Infrastructure-as-code approach for on-premises automated Kubernetes deployment

Abstract

This thesis develops and validates an automated provisioning system that transforms virtual infrastructure into ready-to-use basic Kubernetes environments through a coordinated application of Infrastructure-as-Code (IaC) tools. The system employs Terraform to establish computational resources on virtualized platforms, followed by Ansible-driven orchestration of software installation and cluster bootstrap procedures, with a seamless data flow between these stages. Performance assessment through repeated deployment trials revealed consistent cluster establishment within four minutes for a three node cluster, achieving significantly reduced deployment time compared to conventional manual procedures, while maintaining operational success throughout testing. Validation demonstrated that the resulting environment successfully executed diverse workloads, including multi-component monitoring systems, persistent databases, and resource-intensive enterprise applications. Network functionality testing confirmed proper pod-to-pod communication and policy enforcement across cluster nodes. Concerning resilience, the cluster presented appropriate behavior under failure conditions, with automated recovery mechanisms functioning as expected. In addition to that, configuration stability analysis confirmed that repeated automation execution produced consistent outcomes, without unintended state modifications. Findings demonstrated that coordinated automation frameworks can substantially reduce the provisioning time for locally-hosted Kubernetes installations, while producing environments adequate for software development and instructional contexts. This investigation contributes quantitative performance data, validates integration strategies between IaC automation technologies, and addresses the underrepresented domain of non-cloud infrastructure in the academic literature.Η παρούσα εργασία αφορά την ανάπτυξη και αξιολόγηση ενός αυτοματοποιημένου συστήματος που μετατρέπει μία εικονική υποδομή σε ένα έτοιμο προς χρήση βασικό περιβάλλον Kubernetes μέσω της συντονισμένης εφαρμογής εργαλείων Infrastructure as Code (IaC). Το σύστημα χρησιμοποιεί το Terraform για τη δημιουργία εικονικών μηχανών σε τοπική bare metal υποδομή, ακολουθούμενο από ενορχήστρωση μέσω Ansible γι α την εγκατάσταση του απαραίτητου λογισμικού και τις διαδικασίες εκκίνησης του cluster, με απρόσκοπτη ροή δεδομένων μεταξύ αυτών των σταδίων. Η αξιολόγηση της απόδοσης μέσω επαναλαμβανόμενων δοκιμών ανάπτυξης έδειξε συνεπή δημιουργία cluster εντός διαστήματος τεσσάρων λεπτών για ένα cluster τριών κόμβων, επιτυγχάνοντας σημαντική μείωση του χρόνου ανάπτυξης σε σύγκριση με συμβατικές χειροκίνητες διαδικασίες, διατηρώντας παράλληλα λειτουργικότητα καθ' όλη τη διάρκεια των δοκιμών. Επιπλέον η αξιολόγηση έδειξε ότι το τελικό περιβάλλον εκτέλεσε με επιτυχία ποικίλα workloads, συμπεριλαμβανομένων συστημάτων monitoring, βάσεων δεδομένων και εφαρμογών με υψηλές απαιτήσεις σε υπολογιστικούς πόρους. Οι δοκιμές λειτουργικότητας δικτύου επιβεβαίωσαν την ορθή επικοινωνία pod-to-pod και την επιβολή πολιτικών σε όλους τους κόμβους του cluster. Όσον αφορά την ανθεκτικότητα, το cluster παρουσίασε την κατάλληλη συμπεριφορά υπό συνθήκες αποτυχίας, με τους αυτοματοποιημένους μηχανισμούς ανάκαμψης να λειτουργούν όπως αναμενόταν. Επιπλέον, η ανάλυση σταθερότητας του configuration επιβεβαίωσε ότι η επαναλαμβανόμενη εκτέλεση εντολών παρήγαγε συνεπή αποτελέσματα χωρίς να επιφέρει τροποποιήσεις στην κατάσταση του cluster. Τα αποτελέσματα απέδειξαν ότι συστήματα αυτοματοποίησης μπορούν να μειώσουν ουσιαστικά τη διάρκεια της ανάπτυξης cluster για περιβάλλοντα Kubernetes σε τοπικές υποδομές, παρέχοντας παράλληλα περιβάλλοντα κατάλληλα για εκπαιδευτικoύς σκοπούς καθώς και ανάπτυξη λογισμικού. Η παρούσα έρευνα συνεισφέρει ποσοτικά δεδομένα απόδοσης, επικυρώνει στρατηγικές ενσωμάτωσης μεταξύ τεχνολογιών αυτοματοποίησης IaC, και αντιμετωπίζει την υποεκπροσώπηση μη-cloud υποδομής στην ακαδημαϊκή βιβλιογραφία.