--- # System prepended metadata title: Kubernetes (K8s) — Resumo Completo para Concursos --- # Kubernetes (K8s) — Resumo Completo para Concursos --- ## 1. O que é Kubernetes **Kubernetes** (K8s) é uma plataforma de **orquestração de contêineres** open-source, originalmente desenvolvida pelo Google e atualmente mantida pela **CNCF (Cloud Native Computing Foundation)**. Seu objetivo é automatizar o **deploy, escalonamento e gerenciamento** de aplicações em contêineres. > **"K8s"** = abreviação de Kubernetes (8 letras entre K e s). ### Por que Kubernetes existe? O Docker resolve o problema de empacotar e rodar contêineres individualmente. Kubernetes resolve o problema de gerenciar **centenas ou milhares de contêineres** em múltiplos servidores (hosts), garantindo: - Alta disponibilidade (HA) - Escalonamento automático - Autorrecuperação (self-healing) - Balanceamento de carga - Rollouts e rollbacks controlados --- ## 2. Arquitetura do Kubernetes O Kubernetes segue o modelo **Control Plane + Worker Nodes**. ``` ┌─────────────────────────────────────────────────────┐ │ CONTROL PLANE │ │ ┌──────────────┐ ┌──────────┐ ┌───────────────┐ │ │ │ API Server │ │ etcd │ │ Scheduler │ │ │ └──────────────┘ └──────────┘ └───────────────┘ │ │ ┌──────────────────────────────────────────────┐ │ │ │ Controller Manager │ │ │ └──────────────────────────────────────────────┘ │ └─────────────────────────────────────────────────────┘ │ │ ┌────────▼──────┐ ┌────────▼──────┐ │ WORKER NODE │ │ WORKER NODE │ │ ┌──────────┐ │ │ ┌──────────┐ │ │ │ kubelet │ │ │ │ kubelet │ │ │ ├──────────┤ │ │ ├──────────┤ │ │ │kube-proxy│ │ │ │kube-proxy│ │ │ ├──────────┤ │ │ ├──────────┤ │ │ │ Pod │ │ │ │ Pod │ │ │ │ Pod │ │ │ │ Pod │ │ │ └──────────┘ │ │ └──────────┘ │ └───────────────┘ └───────────────┘ ``` --- ## 3. Componentes do Control Plane | Componente | Função | |---|---| | **kube-apiserver** | Ponto central de comunicação. Toda interação com o cluster passa por ele (REST API). É o único componente que se comunica com o etcd. | | **etcd** | Banco de dados chave-valor distribuído. Armazena **todo o estado do cluster** (configurações, pods, secrets, etc.). Componente crítico — sua perda significa perda do cluster. | | **kube-scheduler** | Decide em qual Node um Pod será executado, com base em recursos disponíveis, afinidades e restrições. | | **kube-controller-manager** | Executa os controladores que monitoram o estado do cluster e tomam ações corretivas (ex.: recriar pods que falharam). | | **cloud-controller-manager** | Integra o cluster com APIs de provedores de nuvem (AWS, GCP, Azure). Gerencia load balancers, volumes e nós na nuvem. | --- ## 4. Componentes dos Worker Nodes | Componente | Função | |---|---| | **kubelet** | Agente que roda em cada Node. Garante que os contêineres definidos nos Pods estejam em execução e saudáveis. Comunica-se com o API Server. | | **kube-proxy** | Mantém as regras de rede no Node. Permite a comunicação de rede para os Pods (implementa o conceito de Service). | | **Container Runtime** | Software que executa os contêineres (ex.: containerd, CRI-O, Docker). O K8s usa a interface **CRI (Container Runtime Interface)**. | --- ## 5. Objetos Fundamentais do Kubernetes ### 5.1 Pod - **Menor unidade do Kubernetes.** - Agrupa um ou mais contêineres que compartilham rede e armazenamento. - Cada Pod tem um **IP único** dentro do cluster. - Pods são **efêmeros** — quando morrem, não ressuscitam sozinhos (para isso existem os controllers). - Contêineres dentro de um mesmo Pod se comunicam via `localhost`. ```yaml apiVersion: v1 kind: Pod metadata: name: meu-pod spec: containers: - name: nginx image: nginx:1.25 ports: - containerPort: 80 ``` ### 5.2 ReplicaSet - Garante que um número específico de réplicas de um Pod esteja sempre em execução. - Se um Pod falha, o ReplicaSet cria um novo automaticamente (**self-healing**). - Raramente usado diretamente — geralmente gerenciado pelo Deployment. ### 5.3 Deployment - **Objeto mais usado no dia a dia.** - Gerencia ReplicaSets e permite **atualizações declarativas** de aplicações. - Suporta **rolling update** (atualização gradual) e **rollback**. - Estratégias de deploy: `RollingUpdate` (padrão) e `Recreate`. ```yaml apiVersion: apps/v1 kind: Deployment metadata: name: meu-deploy spec: replicas: 3 selector: matchLabels: app: minha-app template: metadata: labels: app: minha-app spec: containers: - name: nginx image: nginx:1.25 ``` ### 5.4 Service - Expõe um conjunto de Pods como um **endpoint de rede estável**. - Os Pods têm IPs dinâmicos; o Service fornece um IP/DNS fixo. - Usa **seletores de labels** para encontrar os Pods. **Tipos de Service:** | Tipo | Descrição | |---|---| | **ClusterIP** (padrão) | Expõe o serviço apenas **dentro do cluster**. IP interno. | | **NodePort** | Expõe o serviço em uma porta estática em **cada Node** (30000–32767). Acesso externo possível. | | **LoadBalancer** | Cria um load balancer externo (em ambientes de nuvem). Acesso externo com IP público. | | **ExternalName** | Mapeia o Service para um nome DNS externo (CNAME). | ### 5.5 Namespace - Mecanismo de **isolamento lógico** dentro do cluster. - Permite dividir um cluster entre múltiplas equipes/projetos. - Namespaces padrão: `default`, `kube-system`, `kube-public`, `kube-node-lease`. - Recursos como Nodes e PersistentVolumes são **globais** (não pertencem a um namespace). ### 5.6 ConfigMap - Armazena dados de configuração **não sensíveis** em pares chave-valor. - Desacopla configuração da imagem do contêiner. - Pode ser montado como variável de ambiente ou arquivo. ### 5.7 Secret - Armazena dados **sensíveis** (senhas, tokens, chaves) codificados em **Base64**. - Atenção: Base64 **não é criptografia** — Secrets precisam de criptografia adicional em repouso para segurança real. - Tipos comuns: `Opaque`, `kubernetes.io/tls`, `kubernetes.io/dockerconfigjson`. ### 5.8 PersistentVolume (PV) e PersistentVolumeClaim (PVC) - **PV:** recurso de armazenamento provisionado no cluster (NFS, EBS, disco local, etc.). - **PVC:** solicitação de armazenamento feita por um Pod. O K8s faz o binding entre PVC e PV. - **StorageClass:** permite provisionamento dinâmico de volumes. --- ## 6. Objetos Avançados ### 6.1 StatefulSet - Para aplicações com **estado** (bancos de dados, filas, Kafka, etc.). - Garante **identidade estável** para cada Pod (nome fixo: `pod-0`, `pod-1`, ...). - Volumes persistentes por Pod, que não são deletados quando o Pod é removido. - Pods são criados e deletados em **ordem**. ### 6.2 DaemonSet - Garante que **todos os Nodes** (ou um subconjunto) executem uma cópia de um Pod. - Usado para agentes de monitoramento, coletores de logs, proxies de rede. - Exemplos: Fluentd, Prometheus Node Exporter, kube-proxy. ### 6.3 Job e CronJob - **Job:** executa uma tarefa até a conclusão (não fica em loop). Útil para processamento em batch. - **CronJob:** agenda Jobs para execução periódica (sintaxe cron). Ex.: `"0 3 * * *"` = todo dia às 3h. ### 6.4 Ingress - Gerencia o **acesso HTTP/HTTPS externo** aos Services dentro do cluster. - Funciona como um roteador de camada 7 (baseado em host ou caminho URL). - Requer um **Ingress Controller** instalado (ex.: NGINX Ingress Controller, Traefik). ``` Usuário → Ingress → /api → Service A → /web → Service B → /admin → Service C ``` ### 6.5 HorizontalPodAutoscaler (HPA) - Escala automaticamente o número de réplicas de um Deployment/ReplicaSet com base em métricas (CPU, memória, métricas customizadas). ### 6.6 ResourceQuota e LimitRange - **ResourceQuota:** limita o total de recursos consumidos por um namespace. - **LimitRange:** define limites padrão e máximos por container/Pod dentro de um namespace. --- ## 7. Rede no Kubernetes - Cada Pod recebe um **IP único e roteável** dentro do cluster. - Contêineres no mesmo Pod se comunicam via `localhost`. - Pods de Nodes diferentes se comunicam diretamente (sem NAT) — modelo **flat network**. - A rede é implementada por **plugins CNI** (Container Network Interface): Calico, Flannel, Cilium, Weave. ### NetworkPolicy - Define regras de firewall para o tráfego entre Pods. - Por padrão, todos os Pods podem se comunicar livremente. - Com NetworkPolicy, é possível restringir tráfego de entrada (ingress) e saída (egress). --- ## 8. Agendamento (Scheduling) O Scheduler decide onde cada Pod vai rodar com base em: | Mecanismo | Descrição | |---|---| | **nodeSelector** | Seleciona Nodes por label. Forma mais simples. | | **Node Affinity** | Versão avançada do nodeSelector, com operadores (`In`, `NotIn`, etc.). | | **Pod Affinity / Anti-Affinity** | Coloca Pods próximos ou separados de outros Pods. | | **Taints e Tolerations** | Nodes "repelem" Pods por padrão (taint); Pods com toleration passam pelo filtro. | | **Resource Requests/Limits** | `requests` = mínimo garantido; `limits` = máximo permitido. Influencia o scheduling. | --- ## 9. Comandos kubectl Essenciais ```bash # Contexto e cluster kubectl config get-contexts # Lista contextos kubectl config use-context # Troca de contexto # Pods kubectl get pods # Lista pods no namespace default kubectl get pods -n kube-system # Lista pods em namespace específico kubectl get pods -o wide # Mostra IPs e Nodes kubectl describe pod # Detalhes do pod kubectl logs # Logs do pod kubectl exec -it -- bash # Acessa terminal do pod kubectl delete pod # Deleta pod # Deployments kubectl get deployments kubectl apply -f deployment.yaml # Aplica manifesto (cria ou atualiza) kubectl rollout status deployment/ kubectl rollout undo deployment/ # Rollback kubectl scale deployment/ --replicas=5 # Services kubectl get services kubectl expose deployment/ --port=80 --type=ClusterIP # Geral kubectl get all # Lista todos os recursos principais kubectl get nodes # Lista nodes do cluster kubectl top pods # Uso de CPU/memória (requer metrics-server) kubectl top nodes kubectl delete -f arquivo.yaml # Remove recursos pelo manifesto ``` --- ## 10. Labels, Selectors e Annotations - **Labels:** pares chave-valor anexados a objetos. Usados para seleção e organização. Ex.: `app: frontend`, `env: prod`. - **Selectors:** filtram objetos por labels. Usados por Services, Deployments, etc. - **Annotations:** metadados adicionais **não usados para seleção**. Usados para informações descritivas (ex.: versão de build, contato do time). --- ## 11. Ciclo de Vida de um Pod | Fase | Descrição | |---|---| | `Pending` | Pod aceito pelo cluster, aguardando ser agendado ou baixar imagens. | | `Running` | Pod agendado em um Node, pelo menos um contêiner em execução. | | `Succeeded` | Todos os contêineres terminaram com sucesso (código 0). | | `Failed` | Pelo menos um contêiner terminou com falha. | | `Unknown` | Estado do Pod não pode ser determinado (geralmente problema de rede com o Node). | ### Probes (verificações de saúde) | Probe | Função | |---|---| | **livenessProbe** | Verifica se o contêiner está vivo. Se falhar, reinicia o contêiner. | | **readinessProbe** | Verifica se o contêiner está pronto para receber tráfego. Se falhar, remove o Pod do Service. | | **startupProbe** | Verifica se a aplicação iniciou. Útil para apps lentas na inicialização. | --- ## 12. RBAC — Controle de Acesso **RBAC (Role-Based Access Control)** controla quem pode fazer o quê no cluster. | Objeto | Descrição | |---|---| | **Role** | Define permissões dentro de um **namespace**. | | **ClusterRole** | Define permissões em **todo o cluster** (ou recursos globais). | | **RoleBinding** | Vincula um Role a um usuário/grupo/ServiceAccount em um namespace. | | **ClusterRoleBinding** | Vincula um ClusterRole a um usuário/grupo no cluster inteiro. | | **ServiceAccount** | Identidade para **processos** dentro de Pods (não para usuários humanos). | --- ## 13. Helm — Gerenciador de Pacotes do Kubernetes - **Helm** é o gerenciador de pacotes do K8s (análogo ao apt/yum). - Pacotes são chamados de **Charts**. - Um Chart é um conjunto de templates YAML que geram manifestos do K8s. - **Helm Hub / Artifact Hub:** repositório público de charts. ```bash helm install minha-release bitnami/nginx # Instala um chart helm upgrade minha-release bitnami/nginx # Atualiza helm rollback minha-release 1 # Rollback para revisão 1 helm uninstall minha-release # Remove helm list # Lista releases instaladas ``` --- ## 14. Estratégias de Deploy | Estratégia | Descrição | |---|---| | **RollingUpdate** (padrão) | Substitui Pods gradualmente. Zero downtime. Controla `maxSurge` e `maxUnavailable`. | | **Recreate** | Mata todos os Pods antes de criar os novos. Causa downtime. | | **Blue/Green** | Mantém duas versões simultaneamente; troca o tráfego de uma vez (via Service). | | **Canary** | Envia uma fração do tráfego para a nova versão antes do rollout completo. | --- ## 15. Ferramentas do Ecossistema | Ferramenta | Função | |---|---| | **Minikube** | Cluster K8s local para desenvolvimento/testes (single node). | | **kind** | Kubernetes in Docker — clusters locais com múltiplos nodes via Docker. | | **k3s** | Distribuição leve do K8s para edge computing e IoT (Rancher/SUSE). | | **Lens / OpenLens** | IDE visual para gerenciar clusters Kubernetes. | | **Prometheus + Grafana** | Stack padrão de monitoramento para K8s. | | **Istio / Linkerd** | Service Mesh — gerencia comunicação, segurança e observabilidade entre serviços. | | **ArgoCD / Flux** | GitOps — sincroniza o estado do cluster com um repositório Git. | --- ## 16. Comparação: Docker vs Kubernetes | Aspecto | Docker (isolado) | Kubernetes | |---|---|---| | Escopo | Único host | Multi-host (cluster) | | Orquestração | Docker Compose (básico) | Nativa e avançada | | Self-healing | Não | Sim | | Escalonamento automático | Não | Sim (HPA/VPA) | | Balanceamento de carga | Manual | Automático (Services) | | Complexidade | Baixa | Alta | | Uso típico | Dev/teste local | Produção em escala | --- ## 17. Pontos que Mais Caem em Concursos - Kubernetes é um **orquestrador de contêineres**, não um runtime de contêineres. - **etcd** armazena o estado do cluster — é o componente mais crítico para backup. - **kube-apiserver** é o único componente que acessa o etcd diretamente. - **kubelet** roda em cada Node e é responsável por manter os Pods rodando. - **Pod** é a menor unidade implantável do K8s (não o contêiner). - **Service do tipo ClusterIP** só é acessível dentro do cluster. - **NodePort** expõe o serviço em uma porta entre 30000 e 32767. - **LoadBalancer** requer suporte de um provedor de nuvem. - **Ingress** requer um **Ingress Controller** instalado — não funciona sozinho. - **StatefulSet** para apps com estado; **Deployment** para apps sem estado (stateless). - **DaemonSet** garante um Pod em cada Node do cluster. - **ConfigMap** para configurações; **Secret** para dados sensíveis (em Base64). - **Secret não é criptografado por padrão** — apenas codificado em Base64. - **RBAC**: Role e RoleBinding são namespaced; ClusterRole e ClusterRoleBinding são globais. - **livenessProbe** reinicia o contêiner; **readinessProbe** controla o tráfego do Service. - Kubernetes foi originalmente criado pelo **Google** e doado à **CNCF** em 2016. - A sigla K8s vem das 8 letras entre o **K** e o **s** de Kubernetes. ## Extra Requests (Solicitações): É a garantia mínima. O Scheduler (escalonador) do Kubernetes usa esse valor para decidir em qual Nó (Node) o Pod vai rodar. Se um Pod "solicita" 2GB de RAM, o Kubernetes só o colocará em um servidor que tenha, no mínimo, 2GB livres. Limits (Limites): É o teto máximo. Uma vez rodando, se o contêiner tentar usar mais CPU do que o limite, ele será estrangulado (throttled). Se tentar usar mais Memória do que o limite, ele será morto pelo sistema.