborda sus limitaciones.

Los equipos de la plataforma suelen estandarizar las actualizaciones continuas por defecto. Las implementaciones azul-verde están disponibles para aplicaciones críticas, mientras que las implementaciones canary se utilizan para características de alta visibilidad.

Las grandes organizaciones implementan diferentes estrategias en todos los niveles de aplicación: azul-verde para servicios orientados al usuario, actualizaciones continuas para API internas y microservicios y recreación de implementaciones para componentes de procesamiento por lotes.

Las organizaciones suelen combinar estrategias dentro de pipelines de implementación únicas: implementaciones en la sombra para la validación del rendimiento, seguidas de despliegues controlados para la exposición gradual del usuario, con capacidades azul-verde disponibles para una reversión instantánea cuando surgen problemas.

Las opciones de implementación estratégica determinan si los equipos entregan con confianza o gestionan constantemente crisis. Las organizaciones que destacan en múltiples enfoques cambian fundamentalmente sus capacidades de entrega, logrando ciclos más rápidos y una mayor fiabilidad. Al adaptar el enfoque a cada escenario único en el desarrollo de aplicaciones modernas, esta estrategia fomenta una mayor confianza operativa.