Dekodierung von Kubernetes (k8s)

23. Juni, 2025

Kubernetes hat die Art und Weise, wie Unternehmen Anwendungen bereitstellen, verwalten und skalieren, revolutioniert. Ursprünglich für groß angelegte, cloud-native Umgebungen konzipiert, erobert Kubernetes inzwischen auch neue Bereiche wie Edge Computing und industrielle Automatisierung. In diesem Blogbeitrag beleuchten wir die Grundlagen von Kubernetes, seine klassischen Anwendungsfälle und wie sich seine Stärken und Schwächen bei Edge-Deployments – insbesondere im industriellen Umfeld – auswirken.

Einführung: Die Notwendigkeit von Kubernetes in der modernen Infrastruktur

Kubernetes (oft als K8s abgekürzt) ist eine Open-Source-Plattform zur Orchestrierung containerisierter Anwendungen über Cluster von Maschinen hinweg, egal ob physisch oder virtuell. Entwickelt von Google und heute von der Cloud Native Computing Foundation betreut, automatisiert Kubernetes die Bereitstellung, Skalierung und Verwaltung von Anwendungskontainern und sorgt so für Zuverlässigkeit und Effizienz im großen Maßstab.

Verständnis der Kubernetes-Architektur

Kubernetes arbeitet als verteiltes System, das aus zwei Hauptebenen besteht:

Control Plane: Die zentralisierte Schicht, die für die Orchestrierung des Clusters verantwortlich ist.
Worker Nodes: Die dezentrale Schicht, auf der Container (Anwendungen) ausgeführt werden.

Industrial automation controller

Bildquelle: Wikimedia

Zentrale Konzepte sind:

Cluster: Gruppen von Knoten (Servern), die containerisierte Workloads ausführen.
Nodes (Knoten): Einzelne Maschinen (physisch oder virtuell) innerhalb eines Clusters.
Pods: Die kleinste bereitstellbare Einheit, die in der Regel einen oder mehrere Container umfasst.
Services: Abstraktionen zur Bereitstellung und Lastverteilung von Anwendungen.
Namespaces: Logische Partitionen zur Organisation von Ressourcen.

Kubernetes bietet Funktionen wie automatisierte Rollouts und Rollbacks, Selbstheilung (Neustart fehlgeschlagener Container), Lastverteilung, deklarative Konfiguration und Erweiterbarkeit.

TRADITIONELLE KUBERNETES-ANWENDUNGSFÄLLE

Kubernetes glänzt in großen, zentralisierten IT-Umgebungen. Seine wichtigsten Stärken liegen in:

Rechenzentrums-Deployments: Kubernetes wurde für Serverfarmen und Cloud-Infrastrukturen entwickelt, bei denen Knoten virtuelle oder physische Server in kontrollierten, zentralisierten Standorten sind.
Abstrahierter physischer Standort: Da cloudbasierte Anwendungen nicht von der Hardware-Positionierung abhängen, kann Kubernetes Workloads frei auf beliebige verfügbare Knoten verschieben.
Skalierbarkeit & Lastverteilung: Kubernetes kann Anwendungen automatisch skalieren und Workloads über mehrere Pods und Knoten verteilen, um wechselnden Anforderungen gerecht zu werden.
Redundanz & Hochverfügbarkeit: Kubernetes hält Dienste online, indem es mehrere Replikate verwaltet und fehlgeschlagene Container auf anderen verfügbaren Knoten neu startet.

Diese Funktionen treiben die größten Webplattformen, SaaS-Produkte und interne Unternehmensinfrastrukturen der Welt an.

Unser Anwendungsfall: Kubernetes im industriellen Edge-Einsatz

Bei SALZ Automation erkunden wir die Grenzen von Kubernetes jenseits seines traditionellen Einsatzbereichs. Wir möchten Kubernetes in Edge-Deployments nutzen – zum Beispiel auf Industrie-PCs, die direkt in Fabrikausrüstung, Produktionslinien oder Schaltschranklösungen eingebettet sind.

Unsere Anforderungen weichen erheblich von den Annahmen cloud-nativer Umgebungen ab:

Relevanz physischer Geräte & standortbewusste Deployments:
Im Gegensatz zur Cloud hat jedes Edge-Gerät eine spezifische physische Aufgabe, die an seinen Standort in der Fabrik gebunden ist. Ein Maschinencontroller am einen Ende eines Förderbands kann nicht beliebig durch einen am anderen Ende ersetzt werden. Deployments müssen daher die Fähigkeiten des physischen Geräts, angeschlossene Sensoren und I/O-Hardware berücksichtigen – nicht nur die Rechenressourcen.
Redundanz durch schnelles Hochfahren:
Wir sind auf eine schnelle Wiederherstellung angewiesen. Fällt ein Gerät aus, sollte Kubernetes eine neue Instanz möglichst auf einem bereits vor Ort positionierten Edge-Gerät in der Nähe starten.
Zentrale Verwaltung & Updates:
Idealerweise kann die gesamte Edge-Infrastruktur – über eine einzelne Anlage oder mehrere Fabriken hinweg – zentral über eine Web-Oberfläche überwacht, verwaltet und aktualisiert werden. So wird der Bedarf an technischen Einsätzen vor Ort deutlich reduziert.

VORTEILE VON KUBERNETES

VORTEILE VON KUBERNETES FÜR DEN INDUSTRIELLEN EDGE

Trotz aller Herausforderungen bringt Kubernetes entscheidende Vorteile für unsere Vision einer zukunftssicheren, skalierbaren industriellen Automatisierung:

Webbasierte Fabrikverwaltung: Mit der richtigen Einrichtung kann die gesamte Flotte von Automatisierungsknoten einer Fabrik zentral und remote über eine browserbasierte Steuerzentrale orchestriert und verwaltet werden.
Weniger Bedarf an Mini-Controllern: Anstatt Hunderte von Mikrocontrollern zu verteilen, können wir mehr Intelligenz in weniger, aber leistungsfähigere Edge-Server zentralisieren.
Günstigere & skalierbare Hardware: Standard-Rack-Server oder robuste Industrie-PCs können flexibel für verschiedene Aufgaben eingesetzt werden, was die Hardwarevielfalt und die Kosten reduziert.
Nahtlose Remote-Updates: Software-Updates oder neue Logik können ohne physischen Techniker-Einsatz – sogar während des laufenden Betriebs – ausgerollt werden.

Diese Stärken sind besonders wertvoll in einer globalen Fertigungsumgebung, in der Betriebszeit entscheidend ist und qualifizierte Techniker nicht immer vor Ort sind.

HERAUSFORDERUNGEN BEI DER EDGE-BEREITSTELLUNG

Nicht für Hardware-Integration gebaut

Kubernetes kennt keine seriellen Schnittstellen, GPIO-Pins oder Feldbus-Protokolle – Dinge, die in der Automatisierungstechnik alltäglich sind.

Unterschiedliche Update-Zyklen

Kubernetes erhält häufig Updates, während Edge-Geräte meist seltener aktualisiert werden. Diese Diskrepanz kann zu Kompatibilitätsproblemen, erhöhtem Wartungsaufwand und potenziellen Sicherheitsrisiken führen.

Ressourcen-Overhead

Edge-Geräte verfügen oft nur über begrenzte CPU- und Speicherressourcen, und der Kubernetes-Stack kann für solche Umgebungen sehr ressourcenhungrig sein.

Langsame Start- und Downloadzeiten:

Fällt ein Controller aus, kann das Hochfahren einer Ersatzinstanz lange dauern, insbesondere wenn große Images heruntergeladen werden müssen – in kritischen Industrieprozessen ist das nicht akzeptabel.

Konnektivitätsbeschränkungen

Redundanz und Failover sind nur für Geräte mit zuverlässiger Netzwerkverbindung (typischerweise Ethernet) möglich, was die Anwendbarkeit in manchen industriellen Szenarien einschränkt.

Der Weg nach vorn

Um Kubernetes am Edge wirklich zu nutzen, brauchen wir ein container-zentriertes Denken, das auf industrielle Realitäten zugeschnitten ist. Dazu gehören:

Leichtgewichtige Kubernetes-Distributionen wie K3s oder MicroK8s, die für den Edge-Einsatz optimiert sind.
Intelligentes Scheduling mit standortbezogenen Metadaten, damit Anwendungen nur auf physisch geeigneter Hardware laufen.
Das Vorladen kritischer Container-Images auf lokalen Geräten, um lange Startzeiten zu vermeiden.
Integrationsschichten, die Hardware-I/O sicher und echtzeitfähig für Container verfügbar machen.
Eine einheitliche Plattform, auf der IT (Kubernetes) und OT (Automatisierungstechnik) zusammenkommen – ohne sich gegenseitig zu behindern.

Fazit

Kubernetes bleibt ein mächtiges Werkzeug zur Orchestrierung containerisierter Anwendungen und bietet Automatisierung, Skalierbarkeit und Resilienz. Während seine Wurzeln im Rechenzentrum und in der Cloud liegen, werden seine Prinzipien zunehmend an Edge- und Industrieanwendungen angepasst. Das Versprechen zentraler Verwaltung, schneller Updates und Hardwareabstraktion ist für Fabriken und Industrieanlagen attraktiv. Praktische Herausforderungen – insbesondere in Bezug auf Hardware-Overhead und Netzwerkanforderungen – müssen jedoch sorgfältig berücksichtigt werden.

Mit der weiteren Entwicklung von Kubernetes ist mit Innovationen zu rechnen, die es leichter und edge-freundlicher machen und so die Lücke zwischen cloud-nativen Architekturen und den Anforderungen der industriellen Automatisierung schließen.

Für Einsteiger-Einblicke lesen Sie unseren vorherigen Blog über CODESYS Virtual Safe Control: Funktionale Sicherheit mit containerisierter Automatisierung vereinfachen.

Für praktische Übungen besuchen Sie die offiziellen Tutorials von Kubernetes.

Arbeiten Sie an einem Proof of Concept, Pilotprojekt oder denken Sie darüber nach, Kubernetes für Ihre industrielle Automatisierung einzusetzen? Wir würden gerne von Ihnen hören! Kontaktieren Sie uns, um Ihre Ideen, Herausforderungen oder Erfahrungen mit Kubernetes am Edge zu besprechen!