Ansible 自動化容器與 Kubernetes 管理

Ansible 作為自動化工具，能有效簡化容器與 Kubernetes 的管理流程。本文從 Ansible 整合 Podman 和 Docker 開始，逐步探討如何使用 Ansible Playbook 管理容器化應用程式。接著，文章介紹了 Vagrant 和 Packer 在虛擬機器與映像檔管理中的作用，並以程式碼範例說明其應用方式。 Kubernetes 的核心概念，包含 Pod、Service、Deployment 等，以及資源管理、Namespace 和 kubectl 的運用，都有詳細的說明。最後，文章還涵蓋了 GitOps 連續佈署、CI/CD 流程和 VMware Tanzu Application Platform 等進階議題，提供讀者更全面的容器化應用佈署知識。

自動化容器工作負載：Ansible 與容器技術的整合應用

使用 Ansible 管理容器

Ansible 是一種強大的自動化工具，能夠有效地管理容器工作負載。透過 Ansible，您可以自動化容器的佈署、組態和管理，確保應用程式的安全分發。在本章中，我們將探討如何使用 Ansible 自動化管理容器，特別是使用 Podman 和 Docker 容器。

Podman 與 Ansible 的整合

Podman 是一種無守護程式的容器引擎，與 Docker 相容。Ansible 提供了 containers.podman.podman 連線外掛，能夠將 Podman 容器轉換為 Ansible 的目標節點。您只需在 Ansible 庫存檔案中使用容器名稱即可。

# Podman 容器範例設定
ports:
  - "8080:80"
volume:
  - "{{ webroot }}:/usr/local/apache2/htdocs/:exec"

使用 Ansible Playbook 管理容器

您可以透過 ansible-playbook 命令執行 Ansible Playbook，以自動化容器的組態和管理。

Vagrant 與 Packer：虛擬機器與映像檔管理

HashiCorp 開發了兩款重要的工具：Vagrant 和 Packer。這些工具簡化了虛擬機器映像檔的建立和管理，尤其是在複雜環境的開發和整合測試中。

Vagrant：快速建立虛擬機器環境

Vagrant 能夠與多種虛擬化平台（如 VirtualBox、KVM、Hyper-V 等）互動，快速建立臨時虛擬機器。Vagrant 使用「box」範本映像檔來啟動虛擬機器，您可以在 Vagrant Cloud 網站上找到公共的 Vagrant box。

# Vagrantfile 範例
cluster = {
  "host01" => { :ip => "192.168.0.10", :cpus => 2, :mem => 2048 },
  "host02" => { :ip => "192.168.0.11", :cpus => 4, :mem => 1024 }
}

Vagrant.configure("2") do |config|
  config.vm.box = "ubuntu/jammy64"
  cluster.each do |name, data|
    config.vm.define name do |host|
      host.vm.hostname = name
      host.vm.network "private_network", ip: "#{data[:ip]}"
      host.vm.provider :virtualbox do |vb, override|
        vb.cpus = data[:cpus]
        vb.memory = data[:mem]
      end
      host.vm.provision :ansible do |ansible|
        ansible.playbook = "playbook.yaml"
      end
    end
  end
end

Packer：構建虛擬機器映像檔

Packer 使用 HCL 組態語言連線到提供者，執行 Ansible 組態指令碼，並捕捉虛擬機器的狀態，生成 Amazon Machine Image（AMI）或 Vagrant box 映像檔。

# example.pkr.hcl 範例
variable "ansible_connection" {
  default = "docker"
}

source "docker" "example" {
  image = "ubuntu:latest"
  commit = true
}

build {
  sources = ["source.docker.example"]
  provisioner "ansible" {
    playbook_file = "playbook.yaml"
  }
}

重點回顧

Ansible 是自動化容器工作負載的強大工具，能夠簡化容器的佈署和管理。在本章中，我們學習瞭如何使用 Ansible 自動化管理容器，以及如何結合 Vagrant 和 Packer 管理虛擬機器和映像檔。在下一章中，我們將探討 Kubernetes 世界，學習如何使用 Ansible 自動化管理 Kubernetes。

圖表翻譯：

此圖示展示了 Ansible 如何與不同工具（如 Podman、Vagrant 和 Packer）整合，以實作自動化容器和虛擬機器的管理。 圖表翻譯： 此圖示呈現了 Ansible 與不同工具的整合過程，包括 Podman、Vagrant 和 Packer，以及它們各自的組態方式。

Kubernetes 與 Ansible 的整合應用

Kubernetes（K8s）是一種自動化容器管理的協調平台，能夠簡化佈署、擴充套件和管理容器化應用程式的過程。由於其開源特性，Kubernetes 擁有一個活躍的社群，並已成為微服務佈署和雲原生應用的重要基礎設施。

Kubernetes 的發展歷史與重要里程碑

Kubernetes 最初由 Google 於 2014 年開發，並在同年 6 月 10 日正式對外宣佈。該專案的前身是 Google 的 Borg 系統，一種用於自動管理叢集的分散式管理工具。Kubernetes 的第一版主要針對無狀態的 Web 應用程式設計，後來逐漸發展成為一個成熟的容器協調平台。

Kubernetes 的發展過程中，一些重要的里程碑包括：

• 2014 年：Google 發起 Kubernetes 專案。
• 2015 年：Kubernetes 加入 Cloud Native Computing Foundation（CNCF）。
• 2016 年：Kubernetes 成為主流容器協調工具。
• 2017 年：企業開始廣泛採用 Kubernetes。
• 2018 年：KubeCon 舉辦，Kubernetes 社群進一步壯大。

Kubernetes 的核心優勢

Kubernetes 提供了一種宣告式的 API，能夠跨多台機器管理容器工作負載。它的主要優勢包括：

1. 高度可用性：Kubernetes 能夠自動從故障中還原，確保應用程式按照預期執行。
2. 自癒能力：當節點故障時，Kubernetes 能夠自動重新排程容器，確保應用程式的連續執行。
3. 負載平衡和自動擴充套件：Kubernetes 提供了負載平衡和自動擴充套件功能，能夠根據需求動態調整資源。
4. 滾動更新：Kubernetes 支援滾動更新，能夠在不中斷服務的情況下更新應用程式。

Kubernetes 的成功案例

許多知名公司和專案都採用了 Kubernetes，例如 Niantic 的 Pokémon Go。Pokémon Go 在上線初期經歷了巨大的流量衝擊，但 Kubernetes 成功地支撐了這一龐大的負載。

Docker 與 Kubernetes 的關係

Docker 的出現解決了軟體封裝和跨平台佈署的問題，而 Kubernetes 則進一步簡化了容器化應用程式的管理。兩者的結合使得開發人員和維運人員能夠更高效地協同工作。

OpenShift 與 Kubernetes

OpenShift 是 Red Hat 開發的一個平台即服務（PaaS），最初根據 Docker 和 Kubernetes。OpenShift 為 Kubernetes 提供了更多的企業級功能和支援。

Ansible 在 Kubernetes 中的應用

Ansible 是一種自動化工具，可以與 Kubernetes 整合，用於簡化 Kubernetes 資源的管理和佈署。透過 Ansible，管理員可以編寫 Playbook 來自動化 Kubernetes 中的各種任務，例如佈署應用程式、擴充套件叢集等。

使用 Ansible 管理 Kubernetes 資源

Ansible 提供了一系列的模組和外掛，能夠與 Kubernetes API 互動，實作對 Kubernetes 資源的管理。以下是一些常見的使用場景：

1. 佈署應用程式：使用 Ansible Playbook 可以自動化佈署應用程式到 Kubernetes 叢集中。
2. 管理叢集資源：Ansible 可以用於建立、更新和刪除 Kubernetes 資源，例如 Pod、Service 和 Deployment。
3. 組態管理：Ansible 可以用於管理 Kubernetes 節點的組態，確保叢集的一致性和正確性。

ansible-playbook 用於佈署應用程式到 Kubernetes

- name: Deploy application to Kubernetes
  hosts: localhost
  tasks:
    - name: Create a Deployment
      k8s:
        state: present
        definition:
          apiVersion: apps/v1
          kind: Deployment
          metadata:
            name: example-deployment
          spec:
            replicas: 3
            selector:
              matchLabels:
                app: example
            template:
              metadata:
                labels:
                  app: example
              spec:
                containers:
                - name: example
                  image: nginx:latest
                  ports:
                  - containerPort: 80

內容解密：

此 Ansible Playbook 定義了一個用於佈署應用程式到 Kubernetes 的任務。它使用 k8s 模組來建立一個 Deployment 物件，指定了 Deployment 的名稱、副本數量、選擇器和容器範本。在這個例子中，我們佈署了一個名為 example-deployment 的 Deployment，使用 nginx:latest 映象，並暴露了容器的 80 埠。

@startuml
skinparam backgroundColor #FEFEFE
skinparam componentStyle rectangle

title Ansible 自動化容器與 Kubernetes 管理

package "Kubernetes Cluster" {
    package "Control Plane" {
        component [API Server] as api
        component [Controller Manager] as cm
        component [Scheduler] as sched
        database [etcd] as etcd
    }

    package "Worker Nodes" {
        component [Kubelet] as kubelet
        component [Kube-proxy] as proxy
        package "Pods" {
            component [Container 1] as c1
            component [Container 2] as c2
        }
    }
}

api --> etcd : 儲存狀態
api --> cm : 控制迴圈
api --> sched : 調度決策
api --> kubelet : 指令下達
kubelet --> c1
kubelet --> c2
proxy --> c1 : 網路代理
proxy --> c2

note right of api
  核心 API 入口
  所有操作經由此處
end note

@enduml

此圖示展示了 Kubernetes 和 Ansible 之間的關係，以及 Ansible 在 Kubernetes 中的應用場景。

圖表翻譯： 此圖表展示了 Kubernetes 和 Ansible 的整合關係。Kubernetes 提供了一個容器協調平台，而 Ansible 則透過自動化工具簡化了對 Kubernetes 資源的管理和佈署過程。圖中箭頭表示了 Ansible 在 Kubernetes 中的各種應用，包括自動化佈署、管理叢集資源和組態管理等。

Kubernetes 物件與佈署基礎

Kubernetes 的基本佈署單位是 Pod。Pod 內含一個或多個容器，能夠輕易地擴充套件以滿足應用需求。Pod 在 Kubernetes 的工作節點（Worker Node）上執行，所有工作節點的集合稱為資料平面（Data Plane），因為它們負責執行應用程式。

Service：邏輯暴露應用程式

Service 提供了一種邏輯方式來暴露應用程式，並連線 Pod，而無需擔心 Pod 的內部 IP 位址。這使得應用程式能夠靈活地與外界通訊。

PodSpec：佈署 Pod 的藍圖

要佈署 Pod，需要使用 Kubernetes 中的 PodSpec，這是一個簡單的 YAML 文字檔案（也稱為 YAML 清單）。它為 Kubernetes 提供了佈署 Pod 的藍圖。其中最重要的指令是 spec 區域中指定的映像檔，它定義了要使用的映像檔。預設情況下，DockerHub 是常用的容器登入檔，因此可以直接指定 ubuntu:22.10。如果需要使用其他容器登入檔，則需要指定完整的 URI 和映像檔名稱。

資料持久化：Volume

Pod 是短暫的，這意味著當 Pod 被終止或銷毀時，資料會丟失。Volume 提供了持久儲存 Pod 資料的功能。Volume 可以被連線到其他 Pod，並且可以在 PodSpec 的 spec 區域中指定。Kubernetes 支援多種網路儲存協定，如 NFS、SMB、CephFS、Lustre、GlusterFS、JuiceFS 和 OpenEBS，這些都由容器儲存介面（CSI）驅動程式支援。

組態管理：ConfigMap 和 Secret

ConfigMap 檔案將組態儲存在鍵值資料函式庫中。Secret 提供了一種儲存敏感資訊（如使用者名稱、密碼、SSH 金鑰和金鑰對）的方法。需要注意的是，Secret 是 base64 編碼，但未加密。

Namespaces：邏輯分組和許可權控制

叢集內的 Namespaces 允許對應用程式的共同資源進行邏輯分組，並設定使用者角色許可權以存取資源和設定限制。如果未指定 Namespace，資源將在預設的 Namespace 下建立。

進階 Kubernetes 物件

Deployment：簡化 Pod 佈署

Deployment 通常用於佈署 Pod，而無需直接處理 Pod。在 Deployment 中，可以新增 ReplicaSets 以指定預期的 Pod 數量，並確保 Pod 的數量與所需的數量相符。如果 Pod 因故終止，Deployment 將啟動另一個 Pod 複本以維持所需的數量。

ResourceQuota：資源限制

ResourceQuota 為每個 Namespace 設定了 CPU 或記憶體資源的硬性請求和限制。每個 Pod 資源請求和限制都會根據這些硬性限制進行驗證。

Taints 和 Tolerations：節點排斥和容忍

Taints 是工作節點的設定，而 Tolerations 則是在 Pod 上設定，並且需要與工作節點上的 Taints 相匹配。

Affinities：節點排程屬性

Affinities 指定了節點排程和執行的屬性，例如 Amazon Web Services 中的例項型別或可用區。

DaemonSet：類別似 Deployment 但無 ReplicaSet

DaemonSet 與 Deployment 類別似，但不包含 ReplicaSet。日誌收集器是 DaemonSet 的一個常見應用場景。

Control Plane 與 Data Plane

Kubernetes 節點分為兩種型別：Control Plane 和 Data Plane。Control Plane 負責管理 Kubernetes 叢集，而 Data Plane 則負責執行使用者請求。

Control Plane 元件

• API 伺服器
• Scheduler
• Controller-Manager
• etcd

Data Plane 元件

• Worker Node 1
• Worker Node 2
• …

圖表翻譯：

此圖示展示了 Control Plane 與 Data Plane 的架構區別。Control Plane 負責管理叢集，而 Data Plane 則執行實際的應用程式。

kubectl：與 Kubernetes 叢集互動

kubectl 是與 Kubernetes 叢集和物件互動的命令列工具。預設情況下，它與預設的 Namespace 互動。

kubeconfig：連線 Kubernetes 叢集的身份驗證方法

kubeconfig 組態檔案是連線 Kubernetes 叢集的預設身份驗證方法。它是一個 YAML 檔案，包含 Kubernetes 主機名、API 伺服器端點、憑證授權資料、使用者名稱和身份驗證方法等資訊。

GitOps 連續佈署

GitOps 連續佈署是一種現代化的佈署方式，它使用 Pipeline as Code 定義佈署流程，並在每次程式碼提交時觸發測試和佈署。

Pipeline as Code 的優勢

• 版本追蹤
• 稽核軌跡
• 易於協作
• 知識分享

連續整合（CI）

連續整合使得應用程式在每次變更時都能被測試。這是一種常見的最佳實踐，透過自動化管道觸發鉤子來實作。

加速軟體開發與佈署的關鍵技術

在現代軟體開發中，持續整合（CI）和持續交付（CD）是提升開發效率和軟體品質的重要技術。這些技術與GitOps實踐相結合，能夠顯著提高軟體開發和佈署的自動化程度和可靠性。

持續整合與持續交付

持續整合是一種軟體開發實踐，開發者會頻繁地將程式碼變更合併到主分支。每次合併後，會自動執行測試，以確保新程式碼的正確性。這種做法可以早期發現和修復錯誤，從而提高軟體品質。

持續交付則是在持續整合的基礎上，將透過測試的程式碼自動佈署到生產環境。這使得軟體的發布變得更加頻繁和可靠。

GitOps實踐

GitOps是一種根據Git的基礎設施即程式碼（IaC）實踐。它利用Git作為單一的真實來源，管理基礎設施和應用程式的組態。Kubernetes等容器協調工具可以與Git儲存函式庫結合，實作GitOps。

GitOps的主要優勢

• 版本控制：所有的組態變更都被記錄在Git儲存函式庫中，可以追蹤變更歷史。
• 一致性：透過自動化工具，可以確保不同環境中的組態一致性。
• 可重現性：可以根據Git儲存函式庫中的組態，重現整個環境。

Jenkins與Jenkins Pipeline

Jenkins是一個流行的開源自動化伺服器，廣泛用於CI/CD。Jenkins Pipeline是Jenkins的一個外掛，允許使用者定義一個Jenkins任務在一個名為Jenkinsfile的檔案中。

Jenkins Pipeline的優勢

• 可版本控制：Jenkinsfile可以被版本控制，便於追蹤變更。
• 可分享：團隊成員可以分享Jenkinsfile，確保構建過程的一致性。
• 靈活性：支援多種語法，包括宣告式語法和指令碼式語法。

VMWare Tanzu Application Platform

VMWare Tanzu Application Platform是一個平台即服務（PaaS）解決方案，根據Kubernetes構建。它提供了一系列工具和服務，幫助開發者專注於應用程式開發，而無需關心底層基礎設施。

Tanzu Application Platform的特點

• 根據Kubernetes：充分利用Kubernetes的優勢，簡化應用程式的管理和擴充套件。
• 預建服務：提供了多種預建服務，如資料函式庫、訊息佇列等，方便應用程式整合。
• 開發工具：包括整合開發環境（IDE）、CI/CD平台等，支援應用程式的開發、測試和佈署。
• 安全與合規：提供資料加密、存取控制等安全功能，滿足合規要求。

建立實驗室環境

為了實驗和測試Kubernetes叢集，建立一個實驗室環境是非常有用的。可以使用Minikube或Kubespray等工具快速佈署Kubernetes叢集。

虛擬機器的使用

在實驗室環境中，可以使用虛擬機器來模擬實際的叢集環境。有多種虛擬機器管理軟體可供選擇，如Microsoft Hyper-V、Oracle VirtualBox等。

樹莓派的使用

樹莓派是一種流行的單板電腦，可以用於建立低成本的叢集實驗環境。最新的樹莓派4型號B具備強大的處理能力和多種介面，非常適合用於實驗。

內容解密：

上述內容主要介紹了軟體開發中的關鍵技術，包括持續整合（CI）、持續交付（CD）和GitOps。這些技術能夠提高軟體開發的效率和可靠性。文中還介紹了Jenkins和VMWare Tanzu Application Platform等工具，以及如何建立實驗室環境來測試和實驗Kubernetes叢集。