Strategie di implementazione Kubernetes: scegliere l'approccio giusto per le tue applicazioni

La strategia di implementazione scelta dall'organizzazione può determinare il successo o il fallimento dell'implementazione. Negli ambienti Kubernetes, questa decisione influisce direttamente sulla disponibilità delle applicazioni, sulla velocità di sviluppo e sui costi operativi.

La differenza tra un'implementazione ottimale e un disastro spesso si riduce alla selezione dell'approccio giusto per le esigenze specifiche delle app e la tolleranza al rischio.

Con l'adozione di Kubernetes in continua crescita, le scelte strategiche di implementazione sono diventate sempre più importanti, sia per i team DevOps che per i risultati aziendali.

Un sondaggio della Cloud Native Computing Foundation (CNCF) ha rilevato che il 93% delle organizzazioni sta utilizzando, sperimentando o valutando Kubernetes.¹ Ogni strategia di implementazione Kubernetes offre diversi compromessi tra velocità, sicurezza e utilizzo delle risorse.

Un'implementazione Kubernetes è una risorsa di alto livello che gestisce il ciclo di vita delle applicazioni stateless in un cluster Kubernetes. Offre un modo dichiarativo per definire lo stato previsto dell'applicazione, incluso il numero di repliche, le immagini dei container e la gestione degli aggiornamenti.

Anziché gestire singoli container o pod, le implementazioni offrono ai team un livello di gestione che si occupa della complessa orchestrazione necessaria per mantenere le applicazioni in esecuzione in modo affidabile.

Kubernetes, di fatto la piattaforma ufficiale di orchestrazione dei container open source, ha cambiato radicalmente il modo in cui le organizzazioni pensano alla implementazione delle applicazioni. Via via che le aziende si sono spostate da applicazioni semplici e monolitiche ad architetture complesse e distribuite durante la migrazione cloud, gli approcci di implementazione tradizionali sono diventati poco pratici e costosi.

Sviluppato inizialmente da Google e donato al CNCF nel 2015, Kubernetes alimenta l'infrastruttura IT essenziale per la maggior parte delle Aziende Fortune 500. Kubernetes automatizza l'implementazione, la scalabilità e la gestione su cluster di macchine, consentendo ai team di aggiornare le applicazioni più volte al giorno invece di considerare le implementazioni come eventi poco frequenti e ad alto rischio.

Prima di Kubernetes, le applicazioni venivano in genere eseguite su server dedicati o macchine virtuali (VM), rendendo la scalabilità costosa e dispendiosa in termini di tempo. Mentre Docker ha reso popolari i container, Kubernetes ha fornito il livello di orchestrazione dei container per gestirli su larga scala, organizzandoli in pod, ovvero le unità distribuibili più piccole.

Questi pod attraversano i nodi di lavoro all'interno dei cluster, mentre un piano di controllo coordina tutte le operazioni del cluster.

Questa architettura cloud-native supporta le sofisticate strategie di implementazione richieste dalle moderne applicazioni basate su container e sul cloud. Dall'implementazione graduale al passaggio istantaneo del traffico con bilanciamento del carico, ogni approccio gestisce diversi profili di rischio e requisiti operativi. I Kubernetes Service forniscono identità di rete stabili e un rilevamento basato su DNS per gruppi di pod, garantendo modelli di comunicazione affidabili anche quando singole istanze di pod vengono aggiornate o sostituite.

Le implementazioni Kubernetes gestiscono automaticamente i cicli di vita delle applicazioni mantenendo il numero previsto di pod, gestendo gli aggiornamenti e sostituendo i container tramite funzionalità self-healing.

Quando si aggiorna un'applicazione, i team definiscono l'aspetto della nuova versione in un file YAML. Kubernetes gestisce quindi la complessa orchestrazione necessaria per raggiungere lo stato previsto nel cluster, creando nuovi pod e gestendo la transizione dalla versione precedente.

I team interagiscono con le implementazioni tramite kubectl, l'interfaccia a riga di comando per i cluster. Applicano i file di configurazione YAML (ad esempio, deployment.yaml) che specificano la versione dell'API, i metadati e lo stato definito dell'implementazione nella sezione delle specifiche.

 Questi file di configurazione dichiarativi supportano il controllo delle versioni e implementazioni ripetibili in ambienti diversi. Il deployment controller monitora e gestisce continuamente il ciclo di vita dell'implementazione in base a queste specifiche.

Il processo automatizzato di Kubernetes si basa su cinque componenti essenziali che lavorano insieme, mentre la rete Kubernetes consente la comunicazione tra i pod:

1. Specifiche del modello pod: le specifiche del modello pod definiscono il blueprint per la creazione dei pod, tra cui immagini dei container, risorse, variabili di ambiente, installazioni dei volumi, porte dei container e configurazione di rete. Questo modello garantisce la coerenza in tutte le istanze dell'applicazione.
   
   
2. Conteggio delle repliche: il conteggio delle repliche specifica quante istanze devono essere eseguite simultaneamente. Gli utenti possono regolare questa impostazione manualmente o automaticamente tramite Horizontal Pod Autoscaler, in base a metriche di monitoraggio Kubernetes come l'utilizzo della CPU, il consumo di memoria o metriche aziendali personalizzate. I team possono monitorare lo stato del rollout tramite i comandi kubectl rollout o kubectl get per verificare lo stato dell'implementazione e assicurarsi che il numero corretto di pod sia in esecuzione durante gli aggiornamenti.
   
   
3. Etichette dei selettori: le etichette dei selettori stabiliscono connessioni tra le implementazioni e i relativi pod gestiti, attraverso una corrispondenza basata su etichette. Questi selettori assicurano che le implementazioni gestiscano i pod di cui sono responsabili, prevenendo conflitti di configurazione in ambienti complessi.
   
   
4. Configurazione della strategia di aggiornamento: la configurazione della strategia di aggiornamento controlla il modo in cui vengono implementate le nuove versioni di un'applicazione. Include le impostazioni per il numero massimo di pod non disponibili durante gli aggiornamenti, l'aumento della capacità per gli scenari blue-green e i trigger di rollback per il ripristino automatico in caso di guasti.
   
   
5. Impostazioni di gestione delle risorse: le impostazioni di gestione delle risorse definiscono le richieste e i limiti di CPU e memoria per i container, garantendo un'allocazione ottimale delle risorse nel cluster e prevenendo il conflitto di risorse, un aspetto critico negli ambienti multitenant.

Le organizzazioni utilizzano le implementazioni Kubernetes in molti contesti, ognuno dei quali beneficia della gestione automatizzata del ciclo di vita e di strategie di aggiornamento flessibili:

• Applicazioni web e API

• Microservizi

• Workload di elaborazione batch

• Workflow multiambiente

• Pipeline CI/CD

Le applicazioni web e le API mantengono la disponibilità durante gli aggiornamenti, adattandosi al contempo alle richieste di traffico. Le piattaforme di e-commerce e i sistemi di gestione dei contenuti traggono particolare beneficio dalla capacità di aggiornare le funzionalità senza interruzioni per gli utenti.

I servizi di backend che gestiscono l'elaborazione dei dati o la logica aziendale possono essere implementati indipendentemente dalle applicazioni, con i controller Kubernetes Ingress che gestiscono il routing del traffico e il bilanciamento del carico tra le istanze del servizio.

Le architetture di microservizi coordinano gli aggiornamenti di centinaia di servizi indipendenti, senza influire sull'intero sistema. Questa funzionalità consente ai team di distribuire singoli componenti su pianificazioni diverse, pur mantenendo la stabilità complessiva del sistema.

I grafici Helm semplificano la gestione di implementazioni complesse dei microservizi, con configurazioni standardizzate e gestione delle dipendenze.

I workload delle elaborazioni in batch garantiscono un'allocazione coerente delle risorse e funzionalità di riavvio automatico per le attività di elaborazione dei dati. L'astrazione dell'implementazione semplifica la gestione di pipeline di elaborazione complesse che devono gestire i guasti senza creare interruzioni.

I workflow multiambiente mantengono l'uniformità tra sviluppo, staging e produzione attraverso l'applicazione di configurazioni specifiche per l'ambiente. I team possono utilizzare le stesse definizioni di implementazione in ambienti con conteggi di repliche, limiti di risorse o caratteristiche diversi, organizzando le applicazioni all'interno dei namespace per fornire separazione logica e isolamento delle risorse.

Le pipeline CI/CD utilizzano le implementazioni per automatizzare l'intero processo di distribuzione del software, dal commit del codice al rilascio della produzione, fino alla distribuzione continua.

Le implementazioni si integrano perfettamente con strumenti e piattaforme di integrazione continua come GitHub, supportando test, creazione e implementazione automatizzati in base alle modifiche del codice, alle richieste pull o ai rilasci programmati.

Le strategie di implementazione riguardano fondamentalmente la gestione del rischio durante l'aggiornamento del software. In passato, i metodi tradizionali prevedevano la pianificazione delle finestre di manutenzione e lo spegnimento dei sistemi, il che era sicuro ma lento. Kubernetes consente di aggiornare le applicazioni senza tempi di inattività, con implementazioni più frequenti e riduzione delle attività di coordinamento.

Le diverse strategie di implementazione Kubernetes gestiscono i rischi degli aggiornamenti in modo diverso. La scelta dipende da ciò che fa l'applicazione, da ciò che il team può gestire e da ciò di cui l'azienda necessita.

I tipi di strategie di implementazione Kubernetes includono:

• Implementazione ricreata

• Implementazione degli aggiornamenti in sequenza

• Implementazione blue-green

• Implementazione canary

• Implementazione shadow

• Implementazione di test A/B

Le implementazioni ricreate chiudono tutte le istanze esistenti prima di avviarne di nuove. Questa funzionalità crea brevi tempi di inattività, ma evita problemi di compatibilità delle versioni e conflitti di risorse.

Questo approccio funziona bene per i sistemi di elaborazione batch, le applicazioni legacy e gli ambienti di sviluppo in cui la semplicità operativa è più importante del tempo di attività. I team scelgono di ricreare le implementazioni quando possono accettare un breve tempo di inattività in cambio di comportamenti prevedibili.

Gli aggiornamenti continui sostituiscono le istanze gradualmente, mantenendo l'applicazione disponibile. Questo approccio è la strategia predefinita di Kubernetes perché bilancia velocità, utilizzo delle risorse e rischi.

I CMS utilizzano solitamente aggiornamenti continui per consentire l'implementazione continua delle funzionalità, senza interruzioni per l'utente. Tuttavia, le applicazioni devono essere progettate per gestire ambienti con versioni miste; se versioni diverse non possono essere eseguite insieme contemporaneamente, gli aggiornamenti continui diventano problematici.

Kubernetes sostituisce i vecchi pod con nuove istanze in modo graduale, consentendo l'eliminazione progressiva della versione precedente. I team possono avviare questo processo attraverso i comandi kubectl.

Le implementazioni blue-green mantengono due ambienti di produzione completi e trasferiscono istantaneamente tutto il traffico da uno all'altro. Questa strategia consente il rollback istantaneo, ma raddoppia anche i costi infrastrutturali durante le implementazioni.

I sistemi di elaborazione dei pagamenti, i database dei clienti, i servizi di autenticazione e le applicazioni di conformità normativa utilizzano implementazioni blue-green quando i costi dell'infrastruttura sono gestibili rispetto al rischio di interruzione del servizio. I team possono eseguire una convalida completa rispetto al nuovo ambiente prima di cambiare traffico.

Le implementazioni canary indirizzano una piccola parte del traffico verso la nuova versione, monitorando le prestazioni e i tassi di errore. I team aumentano gradualmente il traffico fino a quando tutti non utilizzano la versione più recente.

Questa strategia consente ai team di identificare i problemi con una base di utenti limitata, anziché influire su tutti gli utenti. Indirizzando un sottoinsieme di traffico verso la nuova versione, le implementazioni canary aiutano a ridurre il rischio delle implementazioni. Le app che testano nuove interfacce, le piattaforme SaaS che convalidano i miglioramenti delle prestazioni e i siti di e-commerce che testano le modifiche al checkout si basano tutti su questa strategia di implementazione.

Le implementazioni shadow duplicano il traffico di produzione sia verso la versione corrente (al servizio degli utenti), sia verso la nuova versione (elaborazione silenziosa delle richieste per i test). Gli utenti non sono esposti alla versione shadow, ma i team ottengono una convalida completa delle prestazioni rispetto a workload reali.

Le implementazioni shadow consentono ai sistemi di testare nuove caratteristiche in condizioni reali senza influire sugli utenti. I motori di ricerca li utilizzano per testare gli algoritmi di classificazione, i sistemi di raccomandazione si basano su di essi per convalidare i modelli di machine learning(ML) e i sistemi di rilevamento delle frodi li utilizzano per valutare regole aggiornate.

Le implementazioni di test A/B indirizzano diversi segmenti di utenti a diverse configurazioni di applicazione per misurare le metriche aziendali e il comportamento degli utenti. A differenza delle implementazioni canary basate sulle metriche tecniche, i test A/B valutano l'efficacia delle funzionalità e l'esperienza dell'utente.

I team di prodotto utilizzano le implementazioni di test A/B anche per convalidare nuove interfacce utente, testare i modelli tariffari o valutare algoritmi di raccomandazione.

Comprendere come le implementazioni si adattano ad altre risorse Kubernetes aiuta a chiarire quando utilizzare ciascun approccio.

I pod sono istanze di applicazioni individuali, ma la loro gestione diretta può complicarsi rapidamente. Le implementazioni Kubernetes si occupano del livello di gestione, consentendo ai team di concentrarsi sulla logica dell'applicazione piuttosto che sull'orchestrazione dei container.

I ReplicaSets sono oggetti Kubernetes che garantiscono l'esecuzione del numero corretto di istanze. Le implementazioni Kubernetes aggiungono la gestione delle modifiche, tra cui il controllo delle versioni, gli aggiornamenti e le funzionalità di rollback che semplificano gli aggiornamenti delle applicazioni.

Gli StatefulSets sono oggetti Kubernetes che mantengono identità persistenti e operazioni ordinate per i pod. Le implementazioni Kubernetes sono più adatte per le applicazioni stateless in cui i pod possono essere trattati come unità identiche e sostituibili, mentre gli StatefulSets gestiscono applicazioni stateful che richiedono identità stabili e scalabilità sequenziale.

Le strategie di implementazione Kubernetes di successo richiedono solide pratiche operative che supportano implementazioni affidabili e ripetibili in diversi ambienti e tipi di applicazioni:

• Monitoraggio e osservabilità

• Controlli dello stato di salute e della prontezza

• Integrazione automatizzata dei test

• Pianificazione ed esecuzione del rollback

Il monitoraggio di Kubernetes offre ai team visibilità sulle prestazioni dell'applicazione, sulle metriche aziendali, sui tassi di errore e sull'esperienza utente, in modo che possano fare scelte informate durante le implementazioni e rilevare tempestivamente i problemi.

Le piattaforme di osservabilità avanzate approfondiscono questo approccio, integrando il monitoraggio dell'implementazione con il monitoraggio delle prestazioni e consentendo quindi ai team di correlare gli eventi di implementazione con il comportamento del sistema e l'impatto sugli utenti.

I controlli dello stato di salute correttamente configurati assicurano che le nuove istanze dell'applicazione siano completamente funzionanti prima di ricevere traffico. Questo meccanismo impedisce che le implementazioni non riuscite influiscano sugli utenti e consente il rollback automatico quando vengono rilevati problemi.

I controlli della prontezza di Kubernetes dovrebbero convalidare non solo che l'applicazione sia in esecuzione, ma che sia pronta a gestire il traffico di produzione, comprese le connessioni al database, le dipendenze dei servizi esterni e tutti i processi di inizializzazione richiesti.

I test automatizzati richiedono l'implementazione in più fasi, inclusi test unitari, test di integrazione, convalida end-to-end e test delle prestazioni. Questo approccio completo aiuta a scoprire i problemi in anticipo e riduce il rischio di problemi in fase di produzione.

Le moderne pipeline di implementazione integrano i test con le strategie di implementazione, promuovendo automaticamente le build attraverso ambienti basati sui risultati dei test e sulle metriche delle prestazioni, anziché sui processi di approvazione manuali.

Strategie di rollback efficaci richiedono un'attenta preparazione e test prima che sorgano problemi di implementazione. I team devono capire come ripristinare rapidamente le implementazioni, anticipare le potenziali problematiche di uniformità dei dati e stabilire protocolli di comunicazione chiari per garantire un rapido ripristino in caso di problemi.

Anziché considerare le strategie di implementazione come scelte che si escludono a vicenda, molte organizzazioni trovano un valore significativo nell'utilizzare più approcci insieme. Questo approccio ibrido utilizza i punti di forza di ciascuna strategia affrontandone i limiti.

I team responsabili della piattaforma spesso standardizzano gli aggiornamenti continui come impostazione predefinita. Le implementazioni blue-green sono disponibili per le applicazioni critiche, mentre le implementazioni canary vengono utilizzate per le caratteristiche ad alta visibilità.

Le organizzazioni implementano strategie diverse a tutti i livelli applicativi: blue-green per i servizi rivolti agli utenti, aggiornamenti continui per le API interne e i microservizi e implementazioni ricreate per i componenti di elaborazione in batch.

Le organizzazioni spesso combinano le strategie all'interno di singole pipeline di implementazione: implementazioni shadow per la convalida delle prestazioni, seguite da implementazioni canary per un'esposizione graduale degli utenti, con funzionalità disponibili per il rollback istantaneo in caso di problemi.

Le scelte strategiche di implementazione determinano se i team operano con sicurezza o se devono gestire costantemente delle crisi. Le organizzazioni che eccellono in diversi approcci cambiano radicalmente la loro capacità di delivery, ottenendo cicli più rapidi e una maggiore affidabilità. Personalizzando l'approccio per adattarlo a ogni scenario unico nello sviluppo delle applicazioni moderne, questa strategia aumenta la fiducia operativa.