从 Helm 到 Operator：Kubernetes应用管理的进化

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🧰Helm 的作用

在开始前需要先对 kubernetes Operator 有个简单的认识。

以为我们在编写部署一些简单 Deployment 的时候只需要自己编写一个 yaml 文件然后 kubectl apply 即可。

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apiVersion: apps/v1  
kind: Deployment  
metadata:  
  labels:  
    app: k8s-combat  
  name: k8s-combat  
spec:  
  replicas: 1  
  selector:  
    matchLabels:  
      app: k8s-combat  
  template:  
    metadata:  
      labels:  
        app: k8s-combat  
    spec:  
      containers:  
        - name: k8s-combat  
          image: crossoverjie/k8s-combat:v1  
          imagePullPolicy: Always  
          resources:  
            limits:  
              cpu: "1"  
              memory: 300Mi  
            requests:  
              cpu: "0.1"  
              memory: 30Mi
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kubectl apply -f deployment.yaml

这对于一些并不复杂的项目来说完全够用了，但组件一多就比较麻烦了。


这里以 Apache Pulsar 为例：它的核心组件有:

  • Broker
  • Proxy
  • Zookeeper
  • Bookkeeper
  • Prometheus(可选)
  • Grafana(可选)
    等组件，每个组件的启动还有这依赖关系。

    必须需要等 Zookeeper 和 Bookkeeper 启动之后才能将流量放进来。

此时如何还继续使用 yaml 文件一个个部署就会非常繁琐，好在社区有提供 Helm 一键安装程序，使用它我们只需要在一个同意的 yaml 里简单的配置一些组件，配置就可以由 helm 来部署整个复杂的 Pulsar 系统。

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components:  
  # zookeeper  
  zookeeper: true  
  # bookkeeper  
  bookkeeper: true  
  # bookkeeper - autorecovery  
  autorecovery: true  
  # broker  
  broker: true  
  # functions  
  functions: false  
  # proxy  
  proxy: true  
  # toolset  
  toolset: true  
  # pulsar manager  
  pulsar_manager: false  
monitoring:  
  # monitoring - prometheus  
  prometheus: true  
  # monitoring - grafana  
  grafana: true  
  # monitoring - node_exporter  
  node_exporter: true  
  # alerting - alert-manager  
  alert_manager: false

比如在 helm 的 yaml 中我们可以选择使用哪些 components，以及是否启用监控组件。

最后直接使用这个文件进行安装：

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helm install pulsar apache/pulsar \
	--values charts/pulsar/values.yaml \
	--set namespace=pulsar \
    --set initialize=true

它就会自动生成各个组件的 yaml 文件，然后统一执行。

所以 helm 的本质上和 kubectl apply yaml 一样的，只是我们在定义 value.yaml 时帮我们处理了许多不需要用户低频修改的参数。

我们可以使用 helm 将要执行的 yaml 输出后人工审核

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helm install pulsar apache/pulsar --dry-run --debug > debug.yaml

🤔Operator 是什么

💔Helm 的痛点

Helm 虽然可以帮我们部署或者升级一个大型应用，但他却没法帮我们运维这个应用。

举个例子：比如我希望当 Pulsar Broker 的流量或者内存达到某个阈值后就指定扩容 Broker，闲时再自动回收。

或者某个 Bookkeeper 的磁盘使用率达到阈值后可以自动扩容磁盘，这些仅仅使用 Helm 时都是无法实现的。

以上这些需求我们目前也是通过监控系统发出报警，然后再由人工处理。

其中最大的痛点就是进行升级：

  • 升级ZK
  • 关闭auto recovery
  • 升级Bookkeeper
  • 升级Broker
  • 升级Proxy
  • 开启auto recovery

因为每次升级是有先后顺序的，需要依次观察每个组件运行是否正常才能往后操作。

如果有 Operator 理性情况下下我们只需要更新一下镜像版本，它就可以自动执行以上的所有步骤最后将集群升级完毕。

所以相对于 Helm 来说 Operator 是可以站在一个更高的视角俯视整个应用系统，它能发现系统哪个地方需要它从而直接修复。

💎CRD(Custom Resource Definitions)

而提到 Operator 那就不得不提到 CRD(Custom Resource Definitions)翻译过来就是自定义资源。

这是 kubernetes 提供的一个 API 扩展机制，类似于内置的 Deployment/StatefulSet/Services 资源，CRD 是一种自定义的资源。

这里以我们常用的 prometheus-operator 和 VictoriaMetrics-operator 为例：

Prometheus：

  • **Prometheus**：用于定义 Prometheus 的 Deployment
  • **Alertmanager**：用于定义 Alertmanager
  • **ScrapeConfig**：用于定会抓取规则
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apiVersion: monitoring.coreos.com/v1alpha1
kind: ScrapeConfig
metadata:
  name: static-config
  namespace: my-namespace
  labels:
    prometheus: system-monitoring-prometheus
spec:
  staticConfigs:
    - labels:
        job: prometheus
      targets:
        - prometheus.demo.do.prometheus.io:9090

使用时的一个很大区别就是资源的 kind: ScrapeConfig 为自定义的类型。

VictoriaMetrics 的 CRD：

  • VMPodScrape：Pod 的抓取规则
  • VMCluster：配置 VM 集群
  • VMAlert：配置 VM 的告警规则
  • 等等
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# vmcluster.yaml
apiVersion: operator.victoriametrics.com/v1beta1
kind: VMCluster
metadata:
  name: demo
spec:
  retentionPeriod: "1"
  replicationFactor: 2
  vmstorage:
    replicaCount: 2
    storageDataPath: "/vm-data"
    storage:
      volumeClaimTemplate:
        spec:
          resources:
            requests:
              storage: "10Gi"
    resources:
      limits:
        cpu: "1"
        memory: "1Gi"
  vmselect:
    replicaCount: 2
    cacheMountPath: "/select-cache"
    storage:
      volumeClaimTemplate:
        spec:
          resources:
            requests:
              storage: "1Gi"
    resources:
      limits:
        cpu: "1"
        memory: "1Gi"
      requests:
        cpu: "0.5"
        memory: "500Mi"
  vminsert:
    replicaCount: 2

以上是用于创建一个 VM 集群的 CRD 资源，应用之后就会自动创建一个集群。

Operator 原理


Operator 通常是运行在 kubernetes API server 的 webhook 之上，简单来说就是在一些内置资源的关键节点 API-server 会调用我们注册的一个 webhook，在这个 webhook 中我们根据我们的 CRD 做一些自定义的操作。

理论上我们可以使用任何语言都可以写 Operator，只需要能处理 api-server 的回调即可。

只是 Go 语言有很多成熟的工具，比如常用的 kubebuilder 和 operator-sdk.

他们内置了许多命令行工具，可以帮我们节省需要工作量。

这里以 operator-sdk 为例：

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$ operator-sdk create webhook --group cache --version v1alpha1 --kind Memcached --defaulting --programmatic-validation

会直接帮我们创建好一个标准的 operator 项目:

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├── Dockerfile
├── Makefile
├── PROJECT
├── api
│   └── v1alpha1
│       ├── memcached_webhook.go
│       ├── webhook_suite_test.go
├── config
│   ├── certmanager
│   │   ├── certificate.yaml
│   │   ├── kustomization.yaml
│   │   └── kustomizeconfig.yaml
│   ├── default
│   │   ├── manager_webhook_patch.yaml
│   │   └── webhookcainjection_patch.yaml
│   └── webhook
│       ├── kustomization.yaml
│       ├── kustomizeconfig.yaml
│       └── service.yaml
├── go.mod
├── go.sum
└── main.go

其中 Makefile 中包含了开发过程中常用的工具链（包括根据声明的结构体自动生成 CRD 资源、部署k8s 环境测试等等）、Dockerfile 等等。

这样我们就只需要专注于开发业务逻辑即可。

因为我前段时间给 https://github.com/open-telemetry/opentelemetry-operator 贡献过两个 feature，所以就以这个 Operator 为例：

它有一个 CRD: kind: Instrumentation，在这个 CRD 中可以将 OpenTelemetry 的 agent 注入到应用中。

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apiVersion: opentelemetry.io/v1alpha1  
kind: Instrumentation  
metadata:  
  name: instrumentation-test-order
  namespace: test  
spec:  
  env:  
    - name: OTEL_SERVICE_NAME  
      value: order
  selector:  
    matchLabels:  
      app: order  
  java:  
    image: autoinstrumentation-java:2.4.0-release  
    extensions:  
      - image: autoinstrumentation-java:2.4.0-release  
        dir: /extensions  
  
    env:  
      - name: OTEL_RESOURCE_ATTRIBUTES  
        value: service.name=order  
      - name: OTEL_INSTRUMENTATION_MESSAGING_EXPERIMENTAL_RECEIVE_TELEMETRY_ENABLED  
        value: "true"  
      - name: OTEL_TRACES_EXPORTER  
        value: otlp  
      - name: OTEL_METRICS_EXPORTER  
        value: otlp  
      - name: OTEL_LOGS_EXPORTER  
        value: none  
      - name: OTEL_EXPORTER_OTLP_ENDPOINT  
        value: http://open-telemetry-opentelemetry-collector.otel.svc.cluster.local:4317  
      - name: OTEL_EXPORTER_OTLP_COMPRESSION  
        value: gzip  
      - name: OTEL_EXPERIMENTAL_EXPORTER_OTLP_RETRY_ENABLED  
        value: "true"

它的运行规则是当我们的 Pod 在启动过程中会判断 Pod 的注解中是否开启了注入 OpenTelemetry 的配置。

如果开启则会将我们在 CRD 中自定义的镜像里的 javaagent 复制到业务容器中，同时会将下面的那些环境变量也一起加入的业务容器中。

要达到这样的效果就需要我们注册一个回调 endpoint。

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mgr.GetWebhookServer().Register("/mutate-v1-pod", &webhook.Admission{  
    Handler: podmutation.NewWebhookHandler(cfg, ctrl.Log.WithName("pod-webhook"), decoder, mgr.GetClient(),  
       []podmutation.PodMutator{  
          sidecar.NewMutator(logger, cfg, mgr.GetClient()),  
          instrumentation.NewMutator(logger, mgr.GetClient(), mgr.GetEventRecorderFor("opentelemetry-operator"), cfg),  
       }),})

当 Pod 创建或有新的变更请求时就会回调我们的接口。

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func (pm *instPodMutator) Mutate(ctx context.Context, ns corev1.Namespace, pod corev1.Pod) (corev1.Pod, error) {  
    logger := pm.Logger.WithValues("namespace", pod.Namespace, "name", pod.Name)
    }

在这个接口中我们就可以拿到 Pod 的信息，然后再获取 CRD Instrumentation 做我们的业务逻辑。

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var otelInsts v1alpha1.InstrumentationList  
if err := pm.Client.List(ctx, &otelInsts, client.InNamespace(ns.Name)); err != nil {  
    return nil, err  
}


// 从 CRD 中将数据复制到业务容器中。
pod.Spec.InitContainers = append(pod.Spec.InitContainers, corev1.Container{
	Name:      javaInitContainerName,
	Image:     javaSpec.Image,
	Command:   []string{"cp", "/javaagent.jar", javaInstrMountPath + "/javaagent.jar"},
	Resources: javaSpec.Resources,
	VolumeMounts: []corev1.VolumeMount{{
		Name:      javaVolumeName,
		MountPath: javaInstrMountPath,
	}},
})

for i, extension := range javaSpec.Extensions {
	pod.Spec.InitContainers = append(pod.Spec.InitContainers, corev1.Container{
		Name:      initContainerName + fmt.Sprintf("-extension-%d", i),
		Image:     extension.Image,
		Command:   []string{"cp", "-r", extension.Dir + "/.", javaInstrMountPath + "/extensions"},
		Resources: javaSpec.Resources,
		VolumeMounts: []corev1.VolumeMount{{
			Name:      javaVolumeName,
			MountPath: javaInstrMountPath,
		}},
	})
}

不过需要注意的是想要在测试环境中测试 operator 是需要安装一个 cert-manage，这样 webhook 才能正常的回调。


要使得 CRD 生效，我们还得先将 CRD 安装进 kubernetes 集群中，不过这些 operator-sdk 这类根据已经考虑周到了。

我们只需要定义好 CRD 的结构体：

然后使用 Makefile 中的工具 make bundle 就会自动将结构体转换为 CRD。

参考链接：