Architecture et fonctionnement de Kubernetes

Après avoir vu ce qu’est l’orchestrateur Kubernetes, passons à son fonctionnement interne. Derrière cette plateforme d’orchestration se cache une architecture modulaire et résiliente, capable de gérer des applications conteneurisées de manière automatique et scalable. Explorons ensemble les différentes briques qui permettent à Kubernetes d’assurer une gestion fluide et efficace des conteneurs.

Fonctionnement de Kubernetes

Pour comprendre comment Kubernetes fonctionne, il faut d’abord voir cet outil comme une machine bien huilée où chaque pièce a son rôle précis. À la base, Kubernetes est un système distribué conçu pour gérer vos applications conteneurisées. Mais contrairement à une simple plateforme de déploiement, Kubernetes repose sur des concepts robustes qui garantissent que votre infrastructure reste opérationnelle, même en cas de chaos.

Une orchestration centralisée et distribuée

Le fonctionnement de Kubernetes repose sur une architecture modulaire qui sépare clairement les responsabilités entre deux parties principales :

• Le plan de contrôle (Control Plane) : C’est le cerveau de Kubernetes. Il orchestre toutes les actions dans le cluster.
• Les nœuds de travail (Worker Nodes) : Ce sont les muscles. Ils exécutent les conteneurs et assurent leur bon fonctionnement.

1. Plan de contrôle : le cerveau du cluster

Le plan de contrôle est la pièce maîtresse de Kubernetes. Voici ses composants clés et leur rôle :

1. API Server L’API Server est le point d’entrée principal pour toutes les commandes et communications. Que vous utilisiez la CLI, un tableau de bord ou un autre outil, tout passe par cette API. Elle valide vos requêtes et agit comme un pont vers les autres composants.

2. Scheduler Ce composant décide où vos applications seront exécutées. Il analyse les ressources disponibles sur les nœuds et choisit le meilleur endroit pour déployer vos pods.

3. Controller Manager Le Controller Manager est chargé de surveiller en permanence vos ressources. Il s’assure que l’état actuel du cluster correspond à l’état souhaité, défini dans vos fichiers de configuration. Par exemple, si un pod tombe, il déclenche un redémarrage.

4. Etcd Pensez à Etcd comme la mémoire de Kubernetes. Il s’agit d’une base de données clé/valeur qui stocke toutes les informations sur l’état du cluster. C’est le cœur de Kubernetes : si Etcd est compromis, tout le cluster est affecté.

2. Les nœuds de travail (worker node) : exécuter vos conteneurs

Les nœuds de travail (worker nodes) sont responsables de l’exécution des conteneurs. Chaque nœud contient plusieurs composants essentiels :

1. Kubelet Le Kubelet est un agent qui tourne sur chaque nœud. Il est chargé de s’assurer que les conteneurs décrits dans vos fichiers YAML sont en cours d’exécution.

2. Kube Proxy C’est le gestionnaire réseau. Il configure les règles réseau nécessaires pour permettre aux pods de communiquer entre eux et avec l’extérieur.

3. Runtime de conteneurs Kubernetes supporte plusieurs moteurs de conteneurs, comme Docker, Podman, ou containerd. Le runtime est responsable de l’exécution réelle des conteneurs sur le nœud.

3. La Gestion du Réseau dans Kubernetes

En plus d’orchestrer les conteneurs, Kubernetes gère également leur communication au sein du cluster. Son modèle réseau repose sur trois principes clés :

1. Les plugins CNI (Container Network Interface), comme Calico ou Flannel, permettent d’implémenter différentes stratégies de mise en réseau.
2. Chaque pod possède sa propre adresse IP et peut communiquer directement avec les autres pods sans NAT.
3. Kube Proxy configure les règles réseau pour assurer la communication entre les services et les pods.

Grâce à cette architecture, Kubernetes facilite la mise en réseau des applications tout en garantissant une connectivité fluide et sécurisée.

Fonctionnement globale de Kubernetes (simplifié)

Le fonctionnement de Kubernetes repose sur plusieurs étapes clés qui assurent le déploiement, la gestion et l’auto-réparation des applications conteneurisées. Voici un déroulé détaillé du processus, de la requête utilisateur jusqu’à l’auto-réparation en cas de problème.

1. L’utilisateur envoie une requête

L’utilisateur interagit avec Kubernetes via kubectl, une API REST, ou un tableau de bord. Par exemple, pour créer un pod, il peut utiliser la commande suivante :

kubectl apply -f mon-pod.yaml

👉 Cette requête est envoyée à l’API Server, qui est le point central de toutes les opérations.

2. L’API Server enregistre l’état souhaité

• L’API Server reçoit la requête et valide son contenu.
• Il enregistre ensuite ces informations dans Etcd, qui conserve l’état souhaité du cluster.
• L’API Server notifie alors le Scheduler qu’un nouveau pod doit être créé.

👉 Etcd est le référentiel source de vérité : il stocke en permanence la configuration et l’état du cluster.

3. Le Scheduler attribue un nœud au pod

• Le Scheduler analyse les ressources disponibles sur les nœuds (CPU, RAM, affinité…).
• Il sélectionne le meilleur nœud disponible pour exécuter le pod.
• L’API Server informe le Kubelet du nœud choisi qu’un nouveau pod doit être déployé.

👉 Kubernetes ne lance pas directement les conteneurs, il planifie leur exécution en fonction des ressources disponibles.

4. Le Kubelet démarre le conteneur

• Le Kubelet sur le nœud sélectionné récupère les spécifications du pod.
• Il demande alors au runtime de conteneurs (ex. Docker, containerd, Podman) d’exécuter le conteneur.
• Une fois le conteneur lancé, Kubelet met à jour son état et le transmet à l’API Server.

👉 Le Kubelet est l’agent qui assure le bon fonctionnement des pods sur chaque nœud.

5. Configuration du réseau par Kube Proxy

• Kube Proxy configure les règles réseau nécessaires pour permettre aux pods et aux services de communiquer entre eux et avec l’extérieur.
• Kubernetes utilise un modèle réseau plat, où chaque pod possède une adresse IP unique accessible sans NAT.

👉 Grâce à Kube Proxy, les pods peuvent échanger des données sans nécessiter de configurations réseau complexes.

6. Auto-réparation en cas de panne

• Si un pod tombe en panne (exemple : crash du conteneur ou nœud défaillant), le Controller Manager détecte une divergence entre l’état actuel et l’état souhaité du cluster.
• Il demande alors au Scheduler de redéployer le pod sur un autre nœud disponible.
• Le Kubelet du nouveau nœud prend le relais et redémarre le pod.

👉 C’est grâce à ce mécanisme de réconciliation automatique que Kubernetes garantit une haute disponibilité des applications.

Résumé du fonctionnement Kubernetes

Composant	Rôle
API Server	Point d’entrée pour toutes les interactions avec Kubernetes
Etcd	Stocke l’état souhaité du cluster
Scheduler	Assigne les pods aux nœuds disponibles
Kubelet	Gère l’exécution des conteneurs sur chaque nœud
Runtime de conteneurs	Lance réellement les conteneurs (ex: Docker, containerd)
Kube Proxy	Configure la communication réseau entre les pods et services
Controller Manager	Détecte les anomalies et corrige les écarts avec l’état souhaité

Réconciliation et Auto-Réparation : L’ADN de Kubernetes

L’un des aspects les plus impressionnants de Kubernetes est sa capacité à maintenir vos applications dans un état fonctionnel, même en cas d’incidents ou de pannes (bien sur kubernetes doit être déployé de manière à ce qu’il soit résilient). Cette magie repose sur deux concepts fondamentaux : les boucles de réconciliation et les mécanismes d’auto-réparation. Ensemble, ils permettent à Kubernetes de garantir que votre cluster reste conforme à vos attentes.

Les boucles de réconciliation : un contrôle constant

Kubernetes est construit autour d’un langage déclaratif, où vous décrivez l’état souhaité de vos ressources (pods, services, déploiements, etc.) dans des fichiers YAML. Une fois cet état déclaré, Kubernetes utilise ses contrôleurs pour s’assurer que la réalité correspond toujours à ce que vous avez demandé.

Comment ça fonctionne ?

1. L’état souhaité : Vous indiquez à Kubernetes, via un manifest YAML, par exemple, que vous voulez 5 réplicas d’une application.
2. L’état actuel : Kubernetes surveille en permanence l’état réel des ressources. Si un pod manque ou si un nœud tombe en panne, il détecte une divergence entre l’état actuel et l’état souhaité.
3. Réconciliation : Kubernetes déclenche une boucle pour corriger cette divergence. Par exemple, s’il manque un pod, il en déploie un nouveau.

Ce processus est continu : Kubernetes compare l’état souhaité et l’état réel à intervalles réguliers, et corrige tout écart automatiquement.

Pourquoi c’est essentiel ?

Ces mécanismes offrent plusieurs avantages importants :

• Résilience : Vos applications restent disponibles malgré les pannes matérielles ou logicielles.
• Économie de temps : Vous n’avez pas besoin d’intervenir manuellement pour réparer des erreurs.
• Scalabilité : Ces boucles et réparations automatiques permettent de gérer des systèmes complexes à grande échelle.

Avec les boucles de réconciliation, Kubernetes devient un véritable garde-fou pour vos applications, garantissant qu’elles restent opérationnelles, peu importe les imprévus. Cela fait partie de ce qui rend Kubernetes si puissant et indispensable dans les environnements modernes.

Conclusion

L’architecture de Kubernetes repose sur une séparation claire des responsabilités entre le plan de contrôle et les nœuds de travail. Grâce à cette conception, Kubernetes est capable de gérer, orchestrer et réparer automatiquement les applications conteneurisées, garantissant ainsi haute disponibilité et scalabilité.

Si vous souhaitez approfondir chaque composant en détail, explorez mes guides dédiés :

• Le Plan de Contrôle : Comprendre le rôle de l’API Server, du Scheduler, du Controller Manager et de Etcd.
• Les Nœuds de Travail : Découvrir le fonctionnement du Kubelet, de Kube Proxy et des runtimes de conteneurs.
• Le réseau dans Kubernetes (en cours d’écriture) : Comprendre comment Kubernetes gère la communication au sein du cluster.

Kubernetes ne se limite pas à son architecture : c’est un écosystème complet permettant d’automatiser et de sécuriser vos déploiements. À vous de l’explorer plus en profondeur !