Arquitectura y Kubernetes on premise para servicios gestionados

Introducción

En la era de la digitalización y la transformación tecnológica, Kubernetes se ha consolidado como el orquestador de contenedores líder para desplegar y gestionar aplicaciones de manera escalable, flexible y confiable. Sin embargo, entender su arquitectura y diferencias al implementarlo on premise frente a un entorno gestionado en la nube es fundamental para tomar decisiones acertadas en el diseño de infraestructuras modernas. Este artículo técnico ofrece un análisis detallado y exhaustivo del funcionamiento interno de Kubernetes, sus componentes clave, y las particularidades que surgen cuando se utilizan clusters on premise o mediante servicios gestionados, como los ofrecidos en plataformas cloud públicas.

Con este conocimiento, profesionales de TI, DevOps y arquitectos de sistemas podrán optimizar sus despliegues, mejorar la operatividad y sacar máximo provecho a sus recursos tecnológicos, resolviendo dudas frecuentes y aplicando buenas prácticas probadas.

1. Conceptos básicos: Cluster y orquestación de contenedores

Kubernetes es una plataforma de código abierto destinada a orquestar contenedores, permitiendo la automatización del despliegue, escalado y gestión de aplicaciones. Un cluster de Kubernetes agrupa varios nodos que permiten ejecutar cargas de trabajo en contenedores de forma coordinada.

Existen dos tipos fundamentales de nodos en un cluster:

• Nodos Master: Son responsables de la administración y el control del cluster.
• Nodos Worker: Ejecutan las cargas de trabajo en contenedores.

Una característica clave es la capacidad de agregar o eliminar nodos dinámicamente sin interrumpir el funcionamiento del cluster, lo que aporta flexibilidad y escalabilidad en tiempo real.

2. Arquitectura de Kubernetes: Desglose y componentes principales

Para comprender Kubernetes es esencial revisar su arquitectura concentrada en dos grandes bloques: el control plane y los nodos worker. El control plane incluye los componentes encargados de mantener el estado del cluster y gestionar su operación.

2.1 El control plane y sus procesos

Los nodos Master ejecutan el control plane, compuesto principalmente por:

• etcd: Una base de datos distribuida clave-valor que almacena el estado deseado del cluster, configuraciones y el historial de operaciones.
• API Server: Punto de entrada a la API REST que expone todos los servicios administrativos de Kubernetes. Es la interfaz central para la interacción con el cluster.
• Scheduler: Responsable de decidir en qué nodo worker se deben ejecutar los nuevos pods (unidades mínimas de ejecución en Kubernetes).
• Controller Manager: Ejecuta los controladores que gestionan las tareas recurrentes como mantener el número correcto de pods para cada aplicación.

Es importante destacar que aunque etcd es la base de datos estándar, en implementaciones personalizadas, puede ser sustituida por otras soluciones que cumplan con los requerimientos de almacenamiento y rendimiento.

2.2 Nodos worker y sus componentes

Los nodos worker ejecutan los contenedores dentro de estructuras llamadas pods. Para ello, cuentan con:

• Kubelet: Agente que recibe órdenes del API Server y controla la ejecución de pods en el nodo local.
• Container runtime: Motor que ejecuta realmente los contenedores (Docker, containerd, CRI-O, etc.), implementando la CRI (Container Runtime Interface) estándar.
• Kube-proxy: Responsables de la red, realizan el encaminamiento del tráfico y gestionan las reglas para comunicación interna y hacia el exterior.

3. Profundizando en los pods: la unidad básica de ejecución

En Kubernetes no hablamos directamente de contenedores individuales, sino de pods, que pueden contener uno o varios contenedores que comparten recursos y red.

Esto significa que todos los contenedores dentro de un pod comparten la misma dirección IP y pueden comunicarse entre sí mediante localhost o técnicas de IPC (Interprocess Communication). Esto difiere de la ejecución en contenedores aislados donde cada uno tiene su propio espacio de red.

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La compartición del espacio de red dentro del pod facilita arquitecturas complejas, como sidecars, donde múltiples contenedores colaboran estrechamente para proporcionar funcionalidades complementarias.

3.1. Ventajas del uso de pods en Kubernetes

• Comunicación eficiente: Contenedores pueden enlazarse localmente sin necesidad de redes externas.
• Despliegue simplificado: Un único pod como unidad de despliegue facilita la gestión y actualización.
• Aislamiento controlado: Compartiendo red y almacenamiento, pero manteniendo procesos separados.

4. Red en Kubernetes: diseño y comunicaciones internas

Kubernetes provee una red interna que interconecta todos los pods permitiendo una comunicación transparente y eficiente. Esta red es plana, es decir, cada pod tiene una IP única en todo el cluster.

Existen mecanismos para segmentar la red y controlar el tráfico mediante políticas de red (Network Policies), que funcionan como reglas tipo firewall para limitar qué pods pueden comunicarse entre sí, aumentando la seguridad e aislamiento.

4.1 Servicios: fachada para acceder a pods

En Kubernetes, los servicios (Services) agrupan un conjunto de pods equivalentes y proporcionan una IP virtual y un nombre DNS estable para acceder a ellos.

• Balanceo de carga: Los servicios distribuyen las solicitudes entrantes entre los pods disponibles.
• Exposición externa: Permiten exponer aplicaciones al exterior, ya sea mediante un puerto de nodo (NodePort) o balanceadores de carga (LoadBalancer).

5. Kubernetes on premise vs Kubernetes gestionado en la nube

La elección entre desplegar Kubernetes en infraestructuras propias (on premise) o utilizar servicios gestionados en la nube impacta directamente en aspectos operativos, costos y escalabilidad.

5.1 Kubernetes on premise: ventajas y desafíos

• Control total: Gestión completa de hardware, seguridad, y configuraciones específicas.
• Costos iniciales elevados: Inversión en infraestructura física y mantenimiento.
• Requiere experticia: Operación y actualización compleja, incluyendo gestión de nodos Master.

5.2 Kubernetes en servicio gestionado: beneficios clave

• Despliegue rápido: Facilitado por proveedores que administran nodos Master y componentes críticos.
• Alta disponibilidad garantizada: Configuraciones preestablecidas y redundancia gestionada por el proveedor.
• Escalabilidad flexible y automatizada: Añadir o quitar nodos worker mediante herramientas intuitivas como node pools.
• Reducción de costos operativos: Sin necesidad de administrar infraestructura física ni actualizaciones del control plane.

6. Gestión dinámica de nodos y node pools

Una característica esencial de Kubernetes es su capacidad para modificar el tamaño del cluster en caliente, añadiendo o removiendo nodos scheduler sin reiniciar el cluster. Esto se logra especialmente en servicios gestionados a través de node pools, grupos homogéneos de nodos worker que pueden ser escalados o actualizado en bloque.

Esto brinda una flexibilidad enorme para ajustarse a la demanda de trabajo, mitigando riesgos y optimizando costos.

7. Ejemplo paso a paso: creación y exposición de una aplicación en Kubernetes

Para ilustrar un flujo típico, detallamos las etapas desde el despliegue hasta la exposición pública de una API en Kubernetes:

1. Definir el pod: Crear un archivo YAML que describa el contenedor o contenedores que formarán el pod.
2. Desplegar el pod: Utilizar kubectl apply -f pod.yaml para crear el pod en el cluster.
3. Crear un servicio: Definir un Service de tipo NodePort o LoadBalancer para exponer la aplicación.
4. Acceder a la aplicación: Mediante la IP y puerto asignados para servicios, acceder a la API desde fuera del cluster.

Esta secuencia es la base para proyectos de producción y puede ser ampliada para incluir volúmenes persistentes, autoscaling, políticas de red, entre otros.

8. Tabla comparativa: Kubernetes on premise vs en servicio gestionado

9. Buenas prácticas para arquitecturas Kubernetes on premise

• Redundancia en nodos Master: Implementar mínimo 3 nodos para alta disponibilidad y evitar puntos únicos de fallo.
• Monitoreo continuo: Integrar herramientas de observabilidad para conocer el estado en tiempo real.
• Backups periódicos de etcd: Garantizar la resiliencia ante fallos críticos en el almacenamiento del estado.
• Políticas de red estrictas: Aplicar Network Policies para separar y asegurar comunicaciones entre aplicaciones.
• Automatización: Usar infraestructura como código y pipelines para gestionar despliegues y actualizaciones.
• Seguridad: Controlar accesos mediante RBAC y restringir permisos mínimos necesarios para usuarios y servicios.

10. Aspectos a considerar al migrar a un Kubernetes gestionado

La migración a un servicio gestionado implica adaptar procesos y arquitectura:

• Validar compatibilidad de aplicaciones y dependencias.
• Rediseñar la estrategia de acceso y redes para ajustarse a la oferta cloud.
• Aprovechar funcionalidades adicionales como escalado automático y balanceadores integrados.
• Planificar la transición de almacenamiento y backups.
• Capacitar al equipo en nuevas herramientas y paneles de gestión.

11. Recursos y herramientas de soporte para Kubernetes

• kubectl: Cliente de línea de comandos para interactuar con el API Server.
• Helm: Gestor de paquetes para Kubernetes que facilita la instalación y actualización de aplicaciones complejas.
• Dashboard Kubernetes: Interfaz web para visualizar objetos y estados del cluster.
• Arsys Data Center Designer: Herramienta para crear y gestionar infraestructuras cloud con Kubernetes gestionado.

12. Consideraciones sobre seguridad en Kubernetes

El despliegue seguro de Kubernetes es crítico para proteger datos y servicios:

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• Activar autenticación y autorización estricta (RBAC).
• Cifrar comunicaciones entre componentes y pods.
• Auditorías constantes y registro de eventos.
• Aplicar actualizaciones y parches con prontitud.

13. Escalabilidad y balanceo de carga

Kubernetes facilita el escalado horizontal automático mediante controladores que ajustan el número de pods según la demanda.

El balanceador de carga dirige el tráfico entre pods disponibles, manteniendo el rendimiento y la disponibilidad de la aplicación.

14. Integración con CI/CD y DevOps

Kubernetes soporta pipelines de integración y entrega continua para acelerar despliegues de software, permitiendo:

• Versionado y rollback de aplicaciones.
• Pruebas automatizadas y validación en entornos similares a producción.
• Implementaciones blue/green y canary para minimizar riesgos.

15. Impacto en la operativa y competencias del equipo TI

Adoptar Kubernetes implica actualizar habilidades técnicas para operar clusters, automatizar tareas, y gestionar nuevas arquitecturas cloud nativas.

La formación continua y la participación en comunidades tecnológicas es fundamental para mantenerse al día con mejores prácticas y tendencias.

Para complementar esta guía detallada, te invitamos a profundizar visualmente en la arquitectura de Kubernetes y las diferencias entre su versión on premise y gestionada, a través del siguiente video explicativo.

Palabras clave relacionadas

Kubernetes

Kubernetes es la plataforma estándar para la orquestación de contenedores. Su importancia radica en la automatización que ofrece para desplegar, escalar y gestionar aplicaciones en entornos distribuidos. Una duda común es cómo administra los recursos en nodos múltiples y cómo gestiona fallos.

Consejo: Familiarizarse con su arquitectura central es vital para entender cómo diseñar clusters fiables y eficientes.

Pods

Los pods son unidades mínimas de despliegue. Un error frecuente es pensar en ellos como simples contenedores individuales, cuando en realidad pueden contener varios contenedores que comparten red y almacenamiento.

Consejo: Arquitecturas avanzadas usan pods con múltiples contenedores para funciones complementarias.

Control Plane

El control plane es el cerebro del cluster, encargado de su administración centralizada. Algunas preguntas habituales involucran la gestión de la base de datos etcd y la alta disponibilidad.

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Consejo: En implementaciones propias, asegurar la redundancia del control plane con al menos tres nodos.

Node Pools

Pool de nodos facilita la administración de grupos homogéneos de nodos worker, permitiendo escalado y mantenimiento más sencillo.

Consejo: Utilizar node pools para optimizar costos y adaptar recursos a la demanda.

Servicios en Kubernetes

El concepto de Servicio es fundamental para abstraer el acceso a un conjunto de pods y garantizar continuidad y balanceo.

Una duda frecuente es sobre los tipos de servicios: ClusterIP, NodePort, LoadBalancer y Ingress.

Consejo: Para exposición externa, preferir LoadBalancer o Ingress para mayor flexibilidad y seguridad.

Networking

La red en Kubernetes es plana y permite comunicación directa entre pods, pero también necesita ser segmentada para mantener seguridad.

Consejo: Configurar políticas de red desde etapas tempranas para prevenir problemas de seguridad y aislamiento.

etcd

Es el almacenamiento clave-valor para el estado del cluster. Dudas comunes sobre su rendimiento y contingencia suelen aparecer.

Consejo: Implementar backups regulares y monitoreo para evitar pérdida de estado ante fallos.

API Server

La puerta de comunicación con el cluster, a través de una API REST, es usada no solo por administradores sino también por herramientas automatizadas.

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Consejo: Asegurar la autenticación y autorización para evitar accesos no autorizados.

Preguntas Frecuentes (FAQ)

¿Qué son los Kubernetes y para qué sirven?

Kubernetes, cuyo nombre proviene del griego y significa “capitán”, es un sistema de orquestación de contenedores que automatiza el despliegue, escalado y operación de aplicaciones en contenedores. Funciona como un “capitán” que guía el despliegue de contenedores en diferentes nodos físicos o virtuales, asegurando que estos estén disponibles, equilibrados y funcionando correctamente para soportar aplicaciones modernas.

¿Qué son los servicios en Kubernetes?

Un Service en Kubernetes es un recurso que agrupa un conjunto de endpoints —en su mayoría pods— y proporciona una única dirección IP y un DNS estables para acceder a ellos. Esto permite desacoplar las aplicaciones del cambio dinámico de IPs de sus pods y posibilita la distribución de tráfico entre réplicas. Los servicios pueden configurarse para ser accesibles solo internamente, mediante un NodePort o exponerse al exterior con un LoadBalancer.

¿Qué servicio de IBM Cloud se utiliza comúnmente para desplegar y gestionar aplicaciones en contenedores?

En IBM Cloud, la plataforma común para gestionar aplicaciones en contenedores es IBM Cloud Kubernetes Service, que provee un entorno gestionado para desplegar y operar clusters Kubernetes. Aunque Docker es fundamental como tecnología de contenedores, IBM Cloud Kubernetes Service ofrece la orquestación y gestión avanzada para aplicaciones distribuidas que necesitan alta disponibilidad y escalabilidad.

¿Qué diferencias existen entre un nodo Master y un nodo Worker?

El nodo Master controla y administra la cluster, mantiene el estado, ejecuta procesos críticos como el API Server, scheduler y etcd, y no ejecuta cargas de trabajo de usuario. Por el contrario, los nodos Worker son responsables de ejecutar los pods que corren las aplicaciones en contenedores.

¿Cómo asegura Kubernetes la alta disponibilidad en un cluster on premise?

Mediante la configuración de nodos Master en alta disponibilidad, generalmente con un mínimo de tres nodos para distribuir la carga y evitar puntos únicos de fallo. Además, etcd se despliega en configuración clustered para resistir fallos y mantener el estado sin interrupciones.

¿Qué es un Pod y por qué es importante entender su estructura?

Un Pod es la unidad mínima de ejecución en Kubernetes; puede contener uno o más contenedores que comparten el mismo espacio de red y almacenamiento. Esto permite una comunicación local eficiente y facilita arquitecturas de aplicaciones donde varios contenedores trabajan juntos.

¿Cuáles son las principales formas de exponer un servicio en Kubernetes?

Principalmente, a través de:

• NodePort: Expone el servicio en un puerto específico de todos los nodos.
• LoadBalancer: Proporciona una IP externa con balanceo automático (generalmente en entornos cloud).
• Ingress: Una capa adicional que gestiona acceso HTTP/S basado en reglas, rutas y certificados TLS.

¿Qué es un node pool y cuál es su utilidad?

Un node pool es un grupo de nodos worker homogéneos dentro del cluster, que pueden ser escalados o gestionados juntos. Facilita la administración de recursos, permite ejecuciones específicas y optimiza costes al asignar cargas de trabajo a pools con características concretas.

¿Cuáles son los retos comunes al implementar Kubernetes on premise?

Estos incluyen la complejidad en la gestión del control plane, la necesidad de configurar alta disponibilidad, asegurar backups y recuperación, realizar actualizaciones sin impacto y garantizar seguridad de la red y acceso a la API Server. La experiencia técnica y correcta planificación son claves para evitarlos.

¿Qué ventajas aporta un Kubernetes gestionado frente a uno on premise?

Entre las ventajas destacan la reducción de carga operativa al delegar la gestión del control plane, mayor rapidez en despliegues, escalabilidad automática, integración con servicios cloud complementarios y disminución de costos asociados al mantenimiento de infraestructura física.

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Conclusión

Entender en profundidad la arquitectura de Kubernetes y las diferencias entre implementaciones on premise y servicios gestionados es fundamental para diseñar infraestructuras modernas que respondan a los retos actuales de escalabilidad, seguridad y operatividad. Si estás considerando adoptar esta tecnología o migrar hacia un entorno gestionado para optimizar tus operaciones, Código6 está listo para acompañarte en ese camino. Somos especialistas en automatización, inteligencia artificial y transformación digital. Contactanos para comenzar tu proyecto hoy.