M

MLOG

Български

Задълбочен анализ на Kubernetes операторите, обясняващ как те опростяват и автоматизират управлението на сложни приложения и персонализирани ресурси. Научете как да създавате и внедрявате свои собствени оператори.

Kubernetes оператори: Автоматизиране на управлението на персонализирани ресурси

Kubernetes направи революция в начина, по който внедряваме и управляваме приложения. Управлението на сложни, състояниеви (stateful) приложения обаче все още може да бъде предизвикателство. Тук се намесват Kubernetes операторите, които предоставят мощен начин за автоматизиране на управлението на приложения и разширяване на възможностите на Kubernetes.

Какво представляват Kubernetes операторите?

Kubernetes операторът е специфичен за приложението контролер, който разширява Kubernetes API за управление на сложни приложения. Мислете за него като за автоматизиран системен администратор, специално пригоден за конкретно приложение. Операторите капсулират специфичните за дадена област познания за работа с конкретно приложение, което ви позволява да го управлявате по декларативен, автоматизиран и повтаряем начин.

За разлика от традиционните Kubernetes контролери, които управляват основни ресурси като Pods и Services, операторите управляват персонализирани ресурси, дефинирани чрез дефиниции на персонализирани ресурси (CRD). Това ви позволява да дефинирате свои собствени ресурси, специфични за приложението, и да оставите Kubernetes да ги управлява автоматично.

Защо да използваме Kubernetes оператори?

Операторите предлагат няколко ключови предимства за управлението на сложни приложения:

Разбиране на дефинициите на персонализирани ресурси (CRD)

Дефинициите на персонализирани ресурси (CRD) са основата на Kubernetes операторите. CRD ви позволяват да разширите Kubernetes API, като дефинирате свои собствени типове персонализирани ресурси. Тези ресурси се третират като всеки друг ресурс на Kubernetes, като Pods или Services, и могат да се управляват с помощта на `kubectl` и други инструменти на Kubernetes.

Ето как работят CRD:

  1. Вие дефинирате CRD, което указва схемата и правилата за валидация на вашия персонализиран ресурс.
  2. Вие внедрявате CRD във вашия Kubernetes клъстер.
  3. Вие създавате инстанции на вашия персонализиран ресурс, като указвате желаната конфигурация.
  4. Операторът следи за промени в тези персонализирани ресурси и предприема действия за съгласуване на желаното състояние с действителното.

Например, да кажем, че искате да управлявате приложение за база данни с помощта на оператор. Можете да дефинирате CRD, наречено `Database`, с полета като `name`, `version`, `storageSize` и `replicas`. След това операторът ще следи за промени в ресурсите `Database` и ще създава или актуализира съответно базовите инстанции на базата данни.

Как работят Kubernetes операторите

Kubernetes операторите работят, като комбинират дефиниции на персонализирани ресурси (CRD) с персонализирани контролери. Контролерът следи за промени в персонализираните ресурси и предприема действия за съгласуване на желаното състояние с действителното. Този процес обикновено включва следните стъпки:

  1. Наблюдение за събития: Операторът следи за събития, свързани с персонализирани ресурси, като създаване, изтриване или актуализиране.
  2. Съгласуване на състоянието: Когато възникне събитие, операторът съгласува състоянието на приложението. Това включва сравняване на желаното състояние (дефинирано в персонализирания ресурс) с действителното състояние и предприемане на действия за тяхното привеждане в съответствие.
  3. Управление на ресурси: Операторът създава, актуализира или изтрива ресурси на Kubernetes (Pods, Services, Deployments и т.н.), за да постигне желаното състояние.
  4. Обработка на грешки: Операторът обработва грешки и повтаря неуспешните операции, за да гарантира, че приложението остава в последователно състояние.
  5. Предоставяне на обратна връзка: Операторът предоставя обратна връзка за състоянието на приложението, като например проверки на изправността и използване на ресурси.

Цикълът на съгласуване (reconcile loop) е ядрото на логиката на оператора. Той непрекъснато следи състоянието на приложението и предприема действия за поддържане на желаното състояние. Този цикъл обикновено се реализира с помощта на функция за съгласуване, която извършва необходимите операции.

Създаване на собствен Kubernetes оператор

Няколко инструмента и рамки могат да ви помогнат да създадете Kubernetes оператори:

Ето опростен преглед на стъпките, свързани с изграждането на оператор с помощта на Operator Framework:

  1. Дефиниране на дефиниция на персонализиран ресурс (CRD): Създайте CRD, което описва желаното състояние на вашето приложение. Това ще дефинира схемата и правилата за валидация за вашия персонализиран ресурс.
  2. Генериране на код на оператора: Използвайте Operator SDK, за да генерирате първоначалния код на оператора въз основа на вашето CRD. Това ще създаде необходимите контролери и дефиниции на ресурси.
  3. Имплементиране на логиката за съгласуване: Имплементирайте логиката за съгласуване, която сравнява желаното състояние (дефинирано в персонализирания ресурс) с действителното състояние и предприема действия за тяхното привеждане в съответствие. Това е ядрото на функционалността на вашия оператор.
  4. Изграждане и внедряване на оператора: Изградете имиджа на оператора и го внедрете във вашия Kubernetes клъстер.
  5. Тестване и итерация: Тествайте щателно вашия оператор и итерирайте върху кода, за да подобрите неговата функционалност и надеждност.

Нека илюстрираме с основен пример, използвайки Operator Framework. Да предположим, че искате да създадете оператор, който управлява просто `Memcached` внедряване.

1. Дефиниране на CRD:

Създайте файл `memcached.yaml` със следната дефиниция на CRD:


apiVersion: apiextensions.k8s.io/v1
kind: CustomResourceDefinition
metadata:
  name: memcacheds.cache.example.com
spec:
  group: cache.example.com
  versions:
    - name: v1alpha1
      served: true
      storage: true
      schema:
        openAPIV3Schema:
          type: object
          properties:
            spec:
              type: object
              properties:
                size:
                  type: integer
                  description: Размерът е броят на инстанциите на Memcached
              required: ["size"]
  scope: Namespaced
  names:
    plural: memcacheds
    singular: memcached
    kind: Memcached
    shortNames: ["mc"]

Това CRD дефинира ресурс `Memcached` с поле `size`, което указва броя на инстанциите на Memcached, които да се изпълняват.

2. Генериране на код на оператора:

Използвайте Operator SDK, за да генерирате първоначалния код на оператора:


operator-sdk init --domain=example.com --repo=github.com/example/memcached-operator
operator-sdk create api --group=cache --version=v1alpha1 --kind=Memcached --resource --controller

Това ще генерира необходимите файлове и директории за вашия оператор, включително кода на контролера и дефинициите на ресурсите.

3. Имплементиране на логиката за съгласуване:

Редактирайте файла `controllers/memcached_controller.go`, за да имплементирате логиката за съгласуване. Тази функция ще създава, актуализира или изтрива Memcached внедрявания въз основа на желаното състояние, дефинирано в ресурса `Memcached`.


func (r *MemcachedReconciler) Reconcile(ctx context.Context, req ctrl.Request) (ctrl.Result, error) {
	log := r.Log.WithValues("memcached", req.NamespacedName)

	// Извличане на инстанцията на Memcached
	memcached := &cachev1alpha1.Memcached{}
	err := r.Get(ctx, req.NamespacedName, memcached)
	if err != nil {
		if errors.IsNotFound(err) {
			// Обектът на заявката не е намерен, може да е бил изтрит след заявката за съгласуване.
			// Притежаваните обекти се събират автоматично от garbage collector-а. За допълнителна логика за почистване използвайте finalizers.
			// Връщане на резултат без повторно поставяне в опашката
			log.Info("Memcached resource not found. Ignoring since object must be deleted")
			return ctrl.Result{}, nil
		}
		// Грешка при четене на обекта - повторно поставяне на заявката в опашката.
		log.Error(err, "Failed to get Memcached")
		return ctrl.Result{}, err
	}

	// Дефиниране на нов обект Deployment
	deployment := &appsv1.Deployment{
		ObjectMeta: metav1.ObjectMeta{
			Name:      memcached.Name,
			Namespace: memcached.Namespace,
		},
		Spec: appsv1.DeploymentSpec{
			Replicas: &memcached.Spec.Size,
			Selector: &metav1.LabelSelector{
				MatchLabels: map[string]string{
					"app": memcached.Name,
				},
			},
			Template: corev1.PodTemplateSpec{
				ObjectMeta: metav1.ObjectMeta{
					Labels: map[string]string{
						"app": memcached.Name,
					},
				},
				Spec: corev1.PodSpec{
					Containers: []corev1.Container{
						{
							Name:  "memcached",
							Image: "memcached:1.6.17-alpine",
							Ports: []corev1.ContainerPort{
								{
									ContainerPort: 11211,
								},
							},
						},
					},
				},
			},
		},
	}

	// Задаване на инстанцията на Memcached като собственик и контролер
	if err := ctrl.SetControllerReference(memcached, deployment, r.Scheme);
		err != nil {
			log.Error(err, "Failed to set controller reference")
			return ctrl.Result{}, err
	}

	// Проверка дали този Deployment вече съществува
	found := &appsv1.Deployment{}
	err = r.Get(ctx, types.NamespacedName{
		Name:      deployment.Name,
		Namespace: deployment.Namespace,
	}, found)
	if err != nil && errors.IsNotFound(err) {
		log.Info("Creating a new Deployment", "Deployment.Namespace", deployment.Namespace, "Deployment.Name", deployment.Name)
		err = r.Create(ctx, deployment)
		if err != nil {
			log.Error(err, "Failed to create new Deployment", "Deployment.Namespace", deployment.Namespace, "Deployment.Name", deployment.Name)
			return ctrl.Result{}, err
		}

		// Deployment е създаден успешно - връщане и повторно поставяне в опашката
		return ctrl.Result{Requeue: true}, nil
	} else if err != nil {
		log.Error(err, "Failed to get Deployment")
		return ctrl.Result{}, err
	}

	// Гарантиране, че размерът на внедряването е същият като в спецификацията
	size := memcached.Spec.Size
	if *found.Spec.Replicas != size {
		log.Info("Updating Deployment", "Deployment.Namespace", deployment.Namespace, "Deployment.Name", deployment.Name)
		found.Spec.Replicas = &size
		err = r.Update(ctx, found)
		if err != nil {
			log.Error(err, "Failed to update Deployment", "Deployment.Namespace", deployment.Namespace, "Deployment.Name", deployment.Name)
			return ctrl.Result{}, err
		}
		// Спецификацията е актуализирана - връщане и повторно поставяне в опашката
		return ctrl.Result{Requeue: true}, nil
	}

	// Deployment вече съществува - без повторно поставяне в опашката
	log.Info("Skip reconcile: Deployment already exists", "Deployment.Namespace", deployment.Namespace, "Deployment.Name", deployment.Name)
	return ctrl.Result{}, nil
}

Този пример е много опростена версия на логиката за съгласуване. Един готов за производство оператор ще се нуждае от по-стабилна обработка на грешки, регистриране и опции за конфигурация.

4. Изграждане и внедряване на оператора:

Изградете имиджа на оператора и го внедрете във вашия Kubernetes клъстер с помощта на `make deploy`.

5. Създаване на ресурс Memcached:

Създайте файл `memcached-instance.yaml` със следното съдържание:


apiVersion: cache.example.com/v1alpha1
kind: Memcached
metadata:
  name: memcached-sample
spec:
  size: 3

Приложете този файл към вашия клъстер с помощта на `kubectl apply -f memcached-instance.yaml`.

Сега операторът ще създаде Deployment с 3 инстанции на Memcached.

Най-добри практики за разработване на Kubernetes оператори

Разработването на ефективни Kubernetes оператори изисква внимателно планиране и изпълнение. Ето някои най-добри практики, които трябва да имате предвид:

Примери от реалния свят на Kubernetes оператори

Много организации използват Kubernetes оператори за управление на сложни приложения в производствена среда. Ето няколко примера:

Това са само няколко примера от многото налични Kubernetes оператори. Тъй като приемането на Kubernetes продължава да расте, можем да очакваме да се появят още повече оператори, които опростяват управлението на все по-широк кръг от приложения.

Съображения за сигурност при Kubernetes операторите

Kubernetes операторите, както всяко приложение, работещо в Kubernetes клъстер, изискват внимателни съображения за сигурност. Тъй като операторите често имат повишени привилегии за управление на ресурсите на клъстера, е изключително важно да се приложат подходящи мерки за сигурност, за да се предотврати неоторизиран достъп и злонамерена дейност.

Ето някои ключови съображения за сигурност при Kubernetes операторите:

Чрез прилагането на тези мерки за сигурност можете значително да намалите риска от пробиви в сигурността и да защитите вашите Kubernetes оператори от злонамерена дейност.

Бъдещето на Kubernetes операторите

Kubernetes операторите се развиват бързо и се превръщат във все по-важна част от екосистемата на Kubernetes. Тъй като приемането на Kubernetes продължава да расте, можем да очакваме да видим още повече иновации в пространството на операторите.

Ето някои тенденции, които оформят бъдещето на Kubernetes операторите:

Заключение

Kubernetes операторите предоставят мощен начин за автоматизиране на управлението на сложни приложения и разширяване на възможностите на Kubernetes. Чрез дефиниране на персонализирани ресурси и имплементиране на персонализирани контролери, операторите ви позволяват да управлявате приложения по декларативен, автоматизиран и повтаряем начин. Тъй като приемането на Kubernetes продължава да расте, операторите ще стават все по-важна част от облачно-базирания пейзаж.

Приемайки Kubernetes операторите, организациите могат да опростят управлението на приложенията, да намалят оперативните разходи и да подобрят цялостната надеждност и мащабируемост на своите приложения. Независимо дали управлявате бази данни, системи за мониторинг или други сложни приложения, Kubernetes операторите могат да ви помогнат да оптимизирате операциите си и да отключите пълния потенциал на Kubernetes.

Това е развиваща се област, така че поддържането на актуална информация за най-новите разработки и най-добри практики е от решаващо значение за ефективното използване на Kubernetes операторите във вашата организация. Общността около операторите е жизнена и подкрепяща, предлагайки богатство от ресурси и експертиза, за да ви помогне да успеете.