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Eine tiefgehende Einführung in Kubernetes Operators, die erklärt, wie sie die Verwaltung komplexer Anwendungen und benutzerdefinierter Ressourcen vereinfachen und automatisieren.

Kubernetes Operators: Automatisierung der Verwaltung benutzerdefinierter Ressourcen

Kubernetes hat die Art und Weise, wie wir Anwendungen bereitstellen und verwalten, revolutioniert. Die Verwaltung komplexer, zustandsbehafteter Anwendungen kann jedoch immer noch eine Herausforderung sein. Hier kommen Kubernetes Operators ins Spiel, die eine leistungsstarke Möglichkeit bieten, das Anwendungsmanagement zu automatisieren und die Fähigkeiten von Kubernetes zu erweitern.

Was sind Kubernetes Operators?

Ein Kubernetes Operator ist ein anwendungsspezifischer Controller, der die Kubernetes-API erweitert, um komplexe Anwendungen zu verwalten. Stellen Sie ihn sich wie einen automatisierten Systemadministrator vor, der speziell auf eine bestimmte Anwendung zugeschnitten ist. Operators kapseln das Fachwissen über den Betrieb einer spezifischen Anwendung und ermöglichen es Ihnen, sie auf deklarative, automatisierte und wiederholbare Weise zu verwalten.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Kubernetes-Controllern, die Kernressourcen wie Pods und Services verwalten, verwalten Operators benutzerdefinierte Ressourcen, die durch Custom Resource Definitions (CRDs) definiert werden. Dies ermöglicht es Ihnen, Ihre eigenen anwendungsspezifischen Ressourcen zu definieren und sie von Kubernetes automatisch verwalten zu lassen.

Warum Kubernetes Operators verwenden?

Operators bieten mehrere entscheidende Vorteile für die Verwaltung komplexer Anwendungen:

Verständnis von Custom Resource Definitions (CRDs)

Custom Resource Definitions (CRDs) sind die Grundlage von Kubernetes Operators. Mit CRDs können Sie die Kubernetes-API erweitern, indem Sie Ihre eigenen benutzerdefinierten Ressourcentypen definieren. Diese Ressourcen werden wie jede andere Kubernetes-Ressource, wie z. B. Pods oder Services, behandelt und können mit kubectl und anderen Kubernetes-Tools verwaltet werden.

So funktionieren CRDs:

  1. Sie definieren eine CRD, die das Schema und die Validierungsregeln für Ihre benutzerdefinierte Ressource festlegt.
  2. Sie stellen die CRD in Ihrem Kubernetes-Cluster bereit.
  3. Sie erstellen Instanzen Ihrer benutzerdefinierten Ressource und geben die gewünschte Konfiguration an.
  4. Der Operator überwacht Änderungen an diesen benutzerdefinierten Ressourcen und ergreift Maßnahmen, um den gewünschten Zustand mit dem tatsächlichen Zustand abzugleichen.

Nehmen wir zum Beispiel an, Sie möchten eine Datenbankanwendung mit einem Operator verwalten. Sie könnten eine CRD namens Database mit Feldern wie name, version, storageSize und replicas definieren. Der Operator würde dann Änderungen an Database-Ressourcen überwachen und die zugrunde liegenden Datenbankinstanzen entsprechend erstellen oder aktualisieren.

Wie Kubernetes Operators funktionieren

Kubernetes Operators funktionieren durch die Kombination von Custom Resource Definitions (CRDs) mit benutzerdefinierten Controllern. Der Controller überwacht Änderungen an benutzerdefinierten Ressourcen und ergreift Maßnahmen, um den gewünschten Zustand mit dem tatsächlichen Zustand abzugleichen. Dieser Prozess umfasst in der Regel die folgenden Schritte:

  1. Überwachen von Ereignissen: Der Operator überwacht Ereignisse im Zusammenhang mit benutzerdefinierten Ressourcen, wie z. B. Erstellung, Löschung oder Aktualisierungen.
  2. Abgleich des Zustands: Wenn ein Ereignis eintritt, gleicht der Operator den Zustand der Anwendung ab. Dies beinhaltet den Vergleich des gewünschten Zustands (in der benutzerdefinierten Ressource definiert) mit dem tatsächlichen Zustand und das Ergreifen von Maßnahmen, um sie in Übereinstimmung zu bringen.
  3. Verwalten von Ressourcen: Der Operator erstellt, aktualisiert oder löscht Kubernetes-Ressourcen (Pods, Services, Deployments usw.), um den gewünschten Zustand zu erreichen.
  4. Fehlerbehandlung: Der Operator behandelt Fehler und wiederholt fehlgeschlagene Vorgänge, um sicherzustellen, dass die Anwendung in einem konsistenten Zustand bleibt.
  5. Bereitstellen von Feedback: Der Operator gibt Feedback zum Status der Anwendung, z. B. Zustandsprüfungen und Ressourcennutzung.

Die Abgleichschleife (Reconcile Loop) ist der Kern der Logik des Operators. Sie überwacht kontinuierlich den Zustand der Anwendung und ergreift Maßnahmen, um den gewünschten Zustand aufrechtzuerhalten. Diese Schleife wird typischerweise mit einer Abgleichfunktion implementiert, die die erforderlichen Operationen durchführt.

Erstellen eines eigenen Kubernetes Operators

Mehrere Tools und Frameworks können Ihnen beim Erstellen von Kubernetes Operators helfen:

Hier ist eine vereinfachte Übersicht über die Schritte, die beim Erstellen eines Operators mit dem Operator Framework erforderlich sind:

  1. Definieren Sie eine Custom Resource Definition (CRD): Erstellen Sie eine CRD, die den gewünschten Zustand Ihrer Anwendung beschreibt. Diese definiert das Schema und die Validierungsregeln für Ihre benutzerdefinierte Ressource.
  2. Generieren Sie Operator-Code: Verwenden Sie das Operator SDK, um den anfänglichen Operator-Code basierend auf Ihrer CRD zu generieren. Dadurch werden die notwendigen Controller und Ressourcendefinitionen erstellt.
  3. Implementieren Sie die Abgleichlogik (Reconcile Logic): Implementieren Sie die Logik, die den gewünschten Zustand (in der benutzerdefinierten Ressource definiert) mit dem tatsächlichen Zustand vergleicht und Maßnahmen ergreift, um sie in Übereinstimmung zu bringen. Dies ist der Kern der Funktionalität Ihres Operators.
  4. Erstellen und Bereitstellen des Operators: Erstellen Sie das Operator-Image und stellen Sie es in Ihrem Kubernetes-Cluster bereit.
  5. Testen und Iterieren: Testen Sie Ihren Operator gründlich und iterieren Sie den Code, um seine Funktionalität und Zuverlässigkeit zu verbessern.

Lassen Sie uns dies mit einem einfachen Beispiel unter Verwendung des Operator Frameworks veranschaulichen. Angenommen, Sie möchten einen Operator erstellen, der ein einfaches Memcached-Deployment verwaltet.

1. Definieren der CRD:

Erstellen Sie eine memcached.yaml-Datei mit der folgenden CRD-Definition:


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: Size is the number of Memcached instances
              required: ["size"]
  scope: Namespaced
  names:
    plural: memcacheds
    singular: memcached
    kind: Memcached
    shortNames: ["mc"]

Diese CRD definiert eine Memcached-Ressource mit einem size-Feld, das die Anzahl der auszuführenden Memcached-Instanzen angibt.

2. Generieren des Operator-Codes:

Verwenden Sie das Operator SDK, um den anfänglichen Operator-Code zu generieren:


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

Dadurch werden die notwendigen Dateien und Verzeichnisse für Ihren Operator generiert, einschließlich des Controller-Codes und der Ressourcendefinitionen.

3. Implementieren der Abgleichlogik:

Bearbeiten Sie die Datei controllers/memcached_controller.go, um die Abgleichlogik zu implementieren. Diese Funktion erstellt, aktualisiert oder löscht Memcached-Deployments basierend auf dem in der Memcached-Ressource definierten gewünschten Zustand.


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

	// Fetch the Memcached instance
	memcached := &cachev1alpha1.Memcached{}
	err := r.Get(ctx, req.NamespacedName, memcached)
	if err != nil {
		if errors.IsNotFound(err) {
			// Request object not found, could have been deleted after reconcile request.
			// Owned objects are automatically garbage collected. For additional cleanup logic use finalizers.
			// Return and don't requeue
			log.Info("Memcached resource not found. Ignoring since object must be deleted")
			return ctrl.Result{}, nil
		}
		// Error reading the object - requeue the request.
		log.Error(err, "Failed to get Memcached")
		return ctrl.Result{}, err
	}

	// Define a new Deployment object
	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,
								},
							},
						},
					},
				},
			},
		},
	}

	// Set Memcached instance as the owner and controller
	if err := ctrl.SetControllerReference(memcached, deployment, r.Scheme);
		err != nil {
			log.Error(err, "Failed to set controller reference")
			return ctrl.Result{}, err
	}

	// Check if this Deployment already exists
	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 created successfully - return and requeue
		return ctrl.Result{Requeue: true}, nil
	} else if err != nil {
		log.Error(err, "Failed to get Deployment")
		return ctrl.Result{}, err
	}

	// Ensure the deployment size is the same as the spec
	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
		}
		// Spec updated - return and requeue
		return ctrl.Result{Requeue: true}, nil
	}

	// Deployment already exists - don't requeue
	log.Info("Skip reconcile: Deployment already exists", "Deployment.Namespace", deployment.Namespace, "Deployment.Name", deployment.Name)
	return ctrl.Result{}, nil
}

Dieses Beispiel ist eine stark vereinfachte Version der Abgleichlogik. Ein produktionsreifer Operator würde eine robustere Fehlerbehandlung, Protokollierung und Konfigurationsoptionen benötigen.

4. Erstellen und Bereitstellen des Operators:

Erstellen Sie das Operator-Image und stellen Sie es mit make deploy in Ihrem Kubernetes-Cluster bereit.

5. Erstellen einer Memcached-Ressource:

Erstellen Sie eine memcached-instance.yaml-Datei mit dem folgenden Inhalt:


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

Wenden Sie diese Datei mit kubectl apply -f memcached-instance.yaml auf Ihren Cluster an.

Der Operator wird nun ein Deployment mit 3 Memcached-Instanzen erstellen.

Best Practices für die Entwicklung von Kubernetes Operators

Die Entwicklung effektiver Kubernetes Operators erfordert sorgfältige Planung und Ausführung. Hier sind einige Best Practices, die Sie beachten sollten:

Praxisbeispiele für Kubernetes Operators

Viele Organisationen verwenden Kubernetes Operators, um komplexe Anwendungen in der Produktion zu verwalten. Hier sind einige Beispiele:

Dies sind nur einige Beispiele der vielen verfügbaren Kubernetes Operators. Da die Akzeptanz von Kubernetes weiter zunimmt, können wir erwarten, dass noch mehr Operators entstehen, die die Verwaltung einer immer breiteren Palette von Anwendungen vereinfachen.

Sicherheitsüberlegungen für Kubernetes Operators

Kubernetes Operators erfordern, wie jede in einem Kubernetes-Cluster laufende Anwendung, sorgfältige Sicherheitsüberlegungen. Da Operators oft über erweiterte Berechtigungen zur Verwaltung von Cluster-Ressourcen verfügen, ist es entscheidend, angemessene Sicherheitsmaßnahmen zu implementieren, um unbefugten Zugriff und böswillige Aktivitäten zu verhindern.

Hier sind einige wichtige Sicherheitsüberlegungen für Kubernetes Operators:

Durch die Umsetzung dieser Sicherheitsmaßnahmen können Sie das Risiko von Sicherheitsverletzungen erheblich reduzieren und Ihre Kubernetes Operators vor böswilligen Aktivitäten schützen.

Die Zukunft von Kubernetes Operators

Kubernetes Operators entwickeln sich schnell weiter und werden zu einem immer wichtigeren Teil des Kubernetes-Ökosystems. Da die Akzeptanz von Kubernetes weiter zunimmt, können wir noch mehr Innovationen im Bereich der Operators erwarten.

Hier sind einige Trends, die die Zukunft von Kubernetes Operators prägen:

Fazit

Kubernetes Operators bieten eine leistungsstarke Möglichkeit, die Verwaltung komplexer Anwendungen zu automatisieren und die Fähigkeiten von Kubernetes zu erweitern. Durch die Definition benutzerdefinierter Ressourcen und die Implementierung benutzerdefinierter Controller ermöglichen es Operators, Anwendungen auf deklarative, automatisierte und wiederholbare Weise zu verwalten. Da die Akzeptanz von Kubernetes weiter zunimmt, werden Operators zu einem immer wichtigeren Teil der Cloud-nativen Landschaft.

Durch den Einsatz von Kubernetes Operators können Organisationen das Anwendungsmanagement vereinfachen, den Betriebsaufwand reduzieren und die allgemeine Zuverlässigkeit und Skalierbarkeit ihrer Anwendungen verbessern. Ob Sie Datenbanken, Überwachungssysteme oder andere komplexe Anwendungen verwalten, Kubernetes Operators können Ihnen helfen, Ihre Abläufe zu optimieren und das volle Potenzial von Kubernetes auszuschöpfen.

Dies ist ein sich entwickelndes Feld, daher ist es entscheidend, auf dem Laufenden über die neuesten Entwicklungen und Best Practices zu bleiben, um Kubernetes Operators in Ihrer Organisation effektiv zu nutzen. Die Community rund um Operators ist lebendig und unterstützend und bietet eine Fülle von Ressourcen und Fachwissen, um Ihnen zum Erfolg zu verhelfen.

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