Qué es Docker y Kubernetes y cómo funcionan juntos eficientemente

Introducción: La revolución en el desarrollo y despliegue de software

En el dinámico mundo del desarrollo de software, la preocupación constante de los desarrolladores es aquella frase tan común: “en mi máquina funciona, pero en otro entorno no”. Esta problemática se origina debido a las diferencias en configuraciones, dependencias y sistemas operativos entre los distintos ambientes donde se despliega una aplicación. Hoy en día, la solución efectiva a este dilema radica en dos tecnologías fundamentales: contenedores y orquestadores de contenedores.

En este artículo exploraremos en profundidad cómo los contenedores, especialmente a través de Docker, y el sistema de orquestación conocido como Kubernetes, trabajan en conjunto para facilitar el desarrollo, despliegue, escalabilidad y mantenimiento de aplicaciones modernas, especialmente aquellas basadas en microservicios.

El ciclo de vida del software y sus desafíos tradicionales

El ciclo de vida tradicional del software suele dividirse en varias etapas: desarrollo, integración, pruebas y producción. En cada una de estas fases, el código pasa por distintos entornos donde se pueden presentar diferencias críticas.

Los desarrolladores programan en ambientes locales con configuraciones particulares. El resultado es que, al llevar la aplicación a un entorno de integración o producción, pueden surgir incompatibilidades.

Problemas comunes en el ciclo de vida

• Diferencias en versiones de librerías y dependencias.
• Configuraciones distintas en sistemas operativos.
• Incompatibilidades entre ambientes de desarrollo y producción.
• Dificultad para reproducir errores de producción en el entorno local.

Por lo tanto, garantizar que el software funcione de manera uniforme en todos los entornos es fundamental para la calidad y estabilidad de las aplicaciones.

Las máquinas virtuales: una primera solución con limitaciones

Las máquinas virtuales (VMs) fueron la primera respuesta tecnológica para aislar entornos y garantizar uniformidad. Estas simulan un hardware completo en el que se instala un sistema operativo completo, aislado del resto del equipo físico.

Sin embargo, las VMs consumen recursos significativos porque replican desde el kernel del sistema operativo hacia arriba, lo que afecta el rendimiento y la velocidad de desarrollo.

Ventajas y desventajas de las máquinas virtuales

Contenedores: la evolución ligera para entornos homogéneos

Los contenedores ofrecen aislamiento similar al de las VMs, pero sin la sobrecarga de virtualizar sistemas operativos completos. Utilizan el kernel del sistema operativo anfitrión, encapsulando únicamente la aplicación junto con sus dependencias necesarias.

Esto hace que los contenedores sean mucho más ligeros, rápidos de iniciar y eficientes en el uso de recursos.

¿Qué es un contenedor?

Un contenedor es un entorno de ejecución aislado que contiene todo lo necesario para que una aplicación funcione: código, librerías, dependencias y configuraciones, evitando conflictos entre múltiples aplicaciones o versiones que coexisten en el mismo sistema.

Beneficios clave de los contenedores

• Aislamiento: Cada contenedor opera independiente sin interferir con otras aplicaciones.
• Consistencia: El mismo contenedor funciona idénticamente en desarrollo, pruebas y producción.
• Ligereza: Al compartir el kernel, consumen menos recursos comparado con VM.
• Portabilidad: Se pueden ejecutar sin cambios en cualquier sistema compatible con el motor de contenedores.
• Velocidad: Inicio y despliegue casi instantáneos.

El origen de los contenedores en Linux

El concepto de contenedores se basa en tecnologías del kernel de Linux, como namespaces y cgroups. Los namespaces aíslan los recursos de los procesos, mientras que los cgroups controlan y limitan el uso de recursos como CPU y memoria.

Curso de Diseño UI con 9 trucos psicológicos para un gran diseño

En 2008, se creó LXC (Linux Containers) que permitió la creación de contenedores completos, marcando el inicio de esta revolución.

Introducción a Docker: Simplificando los contenedores

Docker es una plataforma lanzada en 2013 que revolucionó el uso de contenedores al simplificar su creación, gestión y distribución. Utiliza una combinación de herramientas para empaquetar aplicaciones en imágenes de contenedor reproducibles.

Docker se basa en imágenes, que son plantillas que contienen la aplicación y sus dependencias, y contenedores, que son instancias en ejecución de estas imágenes.

Componentes principales de Docker

• Dockerfile: Archivo de texto con instrucciones para construir una imagen.
• Imagen Docker: Paquete ejecutable e inmutable que contiene la aplicación y sus dependencias.
• Contenedor: Instancia en ejecución de una imagen.
• Docker Hub: Registro público para compartir imágenes.

Cómo funciona Docker: el proceso paso a paso

1. Se escribe un Dockerfile con instrucciones para montar la aplicación y sus dependencias.
2. Este Dockerfile se construye para generar una imagen Docker.
3. La imagen se despliega para crear uno o varios contenedores en diferentes entornos.
4. Los contenedores se ejecutan garantizando uniformidad entre desarrollo, pruebas y producción.

Consejos para trabajar con Docker

• Versiona tus Dockerfiles junto con el código fuente para mantener control de cambios.
• Utiliza imágenes base oficiales y mantenidas para evitar vulnerabilidades.
• Reduce el tamaño de las imágenes eliminando dependencias innecesarias.
• Prueba localmente tus contenedores antes de integrarlos al pipeline de CI/CD.

Microservicios: una arquitectura moderna para aplicaciones escalables

La arquitectura de microservicios divide una aplicación grande en múltiples componentes independientes y especializados llamados microservicios. Cada uno cumple una función específica, como gestionar usuarios, procesar pagos o gestionar cursos.

Esta separación permite desarrollar, desplegar y escalar cada microservicio independientemente, mejorando la flexibilidad y mantenibilidad.

Relación entre microservicios y contenedores

Cada microservicio suele empaquetarse y desplegarse en un contenedor distinto. Esto asegura independencia en dependencias y versiones entre servicios, facilitando la actualización y el mantenimiento.

La creciente complejidad en la gestión de múltiples contenedores

El incremento de microservicios implica un número cada vez mayor de contenedores en producción. Esto agrega complejidad en la comunicación, balanceo de carga, escalabilidad, recuperación ante fallos y despliegues. Aquí aparece la necesidad de un sistema que organice y gestione estos contenedores.

Kubernetes: el orquestador líder de contenedores

Kubernetes, desarrollado inicialmente por Google en 2014 a partir del proyecto Borg, es un sistema de orquestación que automatiza la implementación, escalabilidad y operación de contenedores. Su nombre proviene del griego ‘κυβερνήτης’ y significa ‘timón’ o ‘capitán’, reflejando su rol en dirigir los contenedores.

En 2015 pasó a ser un proyecto open source bajo la Linux Foundation, y desde entonces se ha convertido en el estándar de facto para gestión de contenedores a nivel empresarial y en la nube.

Funciones principales de Kubernetes

• Despliegue automático de contenedores y aplicaciones.
• Escalabilidad horizontal y vertical.
• Balanceo de carga entre instancias.
• Autorecuperación ante fallos.
• Gestión declarativa a través de archivos de configuración.
• Coordinación entre múltiples nodos y entornos híbridos.

Arquitectura de un clúster Kubernetes

Un clúster Kubernetes se compone de dos tipos principales de nodos:

Nodos maestros (Master nodes)

• Controlan y gestionan el estado del clúster.
• Ejecutan componentes críticos como:
  
  • API Server: Punto de entrada para órdenes y control del clúster.
  • Scheduler: Programa la asignación de contenedores a nodos trabajadores.
  • Controller Manager: Gestiona la ejecución del clúster y recursos asociados.
  • etcd: Base de datos distribuida que guarda el estado del clúster.

Nodos trabajadores (Worker nodes)

• Alojamiento real de las aplicaciones y contenedores.
• Cada nodo ejecuta el servicio kubelet, que comunica con el nodo maestro y gestiona los contenedores locales.
• Ejecutan Pods, que son unidades básicas de Kubernetes donde corren uno o varios contenedores.

Relación entre Pods, contenedores y servicios en Kubernetes

Un Pod en Kubernetes es el objeto más pequeño que puede desplegarse y suele contener uno o más contenedores relacionados que comparten recursos como red y almacenamiento.

Nmap para encontrar vulnerabilidades en páginas web de forma segura

Cada pod puede comunicarse con otros mediante servicios y controladores que facilitan la escalabilidad y comunicación dentro del clúster.

Escalabilidad en Kubernetes: vertical y horizontal

Kubernetes permite escalar aplicaciones tanto horizontalmente (añadiendo más réplicas de Pods) como verticalmente (incrementando recursos asignados a un pod o node).

Esto se adapta automáticamente a la demanda, garantizando alta disponibilidad y rendimiento óptimo.

Para complementar este artículo y profundizar en cada concepto, te invitamos a revisar este video que explica de forma clara y visual cómo funcionan Docker y Kubernetes y cómo aprovecharlos en el desarrollo moderno.

Buenas prácticas para usar Docker y Kubernetes

• Versiona tus imágenes y manifiestos: Mantén control de versiones para garantizar reproducibilidad.
• Modulariza servicios: Aplica arquitectura de microservicios para facilitar mantenimiento y escalado.
• Usa registros de imágenes seguros: Como Docker Hub o registros privados para distribuir imágenes confiables.
• Monitorea el clúster y contenedores: Implementa herramientas de monitorización para anticipar problemas.
• Automatiza despliegues con CI/CD: Integración continua que acelera entrega y reduce errores manuales.
• Optimiza recursos: Asigna límites y solicitudes de recursos en Kubernetes para un uso eficiente.

Comparativa: Contenedores vs. Máquinas Virtuales

Definiciones clave para dominar la temática

Docker

Docker es la plataforma líder para desarrollar, distribuir y ejecutar aplicaciones en contenedores. Facilita que una aplicación funcione de forma idéntica en diferentes entornos al encapsularla junto a sus dependencias.

Es importante entender que Docker simplifica la gestión de contenedores mediante herramientas amigables y automatización, lo que reduce errores y dependencia de la configuración del host.

Kubernetes

Kubernetes es el sistema de orquestación más popular para administrar contenedores en producción. Permite desplegar, escalar y administrar aplicaciones distribuidas con alta disponibilidad.

Su arquitectura basada en nodos maestros y trabajadores asegura que las aplicaciones estén siempre disponibles y balanceadas adecuadamente.

Contenedor

Un contenedor es una unidad ejecutable que incluye la aplicación y sus dependencias, aislada del sistema operativo host, lo que garantiza uniformidad y evita conflictos entre aplicaciones.

Microservicios

Los microservicios son una arquitectura que divide las aplicaciones en múltiples servicios pequeños, independientes y especializados. Esta metodología aumenta la escalabilidad, facilita mantenimiento y permite despliegues autónomos.

Clúster

En Kubernetes, un clúster es un conjunto organizado de nodos maestros y nodos trabajadores que gestionan en conjunto la ejecución y orquestación de contenedores.

Guía completa para empezar a trabajar con contenedores en tu espacio

Pod

Un pod es la unidad mínima de despliegue en Kubernetes que contiene uno o varios contenedores que comparten recursos de red y almacenamiento.

Preguntas frecuentes (FAQ)

¿Qué es Docker y Kubernetes y para qué sirve?

Docker es una plataforma y runtíme para contenedores que permite empaquetar aplicaciones y sus dependencias en un entorno aislado y reproducible. Kubernetes es una plataforma para orquestar y gestionar múltiples contenedores y aplicaciones en producción, distribuyendo la carga, escalando aplicaciones y asegurando disponibilidad.

¿Qué es Kubernetes y cómo funciona con Docker?

Kubernetes no es un entorno de ejecución de contenedores, sino un sistema para administrarlos. Funciona en conjunto con tiempos de ejecución de contenedores como Docker, containerd o CRI-O. Kubernetes coordina cómo se ejecutan esos contenedores, dónde, cuándo y cómo escalar para cumplir con la demanda establecida.

¿Se utilizan Docker y Kubernetes juntos?

Sí. Docker actúa como motor de contenedores, proporcionando las imágenes e instancias ejecutables. Kubernetes se encarga de orquestar y gestionar estos contenedores a escala, automatizando despliegues, balanceo de carga y recuperación.

¿Por qué los contenedores son más eficientes que las máquinas virtuales?

Porque los contenedores utilizan el mismo kernel del sistema operativo host y aíslan las aplicaciones a nivel de procesos, sin la necesidad de emular un sistema completo, lo que reduce la sobrecarga de recursos y acelera su inicio.

¿Cómo se asegura Kubernetes que una aplicación esté siempre disponible?

Kubernetes monitoriza el estado de los Pods y nodos; ante una falla, automáticamente redistribuye o recrea contenedores en otros nodos disponibles, manteniendo la continuidad del servicio.

¿Es necesario usar Docker para ejecutar Kubernetes?

No estrictamente. Kubernetes soporta múltiples runtimes de contenedores, pero Docker es uno de los más conocidos y utilizados. Con la evolución reciente, Kubernetes ha extendido soporte a containerd y otros runtimes compatibles con la CRI (Container Runtime Interface).

¿Cómo puedo comenzar a aprender Docker y Kubernetes?

La mejor forma es con cursos prácticos, idealmente que incluyan laboratorios y proyectos reales. Plataformas como EDteam ofrecen desde nivel básico hasta avanzado, cubriendo desde la creación de imágenes Docker hasta la implementación de clústeres Kubernetes.

¿Qué problemas comunes se presentan al usar contenedores?

• Gestión errónea de volúmenes y persistencia de datos.
• Versiones incorrectas en imágenes o dependencias.
• Configuraciones de red complicadas entre contenedores.
• Falta de monitorización que provoca detección tardía de fallos.

¿Docker y Kubernetes funcionan en las principales nubes públicas?

Sí. Kubernetes es soportado por AWS, Google Cloud, Azure y otras nubes, ofreciendo clústeres administrados y facilidad para desplegar aplicaciones usando contenedores Docker u otros runtimes compatibles.

Conclusión

Las tecnologías de contenedores y orquestación representan un cambio radical en la manera de desarrollar y gestionar aplicaciones modernas. Docker facilita la creación y despliegue de contenedores, mientras que Kubernetes se encarga de orquestar esos contenedores en múltiples entornos, garantizando escalabilidad, estabilidad y alta disponibilidad.

Si querés profundizar en estas tecnologías y llevar tus proyectos de software a otro nivel, te invitamos a formar parte de nuestra comunidad técnica en Código6. Compartimos recursos, discusiones y asesoría para que tu aprendizaje sea integral y actualizado.

Contenedores vs virtualización para empezar a trabajar fácilmente

¿Querés mantenerte actualizado con las últimas tendencias en automatización, inteligencia artificial y transformación digital? Visitá nuestro blog de Código6 y descubrí guías, casos de éxito y noticias relevantes para potenciar tu empresa. Ingresá al blog y explorá los recursos más recientes.