Patterns and orchestration practices for distributed applications on the Kubernetes platform

Abstract

Η παρούσα διατριβή παρουσιάζει μια εμπειρική ανάλυση των ρυθμίσεων Kubernetes, εστιάζοντας σε πρότυπα σχεδίασης, λανθασμένες διαμορφώσεις και βέλτιστες πρακτικές για αναπτύξεις cloud-native. Η μελέτη ξεκινά με μια λεπτομερή εξερεύνηση της πλατφόρμας Kubernetes, αναλύοντας τη βασική φιλοσοφία, την αρχιτεκτονική και τα συστατικά πόρων της. Αναδεικνύει τη σημασία της δηλωτικής διαμόρφωσης, της αμετάβλητης υποδομής και των μηχανισμών αυτόματης ανάνηψης από σφάλματα για τη δημιουργία επεκτάσιμων και ανθεκτικών περιβαλλόντων διανομής εφαρμογών (Containers). Σε αυτή τη βάση, η διπλωματική εργασία διερευνά ένα ευρύ φάσμα προτύπων σχεδίασης Kubernetes—που περιλαμβάνουν τα θεμελιώδη, συμπεριφορικά, δομικά, διαμορφωτικά και πρότυπα ασφάλειας—προκειμένου να αποκαλύψει πώς αυτές οι πρακτικές συμβάλλουν σε σταθερές και αποδοτικές διανομές. Επιπλέον, παρουσιάζεται μια αυστηρή μεθοδολογία για τη συλλογή, τον καθαρισμό και την ανάλυση πραγματικών αρχείων YAML, αποκαλύπτοντας κοινές λανθασμένες διαμορφώσεις και προσφέροντας πληροφορίες για τη βελτίωση της επιχειρησιακής αποδοτικότητας και της ασφάλειας σε περιβάλλοντα παραγωγής. Συνολικά, η διατριβή γεφυρώνει τα θεωρητικά πλαίσια με πρακτικές στρατηγικές εφαρμογής, παρέχοντας καθοδήγηση για τη βελτιστοποίηση των διανομών Kubernetes σε περίπλοκα συστήματα λογισμικού που διανέμονται σε υποδομές υπολογιστικού νέφους.

This thesis provides an empirical study of Kubernetes configurations, specifically Kubernetes design patterns, misconfigurations and best practices in cloud-native deployments. This study starts with a comprehensive introduction to the Kubernetes platform, discussing the core philosophy of Kubernetes, its architecture, and its resources components. State how declarative configuration, immutable infrastructure, and selfhealing capabilities enable replicable and durable containerized systems. The study focuses on extensive Kubernetes design patterns: foundational patterns, behavioral patterns, structural patterns, configuration patterns, and security patterns, which help us describe how these best practices help stabilize and enhance the efficiency of deployments, building on this foundation. In addition, a structured methodology is presented to gather, cleanse and analyze real-world YAML manifests, highlighting frequent misconfigurations and providing pointers to strengthen production enforceability and security. In summary, the thesis connects theoretical perspectives with real-life implementation plans, providing insights to improve Kubernetes applications, especially in multifaceted cloud-native systems.