Kubernetes Operator基础入门

你是否曾经想过SRE团队是如何有效地成功管理复杂的应用？在Kubernetes生态系统中，Kubernetes Operator可以给你答案。在本文中，我们将研究Operator是什么以及它们如何工作。

Kubernetes Operator这一概念是由CoreOS的工程师于2016年提出的，这是一种原生的方式来构建和驱动Kubernetes集群上的每一个应用，它需要特定领域的知识。它提供了一种一致的方法，通过与Kubernetes API的紧密合作，自动处理所有应用操作过程，而不需要任何人工干预。换句话说，Operator是一种包装、运行和管理Kubernetes应用的方式。

Kubernetes Operator模式遵循Kubernetes的核心原则之一：控制理论（control theory）。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。它依赖于一种快速调整工作负载需求的能力，进而能够尽可能准确地适应现有资源。其目标是开发一个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，这部分由controller处理。

在循环中，Controller是个特殊的软件，它可以对集群的变化做出响应，并执行适应动作。第一个Kubernetes controller是一个kube-controller-manager。它被认为是所有Operator的前身，Operator是后来建立的。

什么是Controller Loop？

简单来说，Controller Loop是Controller动作的基础。想象一下，有一个非终止的进程（在Kubernetes中称为和解循环）在不断地发生，如下图所示：

这个过程至少观察一个Kubernetes对象，该对象包含有关所需状态的信息。比如：

Deployment
Services
Secrets
Ingress
Config Maps

这些对象由JSON或YAML中的manifest组成的配置文件定义。然后controller根据内置逻辑，通过Kubernetes API进行持续调整，模仿所需状态，直到当前状态变成所需状态。

通过这种方式，Kubernetes通过处理不断的更改来处理Cloud Native系统的动态性质。为达到预期状态而执行的修改实例包括：

注意到节点宕机时，要求更换新的节点。
检查是否需要复制pods。
如果需要，创建一个新的负载均衡器。

Kubernetes Operator如何工作？

Operator是一个特定应用程序的controller，它扩展了一个Kubernetes API，替代运维工程师或SRE工程师来创建、配置和管理复杂的应用程序。在Kubernetes官方文档中对此有以下描述：

Operator是Kubernetes的软件拓展，它利用自定义资源来管理应用程序及其组件。Operator遵循Kubernetes的原则，尤其遵循control loop。

到目前为止，你已经了解Operator会利用观察Kubernetes对象的controller。这些controller有点不同，因为它们正在追踪自定义对象，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的地方——你的应用程序的期望状态。整个操作原理如下图所示：

Operator会持续跟踪与特定类型的自定义资源相关的集群事件。可以跟踪的关于这些自定义资源的事件类型有：

Add
Update
Delete

当Operator接收任何信息时，它将采取行动将Kubernetes集群或外部系统调整到所需的状态，作为其在自定义controller中的和解循环（reconciliation loop）的一部分。

如何添加一个自定义资源

自定义资源通过添加对你的应用有帮助的新型对象来扩展Kubernetes功能。Kubernetes提供了两种向集群添加自定义资源的方法：

通过API Aggregation添加，这是一种高级方法，需要你建立自己的API服务器，但你有更多的控制权限。

通过自定义资源定义（CRD）添加，一种不需要复杂编程知识就可以创建的简单方式，作为Kubernetes API服务器的扩展。

这两种方案满足了不同用户的需求，他们可以在灵活性和易用性之间进行选择。Kubernetes社区对两者进行了比较，将帮助你决定哪种方法适合你，但目前最受欢迎的选项是CRD：

https://kubernetes.io/docs/concepts/extend-kubernetes/api-extension/custom-resources/#choosing-a-method-for-adding-custom-resources

自定义资源定义（CRD）

自定义资源定义（CRD）的出现已经有一段时间了，第一个主要的API规范是与Kubernetes 1.16.0一起发布的。下面的manifest介绍了一个例子：

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

这个CRD可以让你创建一个名为“Application”的CR（我们将会在下一个部分使用它）。前两行定义了apiVersion和你要创建的对象种类。

Metadata描述了资源名称，但这里最重要的部分是“spec”字段。它让你可以指定组、版本以及可见性范围——命名空间或集群范围。

然后，你可以用多种格式定义名称，并创建一个方便的缩写，让你执行命令kubectl get app来获取现有的CR。

自定义资源

以上CRD可以让你创建以下自定义资源的manifest。

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

如你所见，在这里包含了运行特定情况下的应用程序所需的所有必要信息。这个自定义资源将被我们的Operator观察到——准确地说，是被Operator的自定义controller观察到。根据controller中的内置逻辑，将模仿所需的状态。它可以为我们的应用程序创建部署、服务和必要的ConfigMaps。运行它，并在特定的域上通过 ingress 暴露它。这只是一个简单的用例，但你可以根据自己的需求对它进行任何设计。

Operator还可以配置在Kubernetes之外的资源。你可以在不离开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

为了对Kubernetes Operator有一个整体清晰的认识，我们来看看Prometheus Operator，它是最早也是最流行的Operator之一。它简化了Prometheus、Alertmanager以及相关监控组件的部署和配置。

Prometheus Operator的核心功能是监控Kubernetes API服务器上指定对象的变化，并确保当前的Prometheus部署与这些对象相匹配。Operator作用于以下自定义资源定义（CRD）：

Prometheus：定义了所需Prometheus部署
Alertmanager：定义了所需的Alertmanager部署
ServiceMonitor：它声明性地指定了应该如何监控Kubernetes服务的组。Operator会根据API服务器中对象的当前状态自动生成Prometheus scrape配置。
PodMonitor：声明性地指定了应如何监控一组 pod。Operator 会根据 API 服务器中对象的当前状态自动生成 Prometheus scrape 配置。
PrometheusRule：定义了一组所需的 Prometheus 告警和/或记录规则。Operator会生成一个规则文件，可供 Prometheus 实例使用。

Prometheus Operator会自动检测Kubernetes API服务器中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。