20、使用 Helm 与 Operator 框架：构建、部署与管理指南

最新推荐文章于 2025-11-04 03:58:57 发布

raspberrypi5

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使用 Helm 与 Operator 框架：构建、部署与管理指南

1. 安装 operator-sdk CLI

要下载此版本的 operator-sdk CLI，请运行以下命令：

$ curl -o operator-sdk -L https://github.com/operator-framework/operator-sdk/releases/download/v0.15.2/operator-sdk-v0.15.2-x86_64-linux-gnu

下载完成后，需要将 operator-sdk 二进制文件的权限更改为用户可执行。运行以下 chmod 命令进行此修改：

$ chmod u+x operator-sdk

接下来，将 operator-sdk 二进制文件移动到由 VM 的 PATH 变量管理的位置，例如 /usr/bin。由于此操作需要 root 权限，因此需要使用 sudo 运行 mv 命令，如下所示：

$ sudo mv operator-sdk /usr/bin

最后，通过运行 operator-sdk version 命令验证 operator-sdk 的安装：

$ operator-sdk version
operator-sdk version: 'v0.15.2', commit: 'ffaf278993c8fcb00c6f527c9f20091eb8dd3352', go version: 'go1.13.3 linux/amd64'

如果此命令执行时没有错误，则表明已成功安装 operator-sdk CLI。

作为额外步骤，还应该在 Minikube VM 中克隆 Packt 存储库，因为稍后将利用 guestbook Helm 图表来构建 Helm 运算符。在 VM 中运行以下命令来克隆存储库：

$ git clone https://github.com/PacktPublishing/-Learn-Helm.git Learn-Helm

2. 创建 Helm 运算符

2.1 搭建运算符文件结构

与 Helm 图表本身类似，由 operator-sdk CLI 构建的 Helm 运算符具有特定的文件结构，必须遵循该结构。文件结构如下表所示：

文件路径	说明
helm-charts/guestbook	包含 Guestbook 图表
build/Dockerfile	用于构建运算符镜像的 Dockerfile
watches.yaml	定义运算符的监视规则
deploy/service_account.yaml	定义服务账户
deploy/role.yaml	定义角色权限
deploy/role_binding.yaml	绑定角色和服务账户
deploy/operator.yaml	定义运算符部署资源
deploy/crds/charts.helm.k8s.io_v1alpha1_guestbook_cr.yaml	示例 Guestbook CR 应用

可以使用 operator-sdk new 命令轻松创建运算符文件结构。在 Minikube VM 中执行以下命令来搭建 Guestbook 运算符：

$ operator-sdk new guestbook-operator --type helm --kind Guestbook --helm-chart Learn-Helm/helm-charts/charts/guestbook

2.2 构建运算符并推送到 Quay 注册表

operator-sdk CLI 提供了 operator-sdk build 命令，可轻松构建运算符镜像。此命令旨在针对运算符的顶级目录运行，并通过引用运算符的 build/ 文件夹下的 Dockerfile 来构建镜像。

在 Minikube VM 中，运行 operator-sdk build 命令，将 Quay 用户名替换为实际值，如下所示：

$ cd guestbook-operator
$ operator-sdk build quay.io/$QUAY_USERNAME/guestbook-operator

如果构建成功，将收到以下消息：

INFO[0092] Operator build complete.

由于 Minikube VM 已安装 Docker，operator-sdk CLI 在后台使用 Docker 来构建镜像。可以运行 docker images 命令来验证镜像是否已构建：

$ docker images

本地构建运算符镜像后，必须将其推送到镜像注册表，以便 Kubernetes 可以拉取它。要使用 Docker 将镜像推送到注册表，必须首先与目标注册表进行身份验证。使用以下 docker login 命令登录到 Quay：

$ docker login quay.io --username $QUAY_USERNAME --password $QUAY_PASSWORD

登录到 Quay 后，使用 docker push 命令将运算符镜像推送到 Quay 注册表：

$ docker push quay.io/$QUAY_USERNAME/guestbook-operator

2.3 部署 Guestbook 运算符

当搭建 Guestbook 运算符时，operator-sdk CLI 还创建了一个名为 deploy 的文件夹，并在其中生成了部署运算符所需的文件。deploy 文件夹的内容如下：

deploy/
  crds/
    charts.helm.k8s.io_guestbooks_crd.yaml
    charts.helm.k8s.io_v1alpha1_guestbook_cr.yaml
  operator.yaml
  role_binding.yaml
  role.yaml
  service_account.yaml

按照以下步骤部署 Guestbook 运算符：
1. 由于 Minikube VM 不包含 Kubectl，因此如果仍通过命令行连接到 VM，必须首先退出到本地系统，运行以下命令：

$ exit

之前使用 operator-sdk 创建的资源也位于 Packt 存储库的 guestbook-operator/ 文件夹中。如果在前面的步骤中尚未克隆此存储库，请使用以下命令进行克隆：

$ git clone https://github.com/PacktPublishing/-Learn-Helm.git Learn-Helm

Guestbook 运算符将依赖于一个新的 API 端点。通过应用 guestbook-operator/deploy/crds 文件夹下的 CRD 来创建此端点：

$ kubectl apply -f guestbook-operator/deploy/crds/charts.helm.k8s.io_guestbooks_crd.yaml

接下来，需要修改 guestbook-operator/deploy/operator.yaml 文件，以指定之前构建的运算符镜像。在该文件中会看到以下代码行：

# Replace this with the built image name
image: REPLACE_IMAGE

将 REPLACE_IMAGE 文本替换为运算符镜像的位置，该值应类似于 quay.io/$QUAY_USERNAME/guestbook-operator。
5. 应用 CRD 并更新 operator.yaml 文件后，可以通过运行以下命令应用 guestbook-operator/deploy/ 文件夹下的每个资源：

$ kubectl apply -f guestbook-operator/deploy -n chapter8

通过对 chapter8 命名空间中的 Pod 运行监视命令，等待运算符报告 1/1 就绪状态：

$ kubectl get pods -n chapter8 -w

3. 部署 Guestbook 应用程序

当通常将 Helm 作为独立的 CLI 工具使用时，会通过运行 helm install 命令来安装 Helm 图表。使用 Helm 运算符时，通过创建 CR 来安装 Helm 图表。通过创建 guestbook-operator/deploy/crds/ 文件夹下提供的 CR 来安装 Guestbook Helm 图表：

$ kubectl apply -f guestbook-operator/deploy/crds/charts.helm.k8s.io_v1alpha1_guestbook_cr.yaml -n chapter8

对 chapter8 命名空间中的 Pod 运行另一个监视命令，应该能够看到 Guestbook 和 Redis Pod 因 Helm 图表安装而启动：

$ kubectl get pods -n chapter8 -w

可以通过运行 helm list 命令确认创建的版本：

$ helm list -n chapter8

可以通过修改 example-guestbook CR 来升级版本。修改 guestbook-operator/deploy/crds/charts.helm.k8s.io_v1alpha1_guestbook_cr.yaml 文件，将副本数从 1 更改为 2：

replicaCount: 2

更新 replicaCount 值后，应用更改：

$ kubectl apply -f guestbook-operator/deploy/crds/charts.helm.k8s.io_v1alpha1_guestbook_cr.yaml -n chapter8

修改 Guestbook CR 将触发对 example-guestbook 版本的 helm upgrade 命令。

3.1 Helm 运算符的局限性与优势

局限性 ：截至目前，基于 Helm 的运算符的一个局限性是无法像使用 CLI 那样启动回滚到先前版本。如果尝试对 example-guestbook 版本运行 helm history 命令，会注意到版本历史记录中只有第二个版本：

$ helm history example-guestbook -n chapter8

优势：基于 Helm 的运算符在同步应用程序的期望状态和实时状态方面表现出色。这是因为运算符会不断监视 Kubernetes 环境的状态，并确保应用程序始终配置为与 CR 上指定的配置相匹配。

3.2 卸载 Guestbook 应用程序

使用基于 Helm 的运算符卸载 Guestbook 应用程序就像删除 CR 一样简单。删除 example-guestbook CR 以卸载版本：

$ kubectl delete -f guestbook-operator/deploy/crds/charts.helm.k8s.io_v1alpha1_guestbook_cr.yaml -n chapter8

还可以删除 Guestbook 运算符及其资源：

$ kubectl delete -f guestbook-operator/deploy/ -n chapter8

一般来说，在删除运算符之前，应始终确保先删除 CR。运算符被编程为在删除 CR 时对版本执行 helm uninstall 命令。如果不小心先删除了运算符，则必须从命令行手动运行 helm uninstall。

4. 使用 Helm 管理运算符和 CR

在前面的部分中，通过首先创建 guestbook-operator/deploy/crds/ 文件夹下的 CRD，然后创建 guestbook-operator/deploy/ 文件夹下的运算符资源，最后创建 CR 来部署 Guestbook 应用程序。这些任务都是使用 Kubectl CLI 执行的，但也可以使用 Helm 图表来提供更灵活和可重复的解决方案，以安装和管理运算符。

Helm 允许在 Helm 图表中提供一个名为 crds/ 的特殊目录，用于在安装图表时创建 CRD。Helm 在创建 templates/ 文件夹下定义的任何其他资源之前创建 CRD，这使得安装依赖于 CRD 存在的应用程序（如运算符）变得更加简单。

以下是可用于安装 Guestbook 运算符的 Helm 图表的文件结构：

guestbook-operator/
  Chart.yaml
  crds/
    charts.helm.k8s.io_guestbooks_crd.yaml
  templates/
    operator.yaml
    role_binding.yaml
    role.yaml
    Service_account.yaml
  values.yaml

这个 Helm 图表在安装时将首先安装 Guestbook CRD。如果集群中已经存在 CRD，则会跳过 CRD 创建，仅创建模板资源。需要注意的是，虽然在 Helm 图表中包含 CRD 很方便，但也有一些限制：
- CRD 不能包含任何 Go 模板，因此 CRD 不能像典型资源那样从参数化中受益。
- CRD 永远不能升级、回滚或删除。因此，如果需要执行这些操作，用户必须手动修改或删除 CRD。
- 安装上述图表需要集群管理员权限，这是 Kubernetes 中允许的最高权限，因为图表至少包含一个 CRD 资源。

4.1 操作流程总结

下面是使用 Helm 和 Operator 框架的整体操作流程 mermaid 流程图：

graph LR
    A[安装 operator-sdk CLI] --> B[创建 Helm 运算符文件结构]
    B --> C[构建运算符镜像]
    C --> D[推送到 Quay 注册表]
    D --> E[部署 Guestbook 运算符]
    E --> F[部署 Guestbook 应用程序]
    F --> G[管理应用程序（升级、卸载等）]
    H[使用 Helm 管理运算符和 CR] --> E

通过上述步骤，我们可以完成从安装工具到部署应用程序，再到使用 Helm 管理整个过程的一系列操作，充分发挥 Helm 和 Operator 框架的优势。

5. 深入分析 Helm 与 Operator 框架的协同工作

5.1 资源管理的优化

在使用 Helm 与 Operator 框架时，资源管理是一个关键环节。Helm 提供了方便的模板化和版本管理功能，而 Operator 则专注于应用程序的自动化运维。通过结合两者，可以实现资源的高效管理。

例如，在部署 Guestbook 应用程序时，Helm 图表定义了应用程序所需的各种资源，如 Deployment、Service 等。而 Operator 则负责监控这些资源的状态，并在必要时进行调整。当应用程序的配置发生变化时，Operator 会自动触发 Helm 的升级操作，确保应用程序始终处于期望的状态。

5.2 权限管理的重要性

在部署和管理 Operator 时，权限管理至关重要。如前文所述，Operator 需要特定的权限来监视和操作 Kubernetes 资源。通过合理配置 Role、RoleBinding 和 ServiceAccount，可以确保 Operator 具有足够的权限来执行其任务，同时避免权限过大带来的安全风险。