Kubernetes Operator 開發最佳實踐

Kubernetes Operator 作為 Kubernetes 的擴充套件，能自動化應用程式管理。開發 Operator 需定義 CRD 及控制器邏輯，並考量其生命週期，涵蓋安裝、組態、升級、監控等階段。成熟的 Operator 應具備自動化應用程式組態、無縫升級、深度洞察和自動駕駛等能力。版本升級需注意相容性，可使用轉換 Webhook 協助版本轉換。最佳實踐包含單一 Operator 管理單一應用程式、單一 CRD 對應單一控制器、名稱空間無關性、語義化版本控制以及遵循 OpenAPI 規範等原則，以確保 Operator 的效能和可靠性。安全方面，Operator 應以非 root 身份執行，並實施最小許可權 RBAC 和可觀測性，將指標和日誌外部化，以便監控。設計上應避免安裝其他 Operator、驗證 CRD 有效性，並確保 Operator 能自我清理。狀態資訊的管理需清晰簡潔，方便使用者查詢和處理。

Kubernetes Operator 開發與最佳實踐

Kubernetes Operator 是一種擴充套件 Kubernetes API 的方法，能夠自動化應用程式的管理和維護。本文將探討 Operator 的開發、生命週期和最佳實踐。

Operator 的基本概念

Operator 是根據 Kubernetes 的自定義控制器，能夠根據自定義資源（Custom Resource）進行調節，以確保應用程式的正確執行。在開發 Operator 時，需要定義自定義資源定義（Custom Resource Definition，CRD）和控制器邏輯。

Operator 的開發流程

1. 定義 CRD：使用 Kubernetes 的 CRD API 定義自定義資源的結構和格式。
2. 實作控制器邏輯：編寫控制器程式碼，以根據 CRD 中的資源進行調節。
3. 測試和驗證：測試 Operator 的功能和效能，確保其正確執行。

以下是一個簡單的 CRD 示例：

apiVersion: apiextensions.k8s.io/v1
kind: CustomResourceDefinition
metadata:
  name: egapps.egplatform.platform.evillgenius.com
spec:
  group: egplatform.platform.evillgenius.com
  versions:
    v1alpha1:
      served: true
      storage: true
      schema:
        openAPIV3Schema:
          type: object
          properties:
            spec:
              type: object
              properties:
                appId:
                  type: string
                framework:
                  type: string
                instanceType:
                  type: string
                environment:
                  type: string
                replicaCount:
                  type: integer

內容解密：

此 CRD 定義了一個名為 EGApp 的自定義資源，包括 spec 欄位下的多個屬性，如 appId、framework、instanceType、environment 和 replicaCount。這些屬性將用於描述應用程式的組態。

Operator 的生命週期

Operator 的生命週期包括多個階段，從基本安裝到自動駕駛。以下是 Operator 成熟度的幾個級別：

1. 基本安裝：提供基本的安裝和組態功能。
2. 自動化應用程式組態：自動化應用程式的組態和管理。
3. 無縫升級：支援平滑升級和修補程式更新。
4. 完整生命週期：管理應用程式的完整生命週期，包括備份和還原。
5. 深度洞察：提供指標、日誌處理和工作負載分析等功能。
6. 自動駕駛：實作自動水平/垂直縮放、自動組態調整和異常檢測等功能。

版本升級

在 Operator 的生命週期中，可能需要支援多個版本。當引入新版本時，需要仔細規劃以確保與現有資源的相容性。可以使用轉換 Webhook 來實作版本之間的轉換。

以下是一個轉換 Webhook 的示例：

apiVersion: apiextensions.k8s.io/v1
kind: CustomResourceDefinition
...
spec:
  ...
  conversion:
    strategy: Webhook
    webhook:
      clientConfig:
        service:
          namespace: egapp-conversion
          name: egapp
          path: /egapp-conversion
          port: 8081
        caBundle: "Hf8j0Kw...<base64-encoded PEM bundle>...tLS0K"

內容解密：

此轉換 Webhook 將用於在不同版本之間轉換自定義資源。它透過指定 strategy 為 Webhook，並組態 webhook 的客戶端組態，實作版本之間的轉換。

最佳實踐

1. 每個 Operator 管理單一應用程式：避免過載 Operator 管理多個應用程式。
2. 每個 CRD 對應一個控制器：保持簡單，一個控制器對應一個 CRD。
3. Operator 應該是名稱空間無關的：Operator 不應該與特定的名稱空間繫結。
4. 使用語義化版本控制：Operator 應該使用語義化版本控制，並遵循 Kubernetes API 版本控制。
5. CRD 應該遵循 OpenAPI 規範：CRD 應該遵循 OpenAPI 規範，以確保已知模式。

透過遵循這些最佳實踐和開發，可以建立高效、可靠的 Kubernetes Operator，以簡化應用程式的管理和維護。

Kubernetes Operator 開發的最佳實踐與安全

Operator 的安全與可觀測性

在開發 Kubernetes Operator 時，遵循健全的安全準則至關重要。這包括以非 root 身份執行、實施最小許可權 RBAC 以及確保可觀測性。指標和日誌應外部化，以便於監控 Operator 的健康狀態和服務水平指標（SLIs）。可利用 Prometheus、DataDog、Cloud Operations 和 OpenTelemetry 等指標匯出工具來實作可觀測性。

Operator 的設計原則

• 避免安裝其他 Operator：Operator 不應安裝其他 Operator，也不要註冊自己的 CRD，因為這些資源是全叢集分享的，需要提升許可權。
• 驗證 CRD 的有效性：在接受請求之前檢查所有 CRD 的有效性，可以使用 OpenAPI 驗證架構或准入控制器進行驗證，以防止無效資源浪費 etcd 空間。
• 自我清理：Operator 應在不再需要時自我清理，刪除後進行適當的資源清理，不僅限於 Operator 直接建立的資源，還包括為應用程式需求建立的外部資源。

Operator 的生命週期管理

在引入破壞性變更時，應仔細考慮 Operator 的生命週期和現有使用者的升級路徑。實作轉換 Webhook 以允許在特定版本之間進行轉換，確保在資源版本間轉換時不會丟失資訊。

狀態資訊的管理

Operator 應謹慎管理寫入受管資源的狀態資訊。客戶資源是使用者瞭解資源狀態的唯一介面。透過控制器將清晰簡潔的狀態寫入資源，使用者可以輕鬆使用現有的 Kubernetes 客戶端工具查詢和處理狀態。狀態應作為子資源實作，並使用謂詞以避免在更新後觸發調解迴圈。

未來發展與最佳實踐

遵循最佳實踐，可以利用我們的綜合經驗來避免常見陷阱、最佳化效能和安全，並快速提高信心以充分利用 Kubernetes。無論您是 Kubernetes 的新手還是經驗豐富的管理員，本文都旨在提供具體、真實世界的經驗見解，幫助您在 Kubernetes 旅程中快速找到最佳實踐。

Kubernetes 安全與效能最佳化

安全最佳實踐

• 叢集安全：實施健全的叢集安全措施，包括認證和授權。
• 認證管理：使用 Secrets 進行認證管理。
• 授權模組：使用 RBAC、ABAC 等授權模組來控制存取。
• 准入控制器：組態准入控制器和准入 Webhook 以增強安全。

效能最佳化

• 自動擴充套件：使用自動擴充套件功能來根據需求調整資源。
• 資源管理：合理分配和管理名稱空間，避免資源浪費。
• 日誌和監控：收集和分析日誌，使用監控工具來跟蹤叢集狀態。

Kubernetes 多叢集管理與應用佈署最佳實踐

Kubernetes 作為現代雲原生應用的核心技術，在多叢集管理、應用佈署、以及安全治理等方面有著廣泛的應用需求。本文將根據 Kubernetes 的多叢集管理、CI/CD 流程最佳實踐、以及相關的安全與治理策略進行探討。

多叢集管理的挑戰與解決方案

在現代企業環境中，多叢集管理已成為常態。Kubernetes 提供了多種工具和策略來簡化多叢集的管理。

多叢集設計考量

1. 叢集設計

   • 採用 Cluster API 進行統一的叢集生命週期管理
   • 使用 GitOps 實踐實作多叢集組態的版本控制與自動同步

2. 應用佈署策略

   • 透過 Argo CD 或 Flux 實作跨叢集的持續佈署
   • 結合 Helm Chart 進行應用引數化組態管理

3. 安全與合規

   • 實施統一的 RBAC 控制策略
   • 使用 Open Policy Agent (OPA) 進行跨叢集的策略治理

CI/CD 流程最佳實踐

持續整合與持續交付

1. CI 流程最佳化 圖表翻譯： 此圖示展示了典型的 CI 流程，從程式碼提交到映象推播的自動化過程。

2. CD 流程關鍵點

   • 採用藍綠佈署或金絲雀發布策略降低發布風險
   • 使用 Argo Rollouts 實作進階的發布控制

映象管理最佳實踐

1. 映象最佳化

   • 使用 distroless 映象減少攻擊面
   • 實施映象簽名與驗證機制

2. 映象倉函式倉管理

   • 組態映象掃描與漏洞檢測
   • 實施映象生命週期管理策略

安全與治理策略

容器安全最佳實踐

1. 容器執行時安全

   • 使用 gVisor 或 Kata Containers 增強隔離性
   • 組態 seccomp 和 apparmor 加強系統呼叫限制

2. 網路安全策略

   • 實施 Network Policies 控制容器間通訊
   • 使用 Cilium 等 eBPF 技術增強可觀測性

策略治理實踐

1. OPA Gatekeeper 組態

   apiVersion: templates.gatekeeper.sh/v1beta1
   kind: ConstraintTemplate
   metadata:
     name: k8srequiredlabels
   spec:
     crd:
       spec:
         names:
           kind: K8sRequiredLabels
   

   內容解密：

   • apiVersion 和 kind 定義了資源的型別為 ConstraintTemplate
   • metadata.name 指定了約束範本的名稱為 k8srequiredlabels
   • spec.crd.spec.names.kind 定義了生成的 CRD 資源型別為 K8sRequiredLabels
   • 此範本用於建立一個強制標籤的策略約束

2. 策略實施要點

   • 定義清晰的策略範本
   • 組態適當的違規處理動作
   • 建立策略稽核機制

Kubernetes 多叢集管理與應用佈署最佳實踐

前言

隨著雲原生技術的發展，Kubernetes 已成為容器協調的標準。多叢集管理成為企業面臨的重要挑戰之一。本文將探討 Kubernetes 多叢集管理的最佳實踐，涵蓋叢集設計、佈署策略、安全性和監控等方面。

多叢集設計考量

1. 叢集數量與規模

   • 根據業務需求決定叢集數量
   • 考慮地域分佈和隔離需求
   • 權衡管理複雜度和成本

2. 叢集型別

   • 開發測試叢集
   • 生產叢集
   • 分享叢集 vs. 獨立叢集

多叢集管理策略

1. 佈署管理

• 使用 GitOps 實作宣告式佈署
• 採用 Argo CD 或 Flux 進行持續佈署
• 統一管理多叢集的組態和資源

2. 安全管理

• 實施 RBAC 和網路策略
• 使用 OPA/Gatekeeper 進行策略控制
• 定期進行安全稽核和漏洞掃描

3. 監控與日誌收集

• 佈署 Prometheus 和 Grafana 進行監控
• 使用 Loki 或 ELK Stack 收集日誌
• 建立集中式的監控和日誌分析平台

最佳實踐

1. 自動化

   • 自動化叢集佈署和組態
   • 使用 Infrastructure as Code (IaC) 工具

2. 標準化

   • 建立統一的叢集組態範本
   • 規範資源命名和標籤使用

3. 可觀測性

   • 建立完善的監控和告警系統
   • 收集和分析日誌資料

Kubernetes 資源管理

1. 組態管理

apiVersion: v1
kind: ConfigMap
metadata:
  name: app-config
data:
  DATABASE_URL: "postgres://user:password@host:port/dbname"

2. 服務佈署

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: webapp
spec:
  replicas: 3
  selector:
    matchLabels:
      app: webapp
  template:
    metadata:
      labels:
        app: webapp
    spec:
      containers:
      - name: webapp
        image: myregistry/webapp:latest
        ports:
        - containerPort: 80

安全最佳實踐

1. 網路安全

   • 使用 NetworkPolicy 控制流量
   • 實施 ingress 和 egress 策略

2. 身份驗證與授權

   • 使用 RBAC 控制存取許可權
   • 實施強身份驗證機制

3. 映象安全

   • 使用可信映象倉函式庫
   • 定期掃描映象漏洞

圖表說明：Kubernetes 多叢集架構示意圖

@startuml
skinparam backgroundColor #FEFEFE
skinparam componentStyle rectangle

title Kubernetes Operator 開發最佳實踐

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

圖表翻譯： 此圖示展示了根據 GitOps 的 Kubernetes 多叢集佈署架構。開發者的程式碼變更透過 GitOps 自動觸發 Argo CD，將應用佈署到多個 Kubernetes 叢集。同時，各叢集的監控資料匯總到 Prometheus，並透過 Grafana 進行視覺化展示。

Kubernetes 資源管理與安全最佳實踐

資源管理的重要性

在 Kubernetes 環境中，資源管理是確保叢集穩定運作的關鍵因素。適當的資源分配和管理可以防止資源爭用、提高系統可靠性並最佳化整體效能。

資源請求與限制

資源請求（requests）與限制（limits）是 Kubernetes 中控制容器資源使用的兩項重要設定：

• 資源請求：定義容器啟動所需的最低資源量，影響排程決策
• 資源限制：設定容器可使用的最大資源量，防止單一容器佔用過多資源

Namespace 與資源配額

透過 Namespace 進行資源隔離是多租戶環境下的最佳實踐：

1. 使用 ResourceQuotas 限制 Namespace 的總資源使用量
2. 實施 LimitRanges 確保 Pod 資源設定的合理性
3. 結合 RBAC 控制不同團隊或專案的資源存取許可權

安全最佳實踐

叢集安全

1. 身份驗證與授權：實施嚴格的 RBAC 政策，限制使用者和服務帳號的許可權
2. 網路安全：使用 Network Policies 控制 Pod 之間的通訊
3. 秘密管理：安全儲存和管理敏感資訊，如憑證和金鑰

工作負載安全

1. 容器執行時安全：使用 Seccomp 和 SELinux 限制容器行為
2. Pod 安全標準：實施 Pod Security Admission 控制 Pod 的安全組態
3. 映象安全：定期掃描容器映象中的漏洞

資源管理實務

資源配額組態範例

apiVersion: v1
kind: ResourceQuota
metadata:
  name: team-resourcequota
spec:
  hard:
    requests.cpu: "4"
    requests.memory: 8Gi
    limits.cpu: "8"
    limits.memory: 16Gi

內容解密：

此 YAML 組態定義了一個名為 team-resourcequota 的資源配額，用於限制特定 Namespace 中的資源使用。具體來說，它設定了以下限制：

• requests.cpu: "4"：該 Namespace 中所有 Pod 的 CPU 請求總和不得超過 4 核。
• requests.memory: 8Gi：該 Namespace 中所有 Pod 的記憶體請求總和不得超過 8 GB。
• limits.cpu: "8"：該 Namespace 中所有 Pod 的 CPU 使用上限總和不得超過 8 核。
• limits.memory: 16Gi：該 Namespace 中所有 Pod 的記憶體使用上限總和不得超過 16 GB。

這樣的組態確保了資源的合理分配和使用，避免單一團隊或應用佔用過多叢集資源，從而提升叢集的穩定性和可管理性。

綜合最佳實踐建議

1. 持續監控與最佳化：定期檢視資源使用狀況並調整組態
2. 自動化佈署：結合 CI/CD 流程實作資源組態的自動化管理
3. 安全基線建立：制定叢集和工作負載的安全基線並持續改進

透過實施上述最佳實踐，可以有效提升 Kubernetes 環境的穩定性、安全性和維運效率。

關於作者群

作者介紹

Brendan Burns 是微軟Azure的傑出工程師，同時也是Kubernetes開源專案的共同創始人。他在雲端應用程式開發領域擁有超過十年的豐富經驗。

Eddie Villalba 擔任Google Cloud北美地區的工程經理及應用平台業務負責人。他長官的團隊專注於協助客戶建立以容器為最佳化的平台，以實作可擴充套件且可靠的分散式應用程式。

Dave Strebel 是微軟Azure的全球雲原生架構師，專注於開源雲端技術和Kubernetes。他深度參與Kubernetes開源專案，並協助Kubernetes發行團隊，同時長官SIG-Azure。

Lachlan Evenson 是微軟Azure容器運算團隊的首席專案經理。他透過親身教學和會議演講幫助了許多人成功上手Kubernetes。

封面故事

《Kubernetes最佳實踐》一書的封面動物是歐洲綠頭鴨（學名：Anas platyrhynchos），這是一種在水面覓食而非潛水的鴨子。綠頭鴨常與其他鴨類別雜交，並產生可育的雜交後代。

綠頭鴨雛鴨在孵化後不久就能游泳，屬於早熟性鳥類別。三到四個月大時開始飛行，並在14個月大時達到完全成熟，平均壽命約為3年。

成年綠頭鴨體型中等，略重於大多數覓食鴨。平均體長約23英寸，翼展36英寸，體重約2.5磅。雛鴨具有黃黑色羽毛，約六個月大時，雄性和雌性開始在外觀上有所區別。雄性具有綠色頭部羽毛、白色頸圈、紫棕色胸部、灰棕色翅膀和黃橙色喙。雌性則呈現斑駁的棕色，這是大多數雌性覓食鴨的典型顏色。

綠頭鴨棲息範圍廣泛，遍及南北半球，包括淡水和鹹水濕地，從湖泊、河流到海岸都有其蹤跡。北方的綠頭鴨具有遷徙性，會在冬季飛往南方。綠頭鴨的飲食極為多樣，包括植物、種子、根莖、腹足類別動物、無脊椎動物和甲殼類別動物。

綠頭鴨巢常被巢寄生鳥類別覓為目標，這些鳥類別會將自己的蛋產在綠頭鴨巢中。如果這些蛋與綠頭鴨蛋相似，綠頭鴨會接受並撫養這些雛鳥。

綠頭鴨面臨多種掠食者的威脅，包括狐狸、隼、鷹等猛禽，以及鯰魚和梭魚等魚類別。烏鴉、天鵝和鵝等鳥類別也會因領土糾紛攻擊綠頭鴨。單半球睡眠（即一邊眼睛睜開睡覺）的行為最早在綠頭鴨身上被觀察到，這是一種常見於水禽的避免掠食行為。

封面插圖由Jose Marzan繪製，根據《動物世界》中的黑白版畫。封面字型採用Gilroy Semibold和Guardian Sans，正文字型為Adobe Minion Pro，標題字型為Adobe Myriad Condensed，程式碼字型則是Dalton Maag的Ubuntu Mono。

學習與成長

向專家學習，並成為專家。

• 書籍
• 線上課程
• 即時問答
• 虛擬活動
• 影片
• 互動學習