Docker và Kubernetes là gì?

Bạn đã từng đau đầu với câu nói “trên máy tôi chạy được mà”? Docker và Kubernetes chính là bộ đôi công cụ giải quyết triệt để vấn đề này, mở ra cánh cửa đến với thế giới DevOps hiện đại. Bài viết này sẽ cung cấp cho bạn một lộ trình toàn diện, từ việc hiểu rõ khái niệm Docker là gì, Kubernetes là gì, cho đến hướng dẫn thực hành từng bước, giúp bạn tự tin ứng dụng vào dự án và phát triển sự nghiệp.

Tại sao Lập trình viên và DevOps cần biết đến Docker và Kubernetes?
Trong quá trình phát triển phần mềm, một trong những vấn đề kinh điển nhất là sự khác biệt môi trường. Một ứng dụng có thể hoạt động hoàn hảo trên máy của lập trình viên này nhưng lại gặp lỗi khi chuyển sang máy khác, hoặc tệ hơn là khi triển khai lên server. Nguyên nhân đến từ sự khác biệt về phiên bản thư viện, hệ điều hành, hay các cấu hình hệ thống.

Vấn đề này càng trở nên phức tạp khi các công ty dịch chuyển từ kiến trúc ứng dụng nguyên khối (Monolithic) sang kiến trúc Microservices. Thay vì một ứng dụng khổng lồ, giờ đây chúng ta có hàng chục, thậm chí hàng trăm dịch vụ nhỏ lẻ cần được quản lý. Việc cài đặt và duy trì sự đồng nhất môi trường cho tất cả các dịch vụ này theo cách thủ công là một cơn ác mộng.

Đây chính là lúc Docker và Kubernetes thể hiện vai trò không thể thiếu. Chúng là những công cụ nền tảng của văn hóa DevOps, giúp tự động hóa quy trình, đảm bảo tính nhất quán và đơn giản hóa việc triển khai, quản lý ứng dụng ở mọi quy mô.

Docker là gì?
Docker là một nền tảng mở dùng để phát triển, vận chuyển và chạy ứng dụng trong các đơn vị được gọi là Container.

Để hiểu rõ nhất, hãy so sánh Container với Máy ảo (Virtual Machine - VM), một công nghệ đã quá quen thuộc. Cả hai đều cung cấp môi trường cô lập để chạy ứng dụng, nhưng cách tiếp cận hoàn toàn khác nhau.

Tiêu chí Máy ảo (Virtual Machine - VM) Container (Docker)
Kiến trúc Mỗi VM có một hệ điều hành khách (Guest OS) hoàn chỉnh chạy trên Hypervisor. Các container chia sẻ chung nhân (kernel) của hệ điều hành máy chủ (Host OS).
Tài nguyên Rất tốn tài nguyên (CPU, RAM, ổ cứng) vì phải “gánh” cả một hệ điều hành. Cực kỳ nhẹ, chỉ đóng gói thư viện và mã nguồn cần thiết của ứng dụng.
Thời gian khởi động Vài phút. Vài giây, thậm chí mili giây.
Tính di động Kém linh hoạt hơn, kích thước lớn (vài GB). Rất linh hoạt, kích thước nhỏ (vài MB đến vài trăm MB).
Nói một cách đơn giản, nếu Máy ảo là một ngôi nhà đầy đủ nội thất, thì Container chỉ là một căn phòng chứa những thứ thật sự cần thiết. Điều này làm cho Container trở nên vượt trội về hiệu suất và tốc độ.

Các thành phần cốt lõi của Docker
Để làm việc với Docker, bạn cần nắm vững các khái niệm cơ bản sau:

• Docker Engine: Đây là “trái tim” của Docker, một ứng dụng client-server chạy trên máy của bạn, chịu trách nhiệm xây dựng và chạy các container.
• Dockerfile: Là một file văn bản chứa các chỉ dẫn để Docker tự động xây dựng nên một Docker Image. Bạn định nghĩa mọi thứ trong file này: từ hệ điều hành cơ sở, các thư viện cần cài, đến cách chạy ứng dụng.
• Docker Image: Là một khuôn mẫu (template) chỉ đọc, chứa mọi thứ cần thiết để chạy một ứng dụng: mã nguồn, thư viện, biến môi trường và file cấu hình. Bạn tạo ra container từ image này.
• Docker Container: Là một thực thể (instance) đang chạy của một Docker Image. Bạn có thể tạo, bắt đầu, dừng, di chuyển và xóa container. Mỗi container là một môi trường được cô lập hoàn toàn với các container khác và với máy chủ.
• Docker Hub/Registry: Là một kho lưu trữ các Docker Image. Docker Hub là kho lưu trữ công khai lớn nhất, giống như GitHub cho mã nguồn vậy. Bạn có thể kéo (pull) các image có sẵn về hoặc đẩy (push) image của mình lên để chia sẻ.

Lợi ích Docker mang lại là gì?
Việc sử dụng Docker mang lại những lợi ích thiết thực cho cả lập trình viên và doanh nghiệp:

• Môi trường nhất quán: Đảm bảo ứng dụng chạy giống hệt nhau trên mọi môi trường, từ máy lập trình viên, máy chủ thử nghiệm đến môi trường production.
• Triển khai nhanh chóng: Container khởi động gần như tức thì, giúp tăng tốc quá trình xây dựng, kiểm thử và triển khai ứng dụng (CI/CD).
• Cô lập ứng dụng: Các container hoạt động độc lập, một container gặp lỗi không ảnh hưởng đến các container khác.
• Tối ưu tài nguyên: Chia sẻ chung nhân hệ điều hành máy chủ giúp tiết kiệm đáng kể tài nguyên so với việc sử dụng máy ảo.

Kubernetes (K8s) là gì?
Khi bạn đã có Docker để tạo ra các container, một câu hỏi lớn xuất hiện: Làm thế nào để quản lý hàng chục, hàng trăm container chạy cùng lúc cho một ứng dụng Microservices phức tạp? Làm sao để chúng giao tiếp với nhau? Nếu một container bị lỗi và “chết”, làm sao để tự động khởi động lại?

Đây chính là lúc Kubernetes vào cuộc.

Kubernetes (thường được viết tắt là K8s) là một nền tảng mã nguồn mở dùng để tự động hóa việc triển khai, mở rộng quy mô và quản lý các ứng dụng được đóng gói trong container. Kubernetes chính là một hệ thống điều phối container (Container Orchestration).

Khám phá kiến trúc của Kubernetes
Một cụm Kubernetes (Kubernetes cluster) bao gồm hai loại thành phần chính: Control Plane và các Worker Nodes.

• Control Plane (Master Node): Đây là bộ não của cụm. Control Plane đưa ra mọi quyết định toàn cục về cụm, ví dụ như lên lịch chạy cho các container, phát hiện và phản ứng với các sự kiện trong cụm.
  • API Server: Là cổng giao tiếp chính của Control Plane.
  • etcd: Kho lưu trữ key-value đáng tin cậy, lưu trữ toàn bộ trạng thái của cụm.
  • Scheduler: Phân công container chạy trên một Worker Node phù hợp.
  • Controller Manager: Chạy các quy trình điều khiển để duy trì trạng thái mong muốn.
• Worker Nodes (Nodes): Đây là các máy (ảo hoặc vật lý) thực sự chạy các container ứng dụng.
  • Kubelet: Agent chạy trên mỗi node, đảm bảo container đang chạy.
  • Kube-proxy: Duy trì các quy tắc mạng trên các node.
  • Container Runtime: Phần mềm chịu trách nhiệm chạy container (ví dụ: Docker).

Tại sao cần Kubernetes khi đã có Docker?
Đây là một câu hỏi rất phổ biến với người mới bắt đầu. Hãy ghi nhớ mối quan hệ này: Docker xây dựng và chạy container, Kubernetes quản lý và điều phối chúng ở quy mô lớn.

Bạn hoàn toàn có thể chỉ dùng Docker, nhưng khi ứng dụng phức tạp hơn, bạn sẽ cần các tính năng mà Kubernetes cung cấp:

• Tự động phục hồi (Self-healing): Tự động thay thế container bị lỗi.
• Tự động mở rộng (Auto-scaling): Tự động tăng/giảm số lượng container theo tải.
• Cân bằng tải và khám phá dịch vụ (Load Balancing & Service Discovery): Tự động quản lý mạng và cân bằng tải.
• Cập nhật không gián đoạn (Rolling Updates & Rollbacks): Cập nhật ứng dụng không gây downtime.