Вступление

В последние годы с развитием микросервисов и контейнеров способы проектирования, разработки и эксплуатации ПО значительно изменились. Современные приложения оптимизируются в целях масштабируемости, эластичности, отказоустойчивости и быстрого изменения. Для соответствия новым принципам эти современные архитектуры требуют другого набора паттернов и практик. Цель этой книги — помочь разработчикам создавать облачные приложения с использованием Kubernetes в качестве платформы времени выполнения. Для начала кратко познакомимся с двумя основными составляющими этой книги: фреймворком Kubernetes и паттернами проектирования.

Kubernetes

Kubernetes — это платформа для управления контейнерами. Зарождение Kubernetes произошло где-то в центрах обработки данных компании Google, где появилась внутренняя платформа управления контейнерами Borg (https://research.google.com/pubs/pub43438.html). Платформа Borg много лет использовалась в Google для запуска приложений. В 2014 году  Google решил передать свой опыт работы с Borg новому проекту с открытым исходным кодом под названием Kubernetes (в переводе с греческого «кормчий», «рулевой»), а в 2015 году он стал первым проектом, переданным в дар недавно основанному фонду Cloud Native Computing Foundation (CNCF).

С самого начала проект Kubernetes приобрел целое сообщество пользователей, и число участников росло невероятно быстрыми темпами. В настоящее время Kubernetes считается одним из самых активных проектов на GitHub. Можно даже утверждать, что на момент написания этой книги Kubernetes был наиболее часто используемой и многофункциональной платформой управления контейнерами. Kubernetes также формирует основу других платформ, построенных поверх него. Наиболее известной из таких систем вида «платформа как услуга» (Platform-as-a-Service) является Red Hat OpenShift, которая добавляет в Kubernetes различные дополнительные возможности, в том числе способы создания приложений на этой платформе. Это только часть причин, по которым мы выбрали Kubernetes в качестве эталонной платформы для описания паттернов использования облачных систем в этой книге.

Эта книга предполагает наличие у читателя некоторых базовых знаний о Kubernetes. В главе 1 мы перечислим основные понятия Kubernetes и заложим основу для обсуждения паттернов в следующих главах.

Паттерны проектирования

Понятие паттернов, или шаблонов, проектирования появилось в 1970-х годах в области архитектуры. Кристофер Александер (Christo­pher Alexander), архитектор и системный теоретик, и его команда опубликовали в 1977 году новаторский труд «A Pattern Language» (Oxford University Press), в котором описываются архитектурные шаблоны создания городов, зданий и других строительных проектов. Некоторое время спустя эта идея была принята недавно сформировавшейся индустрией программного обеспечения. Самая известная книга в этой области — «Приемы объектно-ориентированного проектирования. Паттерны проектирования» Эриха Гаммы, Ричарда Хелма, Ральфа Джонсона и Джона Влиссидеса — «Банды четырех» (Addison-Wesley). Когда мы говорим об известных паттернах «Одиночка» (Singleton), «Фабрика» (Factories) или «Делегирование» (Delegation), то используем названия, данные в этой книге. С тех пор было написано много других замечательных книг о паттернах для различных областей с разной степенью подробностей, таких как «Enterprise Integration Patterns» Грегора Хопа (Gregor Hohpe) и Бобби Вульфа (Bobby Woolf) или «Patterns of Enterprise Application Architecture» Мартина Фаулера (Martin Fowler).

Проще говоря, паттерн описывает повторимое решение задачи. Паттерн отличается от рецепта тем, что вместо пошаговых инструкций для решения задачи он определяет план решения целого класса подобных задач. Например, паттерн Александера «Пивная» описывает, как следует строить питейные заведения, чтобы они стали местами, где «незнакомцы и друзья становятся собутыльниками», а не «пристанищами для одиночек». Все заведения, построенные по этому шаблону, выглядят по-разному, но имеют общие черты, такие как открытые ниши для групп от четырех до восьми человек и общий зал, где сотни людей могут вместе выпивать, веселиться, слушать музыку или делать что-то еще.

Однако паттерны не просто предоставляют решения. Они также формируют язык. Уникальные названия паттернов образуют компактный язык, в основе которого лежат существительные, и каждый паттерн имеет уникальное название. Когда люди упоминают эти названия в разговорах между собой, они автоматически вызывают у них похожие ментальные представления. Например, когда мы говорим о столе, любой, кто слышит нас, предполагает, что мы говорим о деревянной столешнице на четырех ножках, на которую можно класть разные вещи. То же происходит в программной инженерии, когда мы говорим о «фабрике». В контексте объектно-ориентированного программирования мы немедленно связываем с термином «фабрика» некий объект, который производит другие объекты. Поскольку мы уже знаем решение, лежащее в основе паттерна, то можем перейти к решению еще не решенных проблем.

Есть и другие характеристики языка паттернов. Паттерны взаимосвязаны между собой и могут перекрываться, поэтому вместе охватывают большую часть пространства задач. Кроме того, как отмечается в книге «Язык паттернов», паттерны имеют разные уровни детализации и области действия. Более общие паттерны охватывают более широкий спектр задач и предлагают приблизительные рекомендации, касающиеся их решения. Специализированные паттерны дают очень конкретное решение, но применяются не так широко. Эта книга содержит все виды паттернов, и многие паттерны ссылаются на другие паттерны или даже могут включать другие паттерны как часть решения.

Другая особенность паттернов заключается в том, что они следуют жесткому формату. Однако каждый автор определяет свой формат, и, к сожалению, нет единого стандарта, который определял бы, как должны излагаться паттерны. Мартин Фаулер дает превосходный обзор форматов, используемых для языков паттернов, в своей статье «Writing Software Patterns» (http://bit.ly/2HIuUdJ).

Структура книги

Мы выбрали простой паттерн структуры книги. Мы не придерживаемся какого-либо конкретного языка и для описания каждого паттерна используем следующую структуру:

Название

Каждый паттерн имеет название, которое также является названием главы. Названия образуют основу языка паттернов.

Задача

В этом разделе дается широкий контекст и подробное описание пространства паттерна.

Решение

Этот раздел рассказывает, как паттерн решает проблему способом, характерным для Kubernetes. Этот раздел также содержит ссылки на другие паттерны, которые либо связаны, либо являются частью данного паттерна.

Пояснение

Обзор достоинств и недостатков решения в данном контексте.

Дополнительная информация

Этот заключительный раздел содержит источники дополнительной информации, касающейся паттерна.

Мы организовали паттерны в этой книге следующим образом:

• Часть I Основные паттерны охватывает основные понятия Kubernetes и перечисляет основополагающие принципы и практики создания облачных приложений на основе контейнеров.

• Часть II Поведенческие паттерны описывает паттерны, основанные на базовых паттернах, и добавляют специализированные идеи управления взаимодействиями между контейнерами и платформой.

• Часть III Структурные паттерны содержит паттерны, имеющие отношение к организации контейнеров в поды (pod) — элементарные единицы платформы Kubernetes.

• Часть IV Конфигурационные паттерны дает представление о различных способах настройки приложений в Kubernetes. Это очень детализированные паттерны, включающие конкретные рецепты для подключения приложений к их конфигурациям.

• Часть V Дополнительные паттерны знакомит с дополнительными понятиями, например, как можно расширить саму платформу или как создавать образы контейнеров непосредственно внутри кластера.

Паттерны не всегда вписываются в какую-то одну категорию. В зависимости от контекста один и тот же паттерн может вписываться в несколько категорий. Каждая глава посвящена одному паттерну и является независимой, поэтому вы можете читать главы по отдельности и в любом порядке.

Кому адресована эта книга

Эта книга адресована разработчикам, которые хотят проектировать и разрабатывать облачные приложения для платформы Kubernetes. Наибольшую пользу из нее извлекут читатели, которые хотя бы немного знакомы с контейнерами и понятиями Kubernetes и хотят подняться на новый уровень. Однако вам не нужно знать низкоуровневые детали устройства Kubernetes, чтобы понять варианты и паттерны использования. Архитекторы, технические консультанты и разработчики выиграют от знакомства с паттернами, описанными здесь.

Эта книга основана на сценариях использования и уроках, извлеченных из реальных проектов. Мы хотим помочь вам создавать облачные приложения, а не изобретать велосипед.

Что вы узнаете

Вы сделаете массу открытий. Некоторые паттерны могут выглядеть как выдержки из руководства по Kubernetes, но при ближайшем рассмотрении вы увидите, что паттерны представлены с концептуальной точки зрения, чего не хватает в других книгах, посвященных этой теме. Другие описываются иначе, с подробными рекомендациями для каждой конкретной задачи, как, например, в части IV Конфигурационные паттерны.

Независимо от степени подробности описания паттерна, вы узнаете все, что Kubernetes предлагает для каждого конкретного паттерна, со множеством иллюстративных примеров. Все эти примеры были протестированы, и мы расскажем, как получить их исходный код в разделе «Использование примеров кода».

Прежде чем начать погружение, кратко перечислим, чем не является эта книга:

• Эта книга не является руководством по настройке самого кластера Kubernetes. Каждый паттерн и каждый пример предполагает, что вы уже настроили и запустили Kubernetes. Опробовать примеры можно несколькими способами. Желающим узнать, как настроить кластер Kubernetes, рекомендуем книгу «Managing Kubernetes» Брендана Бернса (Brendan Burns) и Крейга Трейси (Craig Tracey), изданную в O’Reilly (https://oreil.ly/2HoadnU). Кроме того, книга «Kubernetes Cookbook» Майкла Хаузенбласа (Michael Hausenblas) и Себастьяна Гоасгена (Sbastien Goasguen), изданная в O’Reilly (http://bit.ly/2FTgJzk), содержит рецепты создания кластера Kubernetes с нуля.

• Эта книга не является ни введением в Kubernetes, ни справочным руководством. Мы затрагиваем многие особенности Kubernetes и объясняем их до определенной степени, но основное внимание уделяется идеям, лежащим в основе этих особенностей. В главе 1 «Введение» предлагается краткий обзор основ Kubernetes. Если вы ищете исчерпывающую книгу об использовании Kubernetes, мы настоятельно рекомендуем книгу «Kubernetes in Action» Марко Лукши (Marko Luka), изданную в Manning Publications.

Книга написана в непринужденной манере и больше напоминает серию очерков, которые можно читать независимо.

Типографские соглашения

Как уже упоминалось, паттерны образуют простой, взаимосвязанный язык. Чтобы подчеркнуть эту взаимосвязь, названия паттернов записываются курсивом (например, Sidecar (Прицеп)). Когда паттерн получает название по базовому понятию Kubernetes (например, Init Container (Инициализирующий контейнер) или Controller (Контроллер)), мы используем такой способ оформления только для прямых ссылок на сам паттерн. Там, где это имеет смысл, мы также даем ссылки на главы с описаниями паттернов для упрощения навигации.

Мы также используем следующие соглашения:

• Все, что вводится в командной оболочке или в редакторе, будет оформляться моноширинным шрифтом.

• Имена ресурсов Kubernetes всегда записываются с заглавной буквы (например, Pod). Если ресурс имеет комбинированное имя, такое как ConfigMap, мы используем его вместо более естественного обозначения «config map» (конфигурационная карта), чтобы подчеркнуть, что имеется в виду понятие Kubernetes.

• Имена некоторых ресурсов Kubernetes совпадают с общими понятиями, такими как «служба» или «узел». В этих случаях мы используем оформление, характерное для имен ресурсов, только для ссылок на ресурсы.

Использование примеров кода

Описание каждого паттерна сопровождается примерами, которые вы можете найти на веб-странице книги (https://k8spatterns.io/). Также ссылки на примеры для каждого паттерна приводятся в разделе «Дополнительная информация» в каждой главе.

В разделе «Дополнительная информация» также приводятся ссылки на дополнительную информацию, имеющую отношение к паттерну. Мы постоянно обновляем эти списки в репозитории примеров. Изменения в коллекциях ссылок также будут публиковаться в Twitter (https://twitter.com/k8spatterns).

Исходный код всех примеров в этой книге доступен в GitHub (https://github.com/k8spatterns). Репозиторий и веб-сайт также содержат указания и инструкции о том, как создать кластер Kubernetes для опробования примеров. Просматривая примеры, также загляните в предоставляемые файлы ресурсов. В них вы найдете много полезных комментариев, помогающих понять код примера.

Во многих примерах используется REST-служба random-generator, которая возвращает случайные числа. Она специально создавалась для опробования примеров из этой книги. Исходный код этой службы тоже можно найти в GitHub (https://github.com/k8spatterns/random-generator), а ее образ для развертывания в контейнере k8spatterns/random-generator добавлен в каталог Docker Hub.

Для описания полей ресурсов мы используем обозначение путей в формате JSON. Например, .spec.replicas — это ссылка на поле replicas в разделе spec ресурса.

Если вы найдете ошибку в коде примера или в документации или если у вас появится вопрос, смело создавайте заявку в трекере проблем GitHub (https://github.com/k8spatterns/examples/issues). Мы следим за появлением заявок и с радостью отвечаем на любые вопросы.

Мы приветствуем любые предложения по изменению кода! Если вы считаете, что сможете усовершенствовать примеры, мы будем рады рассмотреть ваши предложения. Просто создайте заявку или запрос на трекере проблем GitHub и начните диалог с нами.

Благодарности

Создание этой книги было долгим путешествием, продолжавшимся два года, и мы хотим поблагодарить всех наших рецензентов, помогавшим нам не сбиться с пути. Особую благодарность хотим выразить Паоло Антинори (Paolo Antinori) и Андреа Тарокки (Andrea Tarocchi), помогавшим нам в этом путешествии. Большое спасибо также Марко Лукше (Marko Luka), Брендону Филипсу (Brandon Philips), Майклу Хуттерманну (Michael Httermann), Брайану Грейсли (Brian Gracely), Эндрю Блоку (Andrew Block), Иржи Кремсеру (Jiri Kremser), Тобиасу Шнеку (Tobias Schneck) и Рику Вагнеру (Rick Wagner), которые поддержали нас своим опытом и советами. Наконец, но не в последнюю очередь, большое спасибо нашим редакторам Вирджинии Уилсон (Virginia Wilson), Джону Девинсу (John Devins), Кэтрин Тозер (Katherine Tozer), Кристине Эдвардс (Christina Edwards) и всем замечательным сотрудникам O’Reilly за то, что помогли довести эту книгу до финала.

От издательства

Ваши замечания, предложения, вопросы отправляйте по адресу [email protected] (издательство «Питер», компьютерная редакция).

Мы будем рады узнать ваше мнение!

На веб-сайте издательства www.piter.com вы найдете подробную информацию о наших книгах.