Як створити Kubernetes-оператори за допомогою Operator Framework

Запис вебінару наприкінці статті

Спікер розказав про найкращі практики написання  операторів Kubernetes, стратегії тестування для операторів Kubernetes, а також пакування операторів з Operator Lifecycle Manager (OLM) і Helm. В цій статті розглядається покроковий процес створення Kubernetes-операторів за допомогою Operator Framework. Ви дізнаєтеся про основні компоненти фреймворку, налаштування середовища розробки та практичні аспекти імплементації користувацьких ресурсів. Особлива увага приділяється інтеграції з AWS та іншими хмарними платформами для ефективного управління ресурсами кластера.

Визначення Kubernetes-операторів

Розширення функціональності Kubernetes стало можливим завдяки спеціальним програмним компонентам, відомим як оператори. Розглянемо детально, що вони собою представляють та як вони допомагають в автоматизації складних завдань управління кластером.

Що таке Kubernetes-оператори

Kubernetes-оператори — це програмні розширення, які використовують власні ресурси для управління застосунками та їх компонентами. Вони працюють як контролери для користувацьких ресурсів (Custom Resources), постійно відстежуючи стан системи та приводячи його до бажаного відповідно до визначеної конфігурації.

Оператор складається з трьох ключових компонентів:

• Контролер — логіка, яка керує ресурсами
• Користувацький ресурс (CR) — опис бажаної конфігурації
• Визначення користувацького ресурсу (CRD) — специфікація стану системи

Переваги використання операторів

Впровадження операторів у Kubernetes-екосистему надає низку суттєвих переваг:

1.     Автоматизація рутинних завдань:

• спрощення процесів розгортання;
• автоматичне відновлення після збоїв;
• керування оновленнями та масштабуванням.

2.     Розширені можливості управління:

• інтеграція з зовнішніми системами;
• покращений моніторинг ресурсів;
• автоматична синхронізація станів.

3.     Підвищення надійності:

• зменшення людського фактора;
• послідовне виконання операцій;
• швидке реагування на зміни.

Типові сценарії застосування

Оператори найчастіше використовуються у таких випадках:

1.     Управління базами даних:

a.     автоматичне резервне копіювання;

b.     відновлення після збоїв;

c.     оновлення схем даних.

2.     Керування розподіленими системами:

a.     координація кластерів;

b.     вибір лідера;

c.     балансування навантаження.

3.     Автоматизація безпеки:

a.     управління сертифікатами;

b.     синхронізація секретів;

c.     контроль доступу.

4.     Моніторинг та відновлення:

a.     перевірка стану системи;

b.     автоматичне виправлення помилок;

c.     збір метрик та логів.

Оператори особливо ефективні при роботі з застосунками, що мають складний стан та топологію. Вони дозволяють командам розробки та експлуатації зосередитися на бізнес-логіці, делегуючи рутинні завдання автоматизованим процесам. При цьому вся логіка управління інкапсулюється в операторі, що значно спрощує подальшу підтримку та масштабування системи.

Знайомство з Operator Framework

Operator Framework відкриває новий підхід до розробки та управління Kubernetes-native додатками, надаючи розробникам потужний набір інструментів для автоматизації складних операційних завдань.

Компоненти Operator Framework

Operator Framework складається з трьох основних компонентів, кожен з яких виконує специфічну роль у процесі розробки та управління операторами:

Встановлення та налаштування

Для початку роботи з Operator Framework необхідно виконати наступні кроки:

• встановлений Golang версії 1.19 або вище;
• налаштований Kubernetes-кластер;
• Docker для збірки контейнерів;
• доступ до реєстру контейнерів.

Процес встановлення Operator SDK починається з завантаження відповідної версії для операційної системи. Важливо перевірити цифровий підпис та встановити бінарний файл у системний шлях.

Створення базового проєкту оператора

Після успішного встановлення інструментарію можна братися до створення базового проєкту оператора. Процес включає наступні етапи.

Ініціалізація проєкту:

mkdir -p ~/go/src/github.com/example/my-operator

cd ~/go/src/github.com/example/my-operator

1. operator-sdk init --domain example.com --repo github.com/example/my-operator
2. Створення API та контролера:
   operator-sdk create api --group cache --version v1alpha1 --kind MyOperator --resource --controller

Структура проєкту включає декілька ключових директорій:

• cmd/ - містить точку входу програми
• api/ - містить структури які описують api
• internal/controller - містить контролери які керують ресурсами
• config/ - маніфести Kubernetes
• test - e2e тести

Operator Framework використовує controller-runtime бібліотеку, яка надає високорівневі абстракції для роботи з Kubernetes API. Це дозволяє розробникам зосередитися на бізнес-логіці замість написання низькорівневого коду для взаємодії з кластером.

Для забезпечення надійності та безпеки, фреймворк підтримує роботу операторів як у межах окремого namespace, так і в масштабах всього кластера. Це досягається за допомогою відповідних налаштувань RBAC та визначення області дії оператора під час створення проєкту.

Розробка власного Kubernetes-оператора

Процес розробки власного Kubernetes-оператора вимагає глибокого розуміння як архітектури Kubernetes, так і специфіки автоматизації, яку розробник прагне досягти. Розглянемо покроковий процес створення оператора, який допоможе автоматизувати типові операційні завдання в кластері.

Визначення користувацьких ресурсів (CRD)

Користувацькі визначення ресурсів (CRD) є фундаментом для розширення API Kubernetes. Вони дозволяють створювати нові типи ресурсів, які не входять до стандартного API Kubernetes.

Структура CRD складається з наступних елементів:

apiVersion: apiextensions.k8s.io/v1

kind: CustomResourceDefinition

metadata:

  name: configmapsync.example.com

spec:

  group: example.com

  names:

    kind: ConfigMapSync

    plural: configmapsync

    singular: configmapsync

  scope: Namespaced

  versions:

    - name: v1alpha1

      served: true

      storage: true

      schema:

        openAPIV3Schema:

          type: object

          properties:

            spec:

              type: object

              properties:

                sourceNamespace:

                  type: string

                targetNamespace:

                  type: string

При визначенні CRD важливо враховувати:

• унікальність імені ресурсу в межах кластера;
• правильну структуру схеми валідації;
• версіювання API для майбутньої сумісності.

Імплементація логіки контролера

Контролер є серцем оператора, який відповідає за обробку подій та управління життєвим циклом ресурсів.

Розглянемо основні компоненти імплементації:

type Reconciler struct {

    client.Client

    Scheme *runtime.Scheme

}

func (r *Reconciler) Reconcile(ctx context.Context, req ctrl.Request) (ctrl.Result, error) {

    instance := &servicesv1alpha1.MonitoredService{}

    err := r.client.Get(ctx, req.NamespacedName, instance)

    if err != nil {

        return ctrl.Result{}, client.IgnoreNotFound(err)

    }

    // Логіка обробки ресурсу

    return ctrl.Result{}, nil

}

Ключові аспекти імплементації контролера:

1.     Реєстрація контролера:

a.     створення нового контролера через менеджер;

b.     налаштування прав доступу;

c.     визначення ресурсів для спостереження.

2.     Цикл узгодження:

a.     отримання поточного стану;

b.     порівняння з бажаним станом;

c.     виконання необхідних змін.

3.     Обробка помилок:

a.     логування подій;

b.     повторні спроби при невдачах;

c.     відновлення після збоїв.

Обробка подій та узгодження стану

Процес обробки подій та узгодження стану є критичним для надійної роботи оператора. Розглянемо основні патерни імплементації.

Таблиця типів подій та їх обробки:

Стратегії узгодження стану:

1.     Поетапне оновлення:

a.     перевірка поточного стану;

b.     визначення необхідних змін;

c.     послідовне застосування модифікацій.

2.     Обробка конфліктів:

a.     виявлення конфліктних змін;

b.     застосування стратегії вирішення;

c.     відкат при необхідності.

3.     Моніторинг та звітність:

a.     збір метрик виконання;

b.     оновлення статусу ресурсу;

c.     генерація подій для логування.

При розробці механізму узгодження важливо забезпечити:

• ідемпотентність операцій;
• коректну обробку паралельних змін;
• ефективне використання ресурсів кластера.

Висновок

Kubernetes-оператори суттєво спрощують автоматизацію складних операційних завдань у кластерах, надаючи розробникам потужні інструменти для управління ресурсами. Operator Framework забезпечує необхідну структуру та компоненти для створення надійних операторів, включаючи SDK для розробки, Lifecycle Manager для управління життєвим циклом та систему моніторингу. Правильна імплементація користувацьких ресурсів та логіки контролера дозволяє досягти високого рівня автоматизації та надійності системи.

Розробка власних операторів вимагає ретельного планування та розуміння архітектури Kubernetes, проте результати варті затрачених зусиль. Створені оператори значно покращують процеси розгортання, масштабування та відновлення після збоїв, зменшуючи навантаження на команду експлуатації. Ефективне використання патернів обробки подій та механізмів узгодження стану забезпечує стабільну роботу кластера та спрощує керування складними застосунками.

А щоб дізнатися більше про особистий досвід, дивіться запис вебінару з Зоряном на нашому YouTube-каналі та слідкуйте за анонсами наших подій на нашому сайті та в соціальних мережах: Facebook, Twitter, Telegram.