59、高级Kubernetes：多样化工具与集群管理策略

高级Kubernetes：多样化工具与集群管理策略

在当今的云计算和容器化应用开发领域，Kubernetes已经成为了一个核心的容器编排平台。为了更好地利用Kubernetes的强大功能，一系列相关的工具和框架应运而生。下面将详细介绍一些重要的Kubernetes相关技术。

1. 灵活的应用框架

• Knative ：这是一个基于Kubernetes的平台，它抽象了管理容器化应用时底层的大量复杂性。Knative能够自动处理诸如自动伸缩、流量管理和事件驱动的函数执行等任务。在需要高效处理可变工作负载或事件驱动任务的应用场景中，Knative非常有效。例如，在高峰时段对微服务进行扩容，处理用户上传文件等后台作业，或者构建超响应式的事件驱动系统。
• OpenFaaS ：另一个灵活的框架，在Kubernetes上部署函数时提供了极大的便利。OpenFaaS允许在容器中部署轻量级的无服务器函数，确保轻松扩展和管理。在微服务架构中，可根据需求分别扩展每个函数。它适用于实时数据处理、事件触发的函数，或者构建无需整个应用程序栈开销的图像调整大小或数据转换的API。将Knative与OpenFaaS结合使用，可以更好地利用Kubernetes，降低复杂性并实现更高效的应用扩展。

2. 机器学习与Kubernetes

• Kubeflow ：一个开源平台，可在Kubernetes上轻松、顺利地部署、扩展和管理机器学习工作流。它将各种类型的工具和框架集成到一个系统中，使数据科学家和开发人员能够专注于机器学习模型的创建和实验，而无需担心基础设施的管理。Kubeflow可以自动化整个机器学习周期，从数据准备、模型训练到部署和监控。它与大多数流行的机器学习框架（如TensorFlow、PyTorch和XGBoost）兼容，这些工具可以无缝集成到当前的工作流程中。由于运行在Kubernetes之上，Kubeflow从Kubernetes层获得了可扩展性和弹性，这意味着机器学习工作负载在需要时可以扩展，并能自动从故障中恢复。特别是在管理大型机器学习项目时，如在分布式数据集上进行模型训练、将模型部署到生产环境或使用新数据反复重新训练模型，Kubeflow是一个有效的解决方案。

3. 虚拟机与Kubernetes

• KubeVirt ：一个开源项目，除了管理容器化工作负载外，还为Kubernetes添加了虚拟机管理功能。通过集成，组织可以在Kubernetes集群内运行虚拟机，使使用虚拟机的传统应用程序能够与现代容器化应用程序在一个托管平台上并排部署。KubeVirt允许虚拟机与容器顺利共存，利用Kubernetes强大的编排和扩展功能处理所有工作负载。对于正在向云原生环境迁移，但仍需要支持运行在虚拟机上的遗留应用程序的组织来说，KubeVirt非常有用，它可以像管理容器化应用程序一样在同一Kubernetes环境中管理、扩展和编排这些应用程序。对于使用Red Hat OpenShift的用户，有KubeVirt的产品化版本OpenShift Virtualization，它可以在OpenShift内直接运行和管理虚拟机，与容器化工作负载并存，减少操作和复杂性，实现资源的灵活高效利用，并使IT基础设施现代化更容易，同时继续支持基于虚拟机的现有应用程序。

4. Kubernetes集群的备份与恢复

Kubernetes集群的备份和恢复对于确保任何生产环境中的数据完整性和业务连续性至关重要。在Kubernetes集群的备份范围中，最重要的元素是etcd，它是存储集群所有关键配置和状态的键值存储。
- etcd备份 ：
- 本地或自管理集群 ：需要对etcd进行快照并安全存储。etcd集群的备份对于所有Kubernetes对象的完整性至关重要，因为etcd存储了整个Kubernetes集群的状态。定期备份可以在失去所有控制平面节点时恢复集群。备份过程会创建一个包含所有Kubernetes状态和其他关键数据的快照文件，由于这些数据可能包含敏感信息，建议对快照文件进行加密。可以使用etcdctl工具直接从活动的etcd成员创建etcd集群的快照，此过程不会影响etcd实例的性能。以下是使用etcdctl创建快照的示例命令：

$ ETCDCTL_API=3 etcdctl \
  --endpoints=[https://127.0.0.1:2379] \
  --cacert=/etc/kubernetes/pki/etcd/ca.crt \
  --cert=/etc/kubernetes/pki/etcd/server.crt \
  --key=/etc/kubernetes/pki/etcd/server.key \
  snapshot save /tmp/snapshot-pre-patch.db

这些文件（trusted-ca-file、cert-file和key-file）通常可以在etcd Pod的描述中找到（例如，/etc/kubernetes/manifests/etcd.yaml）。创建快照后，可以使用etcdutl工具验证其完整性：

$ etcdutl --write-out=table snapshot status snapshot.db

此命令将显示哈希、修订版本、总键数和快照大小等详细信息。
- 云基集群 ：如Google Kubernetes Engine (GKE)、Amazon EKS或Azure AKS等托管服务简化了备份过程。这些平台通常提供集成工具，用于自动备份和轻松恢复。例如，可以使用AWS Backup for EKS或Azure Backup for AKS定期备份集群的状态和配置，无需手动干预。
- etcd快照恢复 ：从快照恢复etcd集群是一项关键且复杂的任务，特别是在多节点设置中，必须确保所有节点之间的一致性。恢复过程需要谨慎处理，以避免出现问题，尤其是在有正在运行的API服务器时。在启动恢复之前，重要的是停止所有API服务器实例，以防止不一致。恢复完成后，应重新启动API服务器以及关键的Kubernetes组件（如kube-scheduler、kube-controller-manager和kubelet），以确保它们不依赖于过时的数据。使用etcdutl工具并指定恢复数据的目录进行恢复，命令如下：

$ etcdutl --data-dir <data-dir-location> snapshot restore snapshot.db

指定的 <data-dir-location> 将在恢复过程中创建。如果etcd数据存储在支持快照的卷上（如Amazon Elastic Block Store），可以通过对存储卷进行快照来备份etcd数据。这种方法常用于可以自动化存储快照的云环境。

5. 重新配置Kubernetes API服务器

如果恢复后etcd集群的访问URL发生更改，则需要使用更新后的etcd服务器URL重新配置并重启Kubernetes API服务器（将 $NEW_ETCD_CLUSTER 替换为IP地址）：

...
--etcd-servers=$NEW_ETCD_CLUSTER
...

如果在etcd集群前面使用了负载均衡器，则需要相应地更新其配置。

6. 利用基础设施即代码（IaC）和配置即代码（CaC）进行弹性集群管理

备份和恢复etcd很复杂，为了保持数据一致性和系统稳定性，实施IaC和CaC实践对于Kubernetes集群和应用程序非常重要。这样可以轻松地从头开始重建一切，使所有内容都具有版本控制、可重复性和一致性。在采用IaC和CaC实践时，Git工作流中应遵循四眼原则，即所有更改在合并之前必须至少经过团队中两名成员的审查。这将提高代码质量，确保合规性，并最大限度地减少备份和恢复过程中出现错误的可能性。为了稳健地设置，将集群视为无状态和不可变的。保留所有配置的YAML文件，如命名空间、运算符、基于角色的访问控制（RBAC）设置、网络策略等。这些文件应进行版本控制，提交到存储库，并自动应用到新集群。这确保新集群与旧集群相同，从而尽可能减少停机时间并限制人为错误。对于应用程序，从配置映射和服务到持久卷声明（PVC），与应用程序部署相关的一切都应进行编码。在有状态应用程序中，数据存储在集群外部的持久卷（PV）中。由于将数据与配置分离，恢复应用程序到以前的状态就像重新应用其YAML文件并重新连接到数据一样简单。此外，还可以选择使用Helm进行模板化和使用GitOps进行持续部署，使这个过程更加顺畅。这种自动化确保所有配置的一致性，因为更改将自动应用到环境中，减少手动干预。全面的集群和应用程序管理方法确实有助于简化灾难恢复，同时提高可扩展性、安全性和运营效率。

7. Kubernetes集群升级

升级Kubernetes集群是保持环境安全、稳定并跟上新功能的重要任务。大多数托管的Kubernetes发行版在基于云的集群中可以轻松升级，因为底层的复杂性由托管服务处理。例如，Amazon EKS、GKE和Azure AKS具有一键升级功能，可轻松升级到Kubernetes的新版本，且停机时间最少或无停机时间。对于本地或定制的集群，情况会有所不同。例如，使用kubeadm构建的集群，Kubernetes提供了详细的升级路径（https://kubernetes.io/docs/tasks/administer-cluster/kubeadm/kubeadm-upgrade），指导你完成控制平面和节点的升级步骤。无论使用基于云的集群还是管理本地设置，遵循结构化的升级过程都是关键。
- 升级前检查清单 ：
- 验证兼容性 ：确保新的Kubernetes版本与所有现有组件和插件兼容。参考官方Kubernetes文档中的兼容性矩阵。
- 备份etcd ：etcd是Kubernetes集群的核心，在进行升级之前始终创建备份，以保护集群配置。
- 禁用交换 ：Kubernetes要求在所有节点上禁用交换。确保此设置配置正确，以防止潜在问题。
- 升级过程 ：
- 排空节点 ：使用 kubectl drain <node-to-drain> --ignore-daemonsets 安全地将所有Pod从计划升级的节点中驱逐，确保在升级过程中不会为该节点分配新工作。
- 升级控制平面 ：首先更新控制平面组件，如API服务器、etcd和控制器管理器。使用包管理器的更新和升级命令（如 apt-get 或 yum ）安装最新版本。
- 升级kubeadm ：将kubeadm更新到所需版本，确保与新的Kubernetes版本兼容。
- 升级kubelet和kubectl ：更新控制平面后，在每个节点上升级kubelet和kubectl。这些组件与控制平面交互并管理Pod。
- 解除节点封锁 ：节点升级完成后，使用 kubectl uncordon <node-name> 重新启用该节点以调度Pod。
- 升级计算节点 ：对工作节点进行滚动升级，遵循与控制平面相同的步骤。
- 升级CNI插件 ：确保容器网络接口（CNI）插件与新的Kubernetes版本兼容，必要时进行更新。
- 升级后任务 ：
- 验证集群状态 ：使用 kubectl get nodes 确认所有节点处于就绪状态。
- 监控etcd ：在升级期间和升级后密切关注etcd的健康和性能。
- 切换包存储库 ：如果尚未切换，将包存储库更新为指向新Kubernetes版本的源。
- 回滚计划 ：应制定回滚计划，以应对升级过程中可能出现的意外错误。回滚计划应包括执行回退到以前配置和恢复备份所需的步骤。虽然etcd的API和数据结构的内部更改使回滚变得困难，但做好准备可以减少时间和运营中断。确定团队中需要做什么以及由谁来做，即使需要实施回滚计划的情况很少发生，也能实现及时和协调的响应。
- 额外提示 ：
- 在暂存环境中测试升级 ：在升级生产集群之前，先在暂存或开发环境中测试升级过程是个好主意。
- 考虑使用集群升级工具 ：一些工具可以自动执行升级过程中的某些步骤，减少手动工作量并降低出错的可能性。
- 监控问题 ：在升级过程中和升级后，监控集群是否有异常迹象。还可以使用Ansible、Terraform、AWS CloudFormation和ARM模板等工具实现升级自动化，代替节点配置、部署包和滚动更新。在多云环境中，可以使用ArgoCD或Fleet等工具管理多集群部署，确保不同环境中的所有集群一致升级。这对于管理多个集群的组织非常有用，可减少手动工作量并保持环境的一致性。

8. 多集群管理

随着组织的指数级增长，管理多个Kubernetes集群在不同环境中的复杂性也随之增加。多集群管理解决方案提供了一个单一的控制点，可以部署、监控和升级集群。许多解决方案具有自动集群配置和滚动更新等功能，可确保所有托管集群的一致性和安全性。例如，在多云环境中，可以使用Terraform和ArgoCD在AWS、Azure和Google Cloud上配置和管理Kubernetes集群。在这样的环境中，部署和升级可以自动化，人为错误的可能性最小，所有集群可以使用相同版本的Kubernetes。这对于拥有多个团队或地区的大型组织特别有用，因为他们希望Kubernetes环境保持一致并及时更新，以提高运营效率。

以下是一些著名的Kubernetes多集群管理工具和服务：
| 工具/服务 | 描述 |
| — | — |
| Rancher | 一个开源平台，旨在简化Kubernetes管理。它允许在不同环境（本地或云端）中集中管理集群，提供多集群应用程序部署、集成监控和基于角色的访问控制（RBAC）等功能，用于管理跨集群的用户权限。 |
| Lens | 一个Kubernetes集成开发环境（IDE），可从单个界面管理多个集群。它提供实时洞察、内置终端和资源管理视图，使开发人员和运维人员更容易可视化和控制Kubernetes环境。 |
| Kops | 用于管理Kubernetes集群生命周期的工具，特别是在AWS上。它自动化了集群的创建、升级和删除过程，以能够简化跨各种云平台的操作而受到好评。 |
| Red Hat Advanced Cluster Management for Kubernetes | 为混合云和多云环境中的Kubernetes集群管理提供全面解决方案。它包括基于策略的治理、应用程序生命周期管理和集群可观测性等功能，确保集群合规并最佳运行。 |
| Anthos (Google Cloud) | 谷歌云的多云和混合云管理平台，便于在不同环境（本地或各种云提供商）中管理Kubernetes集群。Anthos提供集中治理、安全和一致的应用程序部署，确保在所有托管集群中具有统一的操作体验。 |
| Azure Arc | 将Azure的管理和治理功能扩展到运行在任何地方（本地、其他云或边缘）的Kubernetes集群。通过单个界面管理和保护跨多个环境的Kubernetes集群，实现一致的策略执行、安全管理和监控。 |

通过合理运用这些工具和技术，可以更好地发挥Kubernetes的优势，实现高效、稳定的应用部署和管理。

高级Kubernetes：多样化工具与集群管理策略

多集群管理工具为企业在复杂的云计算环境中提供了强大的支持，帮助企业更好地应对各种挑战。而在实际操作中，我们还可以通过一些流程图来更清晰地理解这些工具和技术的使用流程。

9. 多集群管理工具使用流程示例

下面以使用Terraform和ArgoCD在多云环境中管理Kubernetes集群为例，展示其流程：

graph LR
    classDef startend fill:#F5EBFF,stroke:#BE8FED,stroke-width:2px
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px
    classDef decision fill:#FFF6CC,stroke:#FFBC52,stroke-width:2px

    A([开始]):::startend --> B(规划集群需求):::process
    B --> C(使用Terraform进行集群配置):::process
    C --> D(在不同云平台创建Kubernetes集群):::process
    D --> E(集成ArgoCD到集群):::process
    E --> F(定义应用程序部署配置):::process
    F --> G{是否需要更新应用?}:::decision
    G -- 是 --> H(通过ArgoCD自动更新应用):::process
    H --> I(监控集群状态):::process
    G -- 否 --> I(监控集群状态):::process
    I --> J{是否需要扩展集群?}:::decision
    J -- 是 --> C(使用Terraform进行集群配置):::process
    J -- 否 --> K([结束]):::startend

这个流程图展示了在多云环境中使用Terraform和ArgoCD管理Kubernetes集群的主要步骤。首先规划集群需求，然后使用Terraform在不同云平台创建集群，接着集成ArgoCD进行应用程序的部署和管理。在运行过程中，根据应用更新和集群扩展的需求进行相应操作，最后持续监控集群状态。

10. 不同场景下的工具选择

在实际应用中，需要根据不同的场景选择合适的工具和技术。以下是一些常见场景及对应的推荐工具：
| 场景 | 推荐工具 | 原因 |
| — | — | — |
| 本地环境开发与测试 | Minikube、Knative | Minikube可以快速搭建本地Kubernetes环境，Knative则可以在本地环境中进行容器化应用的自动化管理和测试。 |
| 机器学习项目 | Kubeflow | 能够集成各种机器学习框架，自动化机器学习工作流，从数据准备到模型部署和监控。 |
| 遗留应用与容器化应用共存 | KubeVirt、OpenShift Virtualization | 可以在Kubernetes集群中运行虚拟机，支持遗留应用的同时，与现代容器化应用共同管理。 |
| 多云环境多集群管理 | Rancher、ArgoCD、Fleet | Rancher可以集中管理不同环境的集群，ArgoCD和Fleet则可以实现多集群应用的自动化部署和更新。 |
| 集群备份与恢复 | etcdctl、etcdutl、云平台备份服务 | etcdctl和etcdutl用于本地或自管理集群的etcd备份和恢复，云平台备份服务则简化了云基集群的备份过程。 |
| 集群升级 | Ansible、Terraform、AWS CloudFormation、ARM模板 | 这些工具可以自动化集群升级过程，减少手动操作和出错的可能性。 |

11. 操作步骤总结

为了方便大家更好地理解和应用这些工具和技术，下面总结了一些关键操作的步骤：
- etcd备份操作步骤 ：
1. 安装etcdctl和etcdutl工具，可从etcd发布页面（https://github.com/etcd-io/etcd/releases/）获取。
2. 执行以下命令创建etcd快照：

$ ETCDCTL_API=3 etcdctl \
  --endpoints=[https://127.0.0.1:2379] \
  --cacert=/etc/kubernetes/pki/etcd/ca.crt \
  --cert=/etc/kubernetes/pki/etcd/server.crt \
  --key=/etc/kubernetes/pki/etcd/server.key \
  snapshot save /tmp/snapshot-pre-patch.db

3. 使用以下命令验证快照完整性：

$ etcdutl --write-out=table snapshot status snapshot.db

• etcd快照恢复操作步骤 ：
  1. 停止所有API服务器实例。
  2. 使用以下命令恢复etcd快照：

$ etcdutl --data-dir <data-dir-location> snapshot restore snapshot.db

3. 重新启动API服务器以及关键的Kubernetes组件，如kube-scheduler、kube-controller-manager和kubelet。

• Kubernetes集群升级操作步骤 ：
  1. 验证新Kubernetes版本与现有组件和插件的兼容性。
  2. 备份etcd。
  3. 禁用所有节点上的交换。
  4. 排空计划升级的节点：

$ kubectl drain <node-to-drain> --ignore-daemonsets

5. 升级控制平面组件。
6. 升级kubeadm。
7. 升级kubelet和kubectl。
8. 解除节点封锁：

$ kubectl uncordon <node-name>

9. 对工作节点进行滚动升级。
10. 升级CNI插件。
11. 验证集群状态：

$ kubectl get nodes

12. 监控etcd健康和性能。
13. 切换包存储库。

12. 总结

Kubernetes作为当今云计算和容器化应用开发领域的核心平台，拥有众多强大的工具和技术。从灵活的应用框架如Knative和OpenFaaS，到机器学习专用的Kubeflow，再到支持虚拟机管理的KubeVirt，这些工具为不同场景下的应用开发和管理提供了丰富的选择。同时，在集群的备份恢复、升级以及多集群管理方面，也有相应的工具和方法来确保数据安全、系统稳定和高效运营。

通过合理选择和运用这些工具和技术，企业可以更好地应对复杂的云计算环境，实现高效、稳定的应用部署和管理，提升自身的竞争力和运营效率。在实际应用中，需要根据具体的业务需求和场景特点，综合考虑各种因素，选择最合适的工具和方案。同时，持续关注技术的发展和更新，不断优化和改进管理策略，以适应不断变化的市场环境。