kubernetes operator解析

您是否想过站点可靠性工程 (SRE) 团队如何有效地成功管理复杂的应用程序? 在 Kubernetes 生态中,只有一个答案:Kubernetes Operators! 在本文中,我们将研究它们是什么以及它们是如何工作的。

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Kubernetes Operator 概念由 CoreOS 的工程师于 2016 年开发,作为一种在 Kubernetes 集群上构建和驱动每个应用程序的高级原生方式,这需要特定领域的知识。 它通过与 Kubernetes API 的密切合作,提供了一种一致的方法来自动处理所有应用程序操作过程,无需任何人为反应。 换句话说,Operator 是一种打包、运行和管理 Kubernetes 应用程序的方式。

Kubernetes Operator 模式根据 Kubernetes 核心原则之一:控制理论行事。 在机器人和自动化领域,它是一种持续运行动态系统的机制。 它依赖于尽可能准确地根据可用资源快速调整工作负载需求的能力。 目标是开发具有必要逻辑的控制模型,以帮助应用程序或系统保持稳定。 在 Kubernetes 世界中,该部分由控制器处理。

控制器是一种特殊的软件,它在循环中响应集群中的变化并执行适配动作。 第一个 Kubernetes 控制器是 kube-controller-manager。 它被认为是后来建立的所有operator的祖先。

什么是控制器循环?

简而言之,控制器循环是控制器动作的基础。 想象一下,有一个非终止过程(在 Kubernetes 中称为协调循环)一遍又一遍地发生,如下图所示:

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此过程至少观察一个 Kubernetes 对象,其中包含有关所需状态的信息。 对象如…

  • Deployments
  • Services
  • Secrets
  • Ingress
  • Config Maps

…由配置文件定义,配置文件由 JSON 或 YAML 中的清单组成。 然后控制器根据内置逻辑通过 Kubernetes API 进行持续调整以模仿所需状态,直到当前状态变为所需状态。

通过这种方式,Kubernetes 通过处理不断变化来处理云原生系统的动态特性。 为实现预期状态而执行的修改示例包括:

  1. 注意节点何时出现故障并要求一个新节点。
  2. 检查是否需要复制 pod。
  3. 如果需要,创建一个新的负载平衡器。

Kubernetes Operator如何工作?

Operator 是一个特定于应用程序的控制器。 它扩展了 Kubernetes API 以代表人类(运营工程师或站点可靠性工程师)创建、配置和管理复杂的应用程序。 让我们看看 Kubernetes 文档是怎么说的。

“Operator 是 Kubernetes 的软件扩展,它利用自定义资源来管理应用程序及其组件。 Operators 遵循 Kubernetes 原则,尤其是控制回路。

到目前为止,您已经知道operator利用控制器来观察 Kubernetes 对象。 这些控制器有点不同,因为它们跟踪自定义对象,通常称为自定义资源 (CR)。 CR 是 Kubernetes API 的扩展,它提供了一个可以存储和检索结构化数据(应用程序的所需状态)的位置。 整个操作原理如下图所示。

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Operator 持续跟踪与特定类型的自定义资源相关的集群事件。 可以跟踪的这些自定义资源上的事件类型是:

添加

更新

删除

当操作员收到任何信息时,它将采取行动将 Kubernetes 集群或外部系统调整到所需状态,作为其在自定义控制器中的协调循环的一部分。

如何添加自定义资源

自定义资源通过添加对您的应用程序有帮助的新型对象来扩展 Kubernetes 的功能。 Kubernetes 提供了两种向集群添加自定义资源的方式:

  1. 通过 API 聚合,这是一种高级方法,需要您构建自己的 API 服务器,但会给您更多控制权
  2. 通过自定义资源定义 (CRD),这是一种无需任何编程知识即可创建的简单方法,作为对原始 Kubernetes API 服务器的扩展。

这两个选项满足不同用户的需求,他们可以在灵活性和易用性之间进行选择。 Kubernetes 社区创建了一个比较,可以帮助您决定哪种方法适合您,但最受欢迎的选择是 CRD。

自定义资源定义

自定义资源定义已经存在了一段时间; 第一个主要的 API 规范与 Kubernetes 1.16.0 一起发布。 下面的清单提供了一个示例:


apiVersion: apiextensions.k8s.io/v1beta1 
kind: CustomResourceDefinition
metadata:
  name: application.stable.example.com 
spec:
  group: stable.example.com 
  version: v1 
  scope: Namespaced 
  names:
    plural: application 
    singular: applications 
    kind: Application 
    shortNames:
    - app 

此 CRD 将允许您创建一个名为“应用程序”的 CR。 (我们将在下一节中使用它。)前两行定义了您要创建的对象类型 CustomResourceDefinition 的 apiVersion apiextensions.k8s.io/v1beta1。

元数据描述了资源的名称,但这里最重要的地方是“spec”字段。 它允许您指定组和版本以及可见范围——命名空间或集群范围。

之后,您可以定义多种格式的名称并创建一个方便的短名称,这样您就可以执行命令 kubectl get crds 来获取现有的 crd。

自定义资源

上面的 CRD 允许您创建自定义资源的以下清单。


apiVersion: stable.example.com/v1 
kind: Application
metadata:
  name: application-config
spec:
  image: container-registry-image:v1.0.0
  domain: teamx.yoursaas.io
  plan: premium

如您所见,我们可以在此处包含为特定案例运行应用程序所需的所有必要信息。 这个自定义资源将由我们的operator观察——准确地说,由operator的自定义控制器观察。 根据控制器中的内置逻辑,必要的动作将模仿所需的状态。 它可以为我们的应用程序创建 Deployment、Service 和必要的 ConfigMap。 运行它并通过特定域上的入口公开它。 这只是一个用例示例,但它可以做任何设计的事情。

Operators 也可用于配置 Kubernetes 外部的资源。 您可以在不离开 Kubernetes 平台的情况下控制外部路由器的配置或在云中创建数据库。

Kubernetes Operators:案例研究

为了全面了解 Kubernetes Operators,让我们来看看 Prometheus Operator,它是最早也是最受欢迎的 Operators 之一。 它简化了 Prometheus、Alertmanager 和相关监控组件的部署和配置。

  • Prometheus Operator 的核心功能是监控 Kubernetes API 服务器对特定对象的更改,并确保当前的 Prometheus 部署与这些对象匹配。 Operator 根据以下自定义资源定义 (CRD) 执行操作:
  • Prometheus,它定义了所需的 Prometheus 部署。
  • Alertmanager,它定义了所需的 Alertmanager 部署。
  • ServiceMonitor,它以声明方式指定应如何监视 Kubernetes 服务组。 Operator 根据 API 服务器中对象的当前状态自动生成 Prometheus 抓取配置。
  • PodMonitor,它以声明方式指定应如何监视一组 pod。 Operator 根据 API 服务器中对象的当前状态自动生成 Prometheus 抓取配置。
  • PrometheusRule,它定义了一组所需的 Prometheus 警报和/或记录规则。 Operator 生成一个规则文件,可供 Prometheus 实例使用。

Prometheus Operator 自动检测 Kubernetes API 服务器对上述任何对象的更改,并确保匹配的部署和配置保持同步。

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