Kubernetes: qué es, cómo funciona y para qué sirve

En la actualidad cuando utilizas una aplicación quieres que funcione con fluidez, que no se caiga aunque la utilicen millones de personas a la vez. ¿Sabes qué tecnología hay detrás de este fenómeno y cómo hace para mantenerla en pie? Lo más probable es que funcione con Kubernetes. Te contamos qué es, cómo funciona y por qué es fundamental en cualquier infraestructura moderna.

¿Qué es Kubernetes?

Kubernetes es una plataforma de código abierto que automatiza el despliegue, el escalado y la gestión de aplicaciones empaquetadas en contenedores. Para que te hagas una idea, es como un director de orquesta que decide dónde y cuándo se ejecuta cada parte de una aplicación y que se asegura de que todo siga funcionando. Por lo que se puede definir como un sistema de orquestación de contenedores.
Los contenedores, popularizados por herramientas como Docker, empaquetan una aplicación junto con todo lo que necesita para ejecutarse. El problema aparece cuando tienes decenas o cientos de ellos. Ahí es donde Kubernetes pone orden.
Fue creado por Google y hoy lo mantiene la Cloud Native Computing Foundation (CNCF), la fundación que impulsa muchas de las tecnologías cloud más importantes. Se suele abreviar como K8s, porque entre la K y la S hay ocho letras.

¿Para qué sirve Kubernetes?

Sirve para que ejecutar aplicaciones a gran escala sea fiable y no requiera intervenir a mano cada vez que algo cambia o falla. Así que vamos a ver en profundidad qué es lo que puede hacer.

Desplegar aplicaciones

Con Kubernetes puedes publicar una aplicación nueva o una actualización de forma repetible y controlada. Describes cómo quieres que sea el resultado final y la plataforma se encarga de llegar hasta él.

Escalar automáticamente

Si una web recibe un pico de visitas, Kubernetes puede crear más copias de la aplicación para absorber la carga y reducirlas cuando el tráfico baja. Esto se conoce como autoscaling y permite ajustar tanto el número de pods (Horizontal Pod Autoscaler) como los recursos asignados a cada uno (Vertical Pod Autoscaler).

Gestionar aplicaciones en contenedores

Kubernetes decide en qué máquina se ejecuta cada contenedor, controla los recursos que consume y gestiona su configuración, de modo que no tienes que repartir el trabajo manualmente.

Mantener la disponibilidad de los servicios

Si un contenedor se bloquea o una máquina deja de responder, Kubernetes lo detecta y lo reemplaza automáticamente. El objetivo es que el servicio llegue al usuario sin interrupciones.

¿Cómo funciona Kubernetes?

Su funcionamiento se basa en el principio del estado deseado. Es decir, deberás indicar, en un archivo de configuración, cómo debe estar tu aplicación (por ejemplo, «quiero tres copias de este servicio funcionando») y Kubernetes compara continuamente ese estado deseado con el estado real y, si hay diferencias, actúa para corregirlas. Se trata de un lógica de supervisión permanente que funciona de manera similar a como lo haría un termostato en el que fijas la temperatura que quieres alcanzar para que el sistema encienda o apague la calefacción hasta conseguirlo.

¿Qué es un clúster de Kubernetes?

Un clúster de Kubernetes (kubernetes cluster) es el conjunto de máquinas, físicas o virtuales, que trabajan juntas para ejecutar tus aplicaciones, por lo que está formado por una parte que toma las decisiones y otra que ejecuta el trabajo.

Control Plane

El Control Plane (plano de control) es el cerebro del clúster, es el encargado de tomar las decisiones de manera global. Se encarga por tanto, de dilucidar qué se ejecuta, dónde y cómo reaccionar ante un fallo.

Nodes

Los nodos (nodes) son las máquinas que ejecutan realmente las aplicaciones. Cada nodo cuenta con un container runtime, el software que ejecuta los contenedores, como containerd o CRI-O. Para que los contenedores puedan comunicarse entre sí, el clúster utiliza además un plugin de red basado en el estándar Container Network Interface (CNI).

Pods

Los pods son la unidad mínima que se despliega en Kubernetes. Un pod agrupa uno o varios contenedores que comparten red y almacenamiento, y representa un proceso en ejecución dentro del clúster.

Principales componentes de Kubernetes

A continuación te contamos cuáles son los componentes que hacen posible que el clúster funcione.

kube-apiserver

Es la puerta de entrada al Control Plane. Expone la API de Kubernetes y todo lo que hagas con el clúster, ya sea desde la línea de comandos o desde otras herramientas, pasa por él.

etcd

Es la base de datos del clúster, de tipo clave-valor, consistente y de alta disponibilidad. Guarda toda la información sobre el estado de Kubernetes, por lo que es un elemento imprescindible que deberás proteger y respaldar.

kube-scheduler

Se ocupa de asignar los pods nuevos a un nodo adecuado. Para decidir tiene en cuenta factores como los recursos disponibles y las restricciones que hayas definido.

kube-controller-manager

Ejecuta los controladores, procesos que vigilan el estado del clúster y actúan para que coincida con el estado deseado. Si falta una copia de tu aplicación, por ejemplo, un controlador se encarga de crearla.

kubelet

Es un agente que se ejecuta en cada nodo y garantiza que los contenedores de un pod están funcionando. También realiza comprobaciones de salud mediante dos tipos de pruebas: la liveness probe, que indica si un contenedor debe reiniciarse, y la readiness probe, que indica cuándo está listo para recibir tráfico.

kube-proxy

Funciona en cada nodo y mantiene las reglas de red que permiten la comunicación entre los pods y los servicios, tanto dentro como fuera del clúster.

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Principales objetos de Kubernetes

Los objetos son los recursos que creas y gestionas mediante la API de Kubernetes.

Pod

Como hemos visto, es la unidad básica de ejecución. Normalmente no se crean pods sueltos, sino que se gestionan mediante otros objetos que los supervisan.

Deployment

Es el objeto más utilizado para desplegar aplicaciones. Permite declarar cuántas copias quieres, qué imagen usar y cómo actualizarlas, y gestiona el ciclo de vida de la aplicación.

Service

Un Service ofrece una forma estable de acceder a un grupo de pods, cuyas direcciones cambian constantemente. Existen varios tipos:

• ClusterIP: expone el servicio solo dentro del clúster.
  NodePort: lo expone en un puerto fijo de cada nodo, permitiendo tráfico externo.

Para gestionar el acceso externo, normalmente HTTP o HTTPS, se utiliza Ingress, que funciona junto con un Ingress Controller (como NGINX o Traefik). Además, las NetworkPolicy permiten definir qué pods pueden comunicarse entre sí, algo muy relevante desde el punto de vista de la ciberseguridad.

ReplicaSet

Garantiza que haya siempre un número determinado de réplicas de un pod en ejecución. Normalmente no se gestiona directamente, ya que lo crea y controla el Deployment.

ConfigMap y Secret

Separan la configuración de la aplicación de su imagen. Un ConfigMap almacena datos no confidenciales en pares clave-valor, mientras que un Secret guarda información sensible como contraseñas, tokens o claves SSH.

Namespace

Es un mecanismo para aislar grupos de recursos dentro de un mismo clúster, como si crearas clústeres virtuales. Es muy útil para separar entornos (desarrollo, pruebas, producción) o equipos distintos. El acceso a estos recursos se controla mediante RBAC (Role-Based Access Control), que define qué puede hacer cada usuario o cuenta de servicio.

¿Cómo se despliega una aplicación con Kubernetes?

El proceso sigue un flujo muy lógico, basado en describir lo que quieres y dejar que Kubernetes lo haga realidad.

Configuración mediante YAML

Lo primero es la configuración mediante un archivo YAML, es decir un documento en el que defines cuál es el estado deseado. Este deberá incluir qué imagen utilizar, cuántas réplicas, qué puertos exponer, etc. Es lo que se conoce como configuración declarativa, y facilita versionar, revisar y repetir los despliegues.

Uso de kubectl

Kubectl es la herramienta de línea de comandos para interactuar con el clúster. Con un comando como kubectl apply -f archivo.yaml envías tu manifiesto, y con otros puedes consultar el estado de los pods, ver registros o eliminar recursos.

Rolling Updates

Cuando publicas una nueva versión, Kubernetes puede realizar una actualización progresiva (rolling update). Es decir, sustituye poco a poco los pods antiguos por los nuevos, sin que el servicio se interrumpa, así, si algo sale mal, es posible volver a la versión anterior.

Autoscaling

Una vez desplegada la aplicación, puedes configurar reglas para que el número de réplicas aumente o disminuya según métricas como el uso de CPU, de modo que se adapte a la demanda sin intervención manual.

Ventajas de utilizar Kubernetes

Como ya has podido comprobar, el uso de Kubernetes tiene alguna que otra ventaja. Además de lo visto anteriormente, uno de sus puntos fuertes es la automatización ya que permite reducir las tareas manuales de despliegue y mantenimiento. Del mismo modo, dispone de una alta disponibilidad ya que es capaz de reiniciar y remplazar los contenedores que fallan.
Se trata de una tecnología con gran escalabilidad ya que se adapta al aumento o descenso de la demanda de una forma muy sencilla. Funciona en la nube, en servidores propios o entornos mixtos y permite un despliegue sin cortes gracias a sus actualizaciones progresivas. Esto hace que el ecosistema sea amplio y existan muchas herramientas compatibles, además de conseguir una mayor eficiencia en cuanto a los recursos se refiere. Esta tecnología permite aprovechar mejor los servidores para repartir de manera más adecuada las cargas de trabajo.
Eso sí, tiene una curva de aprendizaje considerable y no siempre es necesario para proyectos pequeños. Así que aquí entrará en juego las necesidades que tengas y si realmente te compensa emplearla en tu negocio.

¿Dónde se utiliza Kubernetes?

Cloud Computing

Los grandes proveedores de nube ofrecen servicios gestionados de Kubernetes, que simplifican la creación y el mantenimiento de clústeres y es el entorno en el que más se utiliza.

Arquitecturas de microservicios

Cuando una aplicación se divide en muchos servicios pequeños e independientes, Kubernetes facilita desplegarlos, comunicarlos y escalarlos por separado.

DevOps

Encaja de forma natural en las prácticas DevOps y en los flujos de integración y entrega continua, ya que permite automatizar desde las pruebas hasta la puesta en producción.

Aplicaciones de alta disponibilidad

Tiendas online, plataformas de streaming, servicios financieros o herramientas de analítica en tiempo real utilizan Kubernetes para garantizar que el servicio esté siempre operativo.

Herramientas del ecosistema Kubernetes

Alrededor de Kubernetes ha surgido un ecosistema muy rico que permite el desarrollo de multitud de herramientas. A continuación te mostramos cuáles son las más conocidas para que sepas qué usos puedes darle.

Helm

Es el gestor de paquetes de Kubernetes y te permite definir, instalar y actualizar aplicaciones complejas mediante plantillas reutilizables llamadas charts.

Prometheus

Es el estándar de facto para monitorizar clústeres ya que recoge métricas, genera alertas y ayuda a detectar problemas de rendimiento o disponibilidad, algo muy útil para el análisis de datos.

Terraform

Es una herramienta de infraestructura como código (IaC) que sirve para crear y gestionar la infraestructura sobre la que se ejecuta el clúster, como servidores, redes o almacenamiento.

Istio

Es una malla de servicios (service mesh) que se añade a las aplicaciones distribuidas para gestionar el tráfico entre ellas, mejorar la seguridad de las comunicaciones y obtener más visibilidad.

¿Qué conocimientos necesitas para trabajar con Kubernetes?

Si quieres empezar a trabajar con Kubernetes deberás contar con una serie de conocimientos específicos. Aunque no hace falta ser un experto, el uso de este tipo de tecnología requiere una formación especializada en la que comprendas conceptos básicos de contenedores (Docker), seas capaz de manejar de manera adecuada la línea de comandos en Linux. También deberás tener nociones en redes (direcciones IP, puertos, DNS y balanceadores de carga), lectura y escritura de archivos YAML, fundamentos de cloud computing y nociones de seguridad (control de accesos y la gestión de secretos).
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