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kubernetes operator

2019年10月21日

简介

Kubernetes operator 模式开发实践

来看一个Operator的示例:基于Operator 实现微服务的运维 MicroServiceDeploy 的 CR(custom resource)

apiVersion: custom.ops/v1
kind: MicroServiceDeploy
metadata:
  name: ms-sample-v1s0
spec:
  msName: "ms-sample"                     # 微服务名称
  fullName: "ms-sample-v1s0"              # 微服务实例名称
  version: "1.0"                          # 微服务实例版本
  path: "v1"                              # 微服务实例的大版本,该字符串将出现在微服务实例的域名中
  image: "just a image url"               # 微服务实例的镜像地址
  replicas: 3                             # 微服务实例的 replica 数量
  autoscaling: true                       # 该微服务是否开启自动扩缩容功能
  needAuth: true                          # 访问该微服务实例时,是否需要租户 base 认证
  config: "password=88888888"             # 该微服务实例的运行时配置项
  creationTimestamp: "1535546718115"      # 该微服务实例的创建时间戳
  resourceRequirements:                   # 该微服务实例要求的机器资源
    limits:                                 # 该微服务实例会使用到的最大资源配置
      cpu: "2"
      memory: 4Gi
    requests:                               # 该微服务实例至少要用到的资源配置
      cpu: "2"
      memory: 4Gi
  idle: false                             # 是否进入空载状态

以上一个 resource 实际上创建了很多其他的 Kubernetes resource,这些 Kubernetes resource 才真正构成了该微服务实际的能力

  1. 对于一个微服务而言必备的 Service, ServiceAccount 和 Deployment。
  2. 代表运行时配置项的ConfigMap
  3. 资源管理 ResourceQuota
  4. HPA自动扩缩容

operator 本质上不创造和提供新的服务,它只是已有 Kubernetes API service 的组合,但这种“抽象”大大简化了运维操作,否则这些逻辑都要由上层发布系统实现Kubernetes 集群真正的能力(mount目录、操作GPU等)要通过 Kubelet 去支持

内涵

kube-native way of managing the lifecycle of service in Kubernetes

An Operator is a method of packaging, deploying and managing a Kubernetes application. A Kubernetes application is an application that is both deployed on Kubernetes and managed using the Kubernetes APIs and kubectl tooling.

An Operator is an application-specific controller that extends the Kubernetes API to create, configure and manage instances of complex stateful applications on behalf of a Kubernetes user. It builds upon the basic Kubernetes resource and controller concepts, but also includes domain or application-specific knowledge to automate common tasks better managed by computers.

Redis Enterprise Operator for Kuberneteskube-native way of managing the lifecycle of service in Kubernetes:Although Kubernetes is good at scheduling resources and recovering containers gracefully from a failure, it does not have primitives that understand the internal lifecycle of a data service.

使用etcd-operator在集群内部署etcd集群Operator 本身在实现上,其实是在 Kubernetes 声明式 API 基础上的一种“微创新”。它合理的利用了 Kubernetes API 可以添加自定义 API 类型的能力,然后又巧妙的通过 Kubernetes 原生的“控制器模式”,完成了一个面向分布式应用终态的调谐过程。

  spring kubernetes
核心 ioc模式 声明式api + controller模式
常规使用 <bean> FactoryBean等 pod 及之上扩展的deployment等
扩展 自定义namespace及NamespaceHandler CRD
微创新 比如整合rabbitmq <rabbit:template> etcd/redis operator

Linux 提供了一个 vfs 接口,任何资源都是File, 提供Open/Close/Create/Read/Write 5个基本api, 从linux 内置文件、Socket 到外设的各种显示器、键盘、鼠标 都统一到一个vfs体系之下。

  Linux vfs Kubernetes 控制器模式
作用 管理文件、网络和“外设” 管理builtin 及Custom Resource
理念 一切皆文件 一切皆Resource
注册 注册设备到vfs 注册API 到apiserver
差异化 驱动程序
比如文件的Open和Socket Open操作就不同
Controller

分布式系统的标准化交付

当我们聊 Kubernetes Operator 时,我们在聊些什么

如果说 Docker 是奠定的单实例的标准化交付,那么 Helm 则是集群化多实例、多资源的标准化交付。

Operator 则在实现自动化的同时实现了智能化。其主要的工作流程是根据当前的状态,进行智能分析判断,并最终进行创建、恢复、升级等操作。而位于容器中的脚本,因为缺乏很多全局的信息,仅靠自身是无法无法达实现这些全部的功能的。而处于第三方视角的 Operator,则可以解决这个问题。他可以通过侧面的观察,获取所有的资源的状态和信息,并且跟预想 / 声明的状态进行比较。通过预置的分析流程进行判断,从而进行相应的操作,并最终达到声明状态的一个目的。这样所有的运维逻辑就从镜像中抽取出来,集中到 Operator 里去。层次和逻辑也就更加清楚,容易维护,也更容易交付和传承。

以往的高可用、扩展收缩,以及故障恢复等等运维操作,都通过 Operator 进行沉淀下来。从长期来看,将会推进 Dev、Ops、DevOps 的深度一体化。将运维经验、应用的各种方案和功能通过代码的方式进行固化和传承,减少人为故障的概率,提升整个运维的效率。Controller 和 Operator 的关系有点类似于标准库和第三方库的关系

原理

Kubernetes Operator 快速入门教程以定制化开发一个 AppService 为例,描述了从零创建一个AppService Operator 的过程

apiVersion: app.example.com/v1
kind: AppService
metadata:
name: nginx-app
spec:
size: 2
image: nginx:1.7.9
ports:
    - port: 80
    targetPort: 80
    nodePort: 30002

脚手架

  1. Operator SDK 如何在Kubernetes中编写自定义控制器
  2. kubebuilder Kubernetes operator 模式开发实践

部署

Operator patternThe most common way to deploy an Operator is to add the Custom Resource Definition and its associated Controller to your cluster. The Controller will normally run outside of the control plane, much as you would run any containerized application. For example, you can run the controller in your cluster as a Deployment. Operator Controller 物理存在是一个bin文件,将Operator 以Deployment/容器的方式 运行在Kubernetes 集群中,无需更改Kubernetes 本身。

我们都知道在 Kubernetes 上安装应用可以使用 Helm 直接安装各种打包成 Chart 形式的 Kubernetes 应用,但随着 Kubernetes Operator 的流行,Kubernetes 社区又推出了 OperatorHub,你可以在这里分享或安装 Operator:https://www.operatorhub.io。

示例

在k8s上部署一个etcd

有几种方法

  1. 找一个etcd image,组织一个pod,进而写一个 deployment.yaml,kubectl apply 一下
  2. 使用helm
  3. kubernetes operator etcd Operator

     apiVersion: etcd.database.coreos.com/v1beta2
     kind: EtcdCluster
     metadata:
     name: example
     spec:
         size: 3
         version: 3.2.13
    

使用etcd operator 有一个比较好玩的地方,仅需调整 size 和 version 配置,就可以控制etcd cluster 个数和版本,比第一种方法方便的多了。

redis

我们在看一个redis cluster 的部署过程,可以看到, operator让你以更贴近redis的特质来部署reids,而不是在部署deployment和拼装pod。

apiVersion: app.redislabs.com/v1alpha1
kind: RedisEnterpriseCluster
metadata:
name: redis-enterprise
spec:
nodes: 3
persistentSpec:
    enabled: 'true'
    storageClassName: gp2
uiServiceType: LoadBalancer
username: admin@acme.com
redisEnterpriseNodeResources:
    limits:
    cpu: 400m
    memory: 4 Gi
    requests:
    cpu: 400m
    memory: 4 Gi
redisEnterpriseImageSpec:
    imagePullPolicy: IfNotPresent
    repository: redislabs/redis
    versionTag: 5.4.0-19