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Niklas Lang

Kubernetes – der Steuermann für dein Big Data Projekt!

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Kubernetes ist ein Container-Orchestrierungssystem. Damit lassen sich also Anwendungen auf verschiedene Container aufteilen, wodurch sie effizient und ausfallsicher ausgeführt werden können. Kubernetes ist ein Open-Source-Projekt und wurde erstmals im Jahr 2014 veröffentlicht. Es ist sehr leistungsfähig und kann verteilte Systeme, die über Tausende von Rechnern verstreut sind, verwalten.

In diesem und in vielen anderen Beiträgen zum Thema Kubernetes wird die Abkürzung k8s genutzt. Sie kommt daher, dass das Wort Kubernetes mit k beginnt, mit s endet und dazwischen 8 Buchstaben stehen. Bevor wir beginnen, noch eine kleine Anmerkung, woher der Name Kubernetes eigentlich stammt: Das griechische Wort „Kubernetes“ bedeutet Steuermann und beschreibt genau das, was Kubernetes macht, es steuert. Es steuert verschiedene sogenannte Container und koordiniert deren Ausführung.

Was sind Container und warum brauchen wir sie?

Eines der bestimmenden Merkmale von Big Data oder Machine Learning Projekte ist, dass ein einzelner Computer in vielen Fällen nicht ausreicht, um die gewaltigen Rechenlasten bewältigen zu können. Deshalb ist es notwendig, mehrere Computer zu verwenden, die sich die Arbeit teilen können. Zusätzlich können durch ein solches System auch Ausfälle von einzelnen Computern kompensiert werden, wodurch wiederum sichergestellt ist, dass die Anwendung durchgehend erreichbar ist. Wir bezeichnen eine solche Anordnung von Computern als Computing-Cluster oder verteiltes System für paralleles Rechnen.

Im Mittelpunkt des Open Source Projektes Docker stehen die sogenannten Container. Container sind alleinstehende Einheiten, die unabhängig voneinander ausgeführt werden und immer gleich ablaufen. Docker-Container können wir uns tatsächlich relativ praktisch wie einen Frachtcontainer vorstellen. Angenommen, in diesem Container arbeiten drei Menschen an einer bestimmten Aufgabe (Ich weiß, dass dies wahrscheinlich gegen jedes geltende Arbeitsschutzgesetz verstößt, aber es passt nun mal sehr gut in unser Beispiel).

In ihrem Container finden sie alle Ressourcen und Maschinen, die sie für ihre Aufgabe benötigen. Über eine bestimmte Lucke im Container bekommen sie die Rohstoffe geliefert, die sie benötigen, und über eine andere Lucke geben sie das fertige Produkt heraus. Unser Schiffscontainer kann dadurch ungestört und weitestgehend autark arbeiten. Den Menschen darin wird es nicht auffallen, ob sich das Schiff inklusive Container gerade im Hamburger Hafen, in Brasilien oder irgendwo bei ruhigem Seegang auf offenem Meer befindet. Solange sie kontinuierlich Rohstoffe geliefert bekommen, führen sie ihre Aufgabe aus, egal wo sie sind.

Kubernetes Containers - Foto von Ian Taylor auf Unsplash

Foto von Ian Taylor auf Unsplash

Genauso verhält es sich mit Docker Containern im Softwareumfeld. Es handelt sich dabei um genau definierte, abgeschlossene Applikationen, die auf verschiedenen Maschinen/Rechnern laufen können. Solange sie die festgelegten Inputs kontinuierlich erhalten, können sie auch kontinuierlich weiterarbeiten, unabhängig von ihrer Umgebung.

Was macht Kubernetes?

Wir nutzen Computing-Cluster, um rechenintensive Projekte, wie Machine Learning Modelle, auf mehreren Rechnern zuverlässig und effizient laufen lassen zu können. In Containern wiederum programmieren wir Unteraufgaben, die in sich abgeschlossen sein können und die immer gleich ablaufen, egal ob auf Rechner 1 oder Rechner 2. Das klingt doch eigentlich ausreichend, oder?

Verteilte Systeme bieten gegenüber Einzelrechnern neben Vorteilen auch zusätzliche Herausforderungen, beispielsweise bei der gemeinsamen Nutzung von Daten oder der Kommunikation zwischen den Rechnern innerhalb des Clusters. Kubernetes übernimmt die Arbeit die Container auf das Cluster zu verteilen und sorgt für den reibungslosen Ablauf des Programmes. Dadurch können wir uns auf das eigentliche Problem, also unseren konkreten Anwendungsfall, konzentrieren.

Kubernetes ist also wie der Kapitän, oder Steuermann, auf dem großen Containerschiff, der die einzelnen Container auf seinem Schiff richtig platziert und koordiniert.

Aufbau eines Kubernetes Clusters

Kubernetes wird normalerweise auf einem Cluster von Computern installiert. Jeder Computer in diesem Cluster wird als Node bezeichnet. Auf einem Computer bzw. Node wiederum laufen mehrere sogenannte Pods. Auf den Pods sind die schlussendlichen Container mit den kleineren Applikationen installiert und können in einem lokalen System kommunizieren.

Damit die Pods und die Container darin ohne Komplikationen laufen können, gibt es einige Hilfsfunktionen und -komponenten im Kubernetes Cluster, die dafür sorgen, dass alle Systeme reibungslos funktionieren:

Aufbau Kubernetes Cluster | Abbildung: Kubernetes

Aufbau Kubernetes Cluster | Abbildung: Kubernetes

  • Control Plane: Das ist der Rechner, welcher das komplette Cluster überwacht. Auf diesem laufen keine Pods für die Anwendung. Stattdessen werden den einzelnen Pods die Container zugewiesen, die auf ihnen laufen sollen.
  • Sched: Der Scheduler hält innerhalb des Clusters Ausschau nach neu erstellen Pods und teilt diese zu bestehenden Nodes zu.
  • ETCD: Ein Speicher für alle Informationen, die im Cluster anfallen und aufbewahrt werden müssen, bspw. Metadaten zur Konfiguration.
  • Cloud Controller Manager (CCM): Wenn ein Teil des Systems auf Cloud Ressourcen läuft, kommt diese Komponente zum Einsatz und übernimmt die Kommunikation und Koordination mit der Cloud.
  • Controller Manager (CM): Die wichtigste Komponente im Kubernetes Cluster überwacht das Cluster und sucht nach ausgefallenen Nodes, um dann die Container und Pods neu zu verteilen.
  • API: Diese Schnittstelle ermöglicht die Kommunikation zwischen den Nodes und dem Control Plane.

 

Die Nodes sind deutlich schlanker aufgebaut als das Control Plane und enthalten neben den Pods zwei wesentliche Komponenten zur Überwachung:

  • Kubelet: Es ist das Control Plane innerhalb eines Nodes und sorgt dafür, dass alle Pods einwandfrei laufen.
  • Kube-Proxy (k-proxy): Diese Komponente verteilt den eingehenden Node Traffic an die Pods, indem es das Netzwerk innerhalb des Nodes erstellt.

Fazit

Ein Netzwerk aus verschiedenen Computern wird als Cluster bezeichnet und wird genutzt, um große Rechenlasten auf mehrere Computer aufteilen und dadurch effizienter gestalten zu können. Die kleinste Einheit, in die man eine Applikation aufteilen kann, ist der Docker Container. Dieser beinhaltet eine Unteraufgabe des Programms, die autark, also unabhängig vom System, ausgeführt wird.

Da es in einem Computing-Cluster sehr viele dieser Container geben kann, übernimmt Kubernetes für uns das Management der Container, also unter anderem deren Kommunikation und Koordinierung. Das Kubernetes Cluster hat dazu verschiedene Komponenten die dafür sorgen, dass alle Container laufen und das System einwandfrei funktioniert.

Shannon Flynn

Determining Your Data Pipeline Architecture and Its Efficacy

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Data analytics has become a central part of how many businesses operate. If you hope to stay competitive in today’s market, you need to take advantage of all your available data. For that, you’ll need an efficient data pipeline, which is often easier said than done.

If your pipeline is too slow, your data will be all but useless by the time it’s usable. Successful analytics require an optimized pipeline, and that looks different for every company. No matter your specific circumstances, though, a traditional approach will result in inefficiencies.

Creating the most efficient pipeline architecture will require you to change how you look at the process. By understanding each stage’s role and how they serve your goals, you can optimize your data analytics.

Understanding Your Data Needs

You can’t build an optimal data pipeline if you don’t know what you need from your data. If you spend too much time collecting and organizing information you won’t use, you’ll take time away from what you need. Similarly, if you only work to meet one team’s needs, you’ll have to go back and start over to help others.

Data analytics involves multiple stakeholders, all with individual needs and expectations that you should consider. Your data engineers need your pipeline to be accessible and scalable, while analysts require visual, relevant datasets. If you consider these aspects from the beginning, you can build a pipeline that works for everyone.

Start at the earliest stage — collection. You may be collecting data from every channel you can, which could result in an information overload. Focus instead on gathering things from the most relevant sources. At the same time, ensure you can add more channels if necessary in the future.

As you reorganize your pipeline, remember that analytics are only as good as your datasets. If you put more effort into organizing and scrubbing data, helpful analytics will follow. Focus on preparing data well, and the last few stages will be smoother.

Creating a Collaborative Pipeline

When structuring your pipeline, it’s easy to focus too much on the individual stages. While seeing things as rigid steps can help you visualize them, you need something more fluid in practice. If you want the process to run as smoothly as possible, it needs to be collaborative.

Look at the software development practice of DevOps, which doubles a team’s likelihood of exceeding productivity goals. This strategy focuses on collaboration across separate teams instead of passing things back and forth between them. You can do the same thing with your data pipeline.

Instead of dividing steps between engineers and analysts, make it a single, cohesive process. Teams will still focus on different areas according to their expertise, but they’ll reduce disruption by working together instead of independently. If workers can collaborate along every step, they don’t have to go back and forth.

Simultaneously, everyone should have clearly defined responsibilities. Collaboration doesn’t mean overstepping your areas of expertise. The goal here isn’t to make everyone handle everything but to ensure they understand each other’s needs.

Eliminating the time between steps also applies to your platform. Look for or build software that integrates both refinement and data preparation. If you have to export data to various programs, it will cause unnecessary bottlenecks.

Enabling Continuous Improvement

Finally, understand that restructuring your data pipeline isn’t a one-and-done job. Another principle you can adopt from DevOps is continuous development across all sides of the process. Your engineers should keep looking for better ways to structure data as your analysts search for new applications for this information.

Make sure you always measure your throughput and efficiency. If you tweak something and you notice the process starts to slow, revert to the older method. If your changes improve the pipeline, try something similar in another area.

Optimize Your Data Pipeline

Remember to start slow when optimizing your data pipeline. Changing too much at once can cause more disruptions than it avoids, so start small with an emphasis on scalability.

The specifics of your pipeline will vary depending on your needs and circumstances. No matter what these are, though, you can benefit from collaboration and continuous development. When you start breaking down barriers between different steps and teams, you unclog your pipeline.