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。

原文链接：

https://blog.container-solutions.com/kubernetes-operators-explained

本文转载自公众号 RancherLabs（ID：RancherLabs）。

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Kubernetes Operator 基础入门