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揭开Kubernetes的神秘面纱：从入门到实践
前言
Kubernetes，简称K8s，是一个开源的容器编排系统，它能够帮助我们自动化部署、扩展和管理容器化应用。本文将带领读者走进Kubernetes的世界，从架构、集群搭建、实战案例到Operator-SDK的使用一一进行解读。
一、Kubernetes架构
Kubernetes集群主要由两部分组成：Master节点和Node节点。
Master节点是集群的大脑，主要包括四个核心组件：API服务器（Apiserver）、调度器（Scheduler）、控制器管理器（Controller-manager）和ETCD。其中，API服务器负责处理各类API请求、鉴权以及与Node节点上的Kubelet进行通信；调度器负责根据资源需求为容器分配节点；控制器管理器则通过控制器模式确保集群状态符合预期。ETCD作为整个集群的数据库，存储了集群的所有配置信息。
Node节点则是应用运行的地方，主要包括Docker、Kube-proxy和Kubelet三个组件。Docker用于运行容器，Kube-proxy负责网络打通，而Kubelet则负责管理容器的生命周期。
二、搭建Kubernetes集群的几种方法
搭建Kubernetes集群有多种方法，这里介绍几种常见的方式：通过Docker Desktop APP勾选K8s支持即可搭建、使用MiniKube一键安装、直接在云上购买如阿里云的ACK服务、使用kubeadm（K8s社区推荐的用于部署生产级别K8s的工具），以及通过下载各组件进行二进制安装。本文后续案例将基于本地Docker Desktop APP搭建的K8s环境进行演示。
三、实战：从需求出发部署Redis服务
假设我们有一个需求，需要在K8s上部署Redis服务。我们需要了解Redis在K8s中的部署方式。这里以Deployment为例，通过创建一个Deployment对象来管理Redis Pod的创建、复制、扩展和回滚等生命周期操作。在这个过程中，我们会接触到Pod、Deployment、StatefulSet等K8s概念。这些概念将在实战案例中一一解读，帮助读者更好地理解和掌握K8s。
本文介绍了Kubernetes的入门知识，包括架构、集群搭建以及实战案例。希望读者能够对Kubernetes有更深入的了解，并能够在实际项目中应用所学知识。后续文章将介绍如何使用Operator-SDK开发Operator，帮助读者进一步拓展K8s的应用场景。
启动一个Redis服务，实现高可用并统一访问端点
一、单机版部署初探
要在Kubernetes（k8s）上轻松部署Redis服务，只需执行一系列命令即可启动一个单机版本。通过kubectl run命令，我们可以启动一个Redis pod。进入Pod内部，我们可以使用redis-cli命令与Redis服务进行交互。这个Redis服务实际上是一个在Docker进程中启动的服务，在k8s的世界里，它被称为Pod。
二、Pod与Deployment的关联
Kubernetes中的Redis Pod的重生与Deployment组件的奥秘
在Kubernetes的世界里，Pod经常经历诞生与消亡的循环。最近，一个名为“redis”的Pod被删除了，但不久后，一个新的Pod以不同的名字“redis-deployment-866c4c6cf9-zskkb”重新出现。这是怎么回事呢？这背后的秘密与Kubernetes的Deployment组件息息相关。
让我们理解Deployment组件在Kubernetes中的作用。Deployment不仅仅是一个简单的Pod启动器。它可以定义多副本的Pod，为应用提供迁移能力。如果单纯使用Pod，当应用被调度到某台机器后，一旦这台机器出现问题，应用将无法自动迁移。而Deployment组件则会调用ReplicaSet（一种控制器）来确保集群中的应用副本数与指定的数量保持一致。
在Kubernetes中，命令可以通过kubectl执行，也可以通过提交yaml文件来执行。对于上面的创建Pod的命令，我们可以使用下面的yaml文件来替代。通过执行kubectl create命令并指定yaml文件路径，我们可以看到redis Pod被成功创建出来。
真正的魔法在于Deployment组件的工作流程。当我们通过kubectl创建一个Deployment，比如redis-deployment并指定镜像为redis时，Kubernetes集群会进行一系列的操作。
首先是controller-manager、scheduler和kubelet与apiserver进行List-Watch模型交互。List是获取当前状态，而Watch是获取期望状态。Kubernetes集群的目标是使当前状态达到期望状态。当我们通过kubectl向apiserver发送命令时，经过鉴权处理后，创建信息会被存入etcd。Deployment的实现依赖于ReplicaSet控制器。当controller-manager获取到当前状态（例如Pod数量为0）并接收到期望状态时，它需要创建一个ReplicaSet（例如pod数量为1），然后开始创建Pod。接着，scheduler会进行调度，确定Pod应该在哪台Node上创建。该Node上的kubelet会启动一个docker容器。
在整个流程中，apiserver的作用至关重要。它连接了其他组件和ETCD。尽管apiserver可以横向扩容，但在k8s架构中，ETCD却成为了瓶颈。在设计初期，k8s的架构师们可能考虑到将apiserver、scheduler和controller-manager合并为一个组件可能会在某些情况下引发性能问题。他们选择将这些功能分开以更好地维护代码和应对大规模集群的挑战。
Kubernetes中的Pod可能看似简单，但它们背后隐藏着复杂的流程和组件协同工作的奥秘。通过深入了解这些组件的工作方式，我们可以更好地管理和维护Kubernetes集群中的工作负载。部署 Redis 主从版本：StatefulSet 的魔力
在我们已经掌握了 Redis 单机版的部署，并实现了服务的持续运行之后，接下来我们将迈向更高级的部署方式Redis 的主从版本。而在这其中，一个尤为关键的环节就是如何确定主从之间的同步关系。
对于这个问题，Kubernetes 提供的 StatefulSet 控制器为我们提供了有力的支持。StatefulSet 专为有状态应用而生，它具备两大核心特性，使得部署和管理 Redis 主从版本变得相对简单。
1. 拓扑有序的实例创建
StatefulSet 能够确保有状态应用实例的创建顺序和编号是连续的。在部署 Redis 主从版本时，我们可以通过设置 Pod 的名称来反映这一顺序，例如 "redis-0"、"redis-1" 等。这种命名方式不仅使管理更为直观，而且有助于我们清晰地识别出主从关系。
2. 外部存储的集成
为了支持有状态应用的数据持久性，StatefulSet 允许我们声明使用外部存储。对于 Redis 而言，这意味着我们可以将数据持久化到云盘等外部存储介质中。即使在 Pod 重启或重新调度的情况下，我们也能保证数据的不丢失。这是因为，StatefulSet 会确保 Pod 挂载的存储卷持久化，使得数据得以保存。
通过利用 StatefulSet 的这些特性，我们可以更轻松地部署和管理 Redis 的主从版本。无需担心数据丢失或同步问题，只需按照设定的拓扑顺序创建实例，并利用外部存储来确保数据的安全即可。这样，我们就可以放心地将 Redis 主从版本部署到 Kubernetes 环境中，享受其带来的高性能和可靠性。深入Redis的StatefulSet：从配置到实战
在Kubernetes中，StatefulSet是一种强大的工作负载API对象，用于管理和协调有状态的应用。下面我们将以Redis为例，深入StatefulSet的配置与实战。
一、创建StatefulSet
我们需要定义一个StatefulSet来运行我们的Redis实例。以下是一个简单的例子：
```yaml
apiVersion: apps/v1
kind: StatefulSet
metadata:
name: redis-sfs
spec:
serviceName: "redis-sfs" 定义服务名称，用于Pod名称的生成
replicas: 2 定义两个副本，即两个Redis实例
selector:
matchLabels:
app: redis-sfs 标签选择器，用于确定哪些Pod属于这个StatefulSet
template: 定义Pod模板
metadata: 定义Pod的元数据标签
labels:
app: redis-sfs 应用标签，用于识别Pod所属应用
spec: 定义Pod的具体配置
containers: 定义容器配置
- name: redis-sfs 定义容器名称
image: redis 定义容器镜像版本，这里使用Redis官方镜像
command: 定义容器启动命令
- bash 使用bash作为命令解释器
设想一下，当用户踏入这个Service的大门，他们就能顺利接触到某个具体的Pod。这个过程就像是进入一个神秘的殿堂，特定资源的方式有两种。
对于VIP用户来说，他们享受的是一种特殊的待遇。系统会随机为他们提供一个后端的PodDNS地址。这个地址就像是通往宝库的秘密通道，通过DNS，用户就能找到位于后端的某个特定Pod。这种方式就像是一把通往宝藏的钥匙，让你直接抵达目的地。
Headless Service就是一个神奇的导航器，它通过DNS的方式为你指引方向，出某个Pod的地址。这个地址遵循特定的DNS规则，就像是一个宇宙中的坐标，指向你需要的资源位置。
接下来，我们来创建一个与集群相对应的Headless Service。这个Service的蓝图如下：
它采用了一种特殊的API版本和Service类型。在元数据部分，我们给它命名为“redis-sfs”，并标注了相关的标签。在规格部分，我们将clusterIP设置为None，这表示它将由k8s主动分配地址。我们定义了端口和选择器，确保只有符合特定条件的Pod能够被访问。
当我们查看这个Service时，会发现redis-sfs-1已经成功实现了主备同步。这意味着创建Headless Service后，redis-sfs-0.redis-sfs.default.svc.cluster.local在集群中成为了唯一可访问的地址。这就像是一个守护者，守护着你的数据资源，确保只有合法的请求能够访问到它。
近日，通过 Kubernetes 创建的服务已经在我们的集群中展现出强大的功能。我们已成功部署了一个名为 redis-sfs 的服务，其以集群 IP 和外部 IP 的形式呈现，并在端口 6379 上运行。通过 `kubectl` 命令，我们可以轻松查看和管理此服务。从日志中我们可以看到，该服务中的 redis 实例正在进行主备同步，保证了数据的高可用性。当主节点出现问题时，备份节点不会自动切换为主节点，这就需要我们考虑更为高级的部署策略。
我们来一下 Kubernetes 的 StatefulSet。它为我们提供了一种强大的方式来管理有状态的服务，如数据库或 Redis。StatefulSet 可以确保每个 Pod 都有一个唯一的名称，并且当 Pod 被删除时，它会按照原来的名称重新拉起，从而保持身份的一致性。这对于维护主备关系是非常重要的。它并不能自动处理主节点的故障转移。这就需要我们寻找其他的解决方案。
Redis Sentinel 作为一个解决方案进入了我们的视线。Redis Sentinel 是 Redis 的一个扩展，它可以监控和管理多个 Redis 实例，包括主节点和备份节点。当主节点出现问题时，Sentinel 可以自动将一个备份节点提升为主节点，从而保证了服务的高可用性。参考 k8s-redis-ha-master 项目中的配置，我们可以利用 Sentinel 来完善我们的 redis-sfs 服务的部署策略。如果你的 Kubernetes 版本较新，你可能需要合并一个 PR 来获取这个功能。
即使我们有了 StatefulSet 和 Sentinel，我们仍然需要更进一步的定制操作。这就需要我们引入 Kubernetes 的 Operator 模式。Operator 是一种定制化的 k8s 对象及其操作的方法。通过 Operator，我们可以定制更复杂的操作，以满足特定的业务需求。无论是数据的备份恢复、自动扩展、故障转移还是其他的运维任务，都可以通过 Operator 来实现。这使得我们在 k8s 中部署和管理复杂应用变得更为简单和高效。
通过 StatefulSet、Redis Sentinel 和 Operator，我们可以实现 k8s 中的服务高可用性部署。它们为我们提供了一种强大的工具集，可以确保我们的服务始终在线，即使面临各种挑战和故障。随着 Kubernetes 的不断发展，Operator 模式将为我们带来更多的可能性和便利性。对象世界：定义与管理集群的新方式
对象，这一术语在现代信息技术领域中，承载了丰富的含义。无论是Redis集群、etcd集群还是zk集群，都可以被视为一种对象。在我们的描述中，它们就像是现实世界中的实体，通过定义和编程，我们可以赋予它们新的生命。这种编程思维尤其在Kubernetes（k8s）中得到了充分的体现，其中的YAML文件里的kind就是对象的定义。例如Pod、Deployment和StatefulSet等都是k8s的默认实现对象。现在，如果我们想要定义自己的对象，我们需要遵循怎样的流程呢？
我们要理解对象的定义。一个对象可能包含你的集群的默认节点数量、组件定义等。我们还要考虑当创建或删除对象时应触发哪些操作，以及在发生高可用性（HA）事件时应采取哪些流程。Operator的方式是一种基于编程的解决方案，可以使用多种语言来实现，其中用得最多的是Go语言。为了简化开发过程，许多开发者会选择借助operator-sdk来完成工作，因为它能自动生成大量框架代码。我们只需在此基础上实现相应的业务逻辑即可。
接下来，让我们一起如何定义一个新的memcached operator对象（当然也可以换成Redis）。首先我们需要完成以下准备工作：安装好Go环境以及operator-sdk。然后我们可以按照官方SDK的示例来逐步实现我们的memcached operator。虽然这是一个简单的例子，但它向我们展示了如何基于编程思维来管理和定义我们的集群对象。在这个过程中，我们只需关注业务逻辑的实现，而无需过多关注底层的复杂细节。这正是operator-sdk带来的便利之处。通过它，我们可以更高效地管理我们的集群，实现更多的自动化操作，从而提高系统的稳定性和效率。在这个过程中，我们不仅学会了如何定义和管理新的集群对象，还进一步理解了编程思维在信息技术领域中的重要作用。在浩瀚的编程世界中，一个新的冒险正在开启。让我们一起创建我们的memcached-operator，这个强大的工具将帮助我们管理和操作Kubernetes上的Memcached集群。在以下的步骤中，我们将共同构建一个引人入胜的operator框架。
我们已经进入到了`memcached-operator`项目的目录。我们使用的命令`operator-sdk init`为我们的项目设置了基础结构，为我们提供了编写代码的基础模板。此过程中需要注意，输入的`domain`最好是与你在Docker Hub上的注册名称相同，因为我们后续会发布Docker镜像。
紧接着，我们运行了`operator-sdk create api`命令，这为我们生成了定义新资源的必要文件。我们定义了新的API和Controller，准备在我们的Kubernetes集群上管理Memcached资源。这个过程更新了我们的依赖并生成了新的Go模块。在这个过程中，我们遇到了一些关于Go模块安装的警告信息。这是因为Go在新的版本中改变了模块的安装方式，我们可以按照提示调整我们的安装命令来处理这个问题。
至此，我们已经成功地创建了一个Operator的框架，它就像是一个脚手架，为我们的项目提供了坚实的基础。接下来，我们需要定义我们的Memcached集群的特性。我们将修改默认的实现以添加一个新的属性Size，它表示一个Memcached集群中Memcached的数量。这个属性将帮助我们更好地管理和扩展我们的集群。
然后，我们将运行`make generate`和`make manifests`命令来自动生成必要的代码和资源描述（CRD）。这些命令将生成用于创建、更新和删除资源的代码，以及描述这些资源的CRD（Custom Resource Definition）。这些CRD资源允许我们在Kubernetes上定义自己的资源，让我们的operator可以管理和操作这些资源。这个过程就像是为我们的项目绘制蓝图，使其清晰、准确、易于理解和操作。
至此，我们已经准备好了迎接下一步的挑战定义我们的Memcached集群的具体特性和行为。在这个旅程中，每一步都是必要的，每一步都会使我们的项目更加完善。让我们继续前行，共同创造出一个强大而灵活的memcached-operator！实现Controller：定义Memcached集群的操作逻辑
在深入开发memcached-operator的过程中，定义Memcached集群的行为逻辑是一个至关重要的步骤。当我们创建一个新的Memcached集群时，operator需要知道应该执行哪些操作来确保集群按照预期运行。这一过程是通过编写Controller来实现的。
一、MemcachedSpec的定义
在memcached_types.go文件中，我们定义了MemcachedSpec结构体，它描述了Memcached集群的理想状态。其中，Size字段表示Memcached部署