使用 Jenkins 在 Kubernetes 中实现零停机部署

自从我们将 Kubernetes 持续部署和 Azure 容器服务插件添加到 Jenkins 更新中心以来，“如何创建零停机部署”是我们最常被问到的问题之一。我们在 Azure 上创建了一个快速入门模板，以演示零停机部署的外观。尽管我们的示例使用 Azure，但该概念很容易应用于所有 Kubernetes 安装。

滚动更新

Kubernetes 支持 RollingUpdate（滚动更新）策略，以在不造成停机的情况下逐步替换旧 Pod，同时继续为客户端提供服务。要执行滚动更新部署：

• 将 .spec.strategy.type 设置为 RollingUpdate（默认值）。
• 将 .spec.strategy.rollingUpdate.maxUnavailable 和 .spec.strategy.rollingUpdate.maxSurge 设置为合理的数值。
  • maxUnavailable：更新过程中可以不可用的最大 Pod 数量。这可以是副本计数的绝对数字或百分比；默认值为 25%。
  • maxSurge：可以创建的超出所需 Pod 数量的最大 Pod 数量。同样，这可以是副本计数的绝对数字或百分比；默认值为 25%。
• 为您的服务容器配置 readinessProbe（就绪探测），以帮助 Kubernetes 确定 Pod 的状态。Kubernetes 只会将客户端流量路由到具有健康活跃探测的 Pod。

我们将使用官方 Tomcat 镜像的部署来演示这一点。

apiVersion: extensions/v1beta1
kind: Deployment
metadata:
  name: tomcat-deployment-rolling-update
spec:
  replicas: 2
  template:
    metadata:
      labels:
        app: tomcat
        role: rolling-update
    spec:
      containers:
      - name: tomcat-container
        image: tomcat:${TOMCAT_VERSION}
        ports:
        - containerPort: 8080
        readinessProbe:
          httpGet:
            path: /
            port: 8080
  strategy:
    type: RollingUpdate
    rollingUp      maxSurge: 50%

如果当前部署中运行的 Tomcat 是版本 7，我们可以将 ${TOMCAT_VERSION} 替换为 8 并将其应用于 Kubernetes 集群。通过 Kubernetes 持续部署或 Azure 容器服务插件，可以从环境变量中获取该值，从而简化部署过程。

在幕后，Kubernetes 像这样管理更新：

• 最初，所有 Pod 都在运行 Tomcat 7，前端服务将流量路由到这些 Pod。
• 在滚动更新期间，Kubernetes 会关闭一些 Tomcat 7 Pod 并创建相应的新 Tomcat 8 Pod。它确保：
  • 所需 Pod 中最多 maxUnavailable 个 Pod 不可用，也就是说，至少 (replicas - maxUnavailable) 个 Pod 应该服务客户端流量，在我们的例子中是 2-1=1。
  • 在更新过程中最多可以创建 maxSurge 个 Pod，在我们的例子中是 2*50%=1。
• 一个 Tomcat 7 Pod 被关闭，一个 Tomcat 8 Pod 被创建。Kubernetes 不会将流量路由到其中任何一个，因为它们的就绪探测尚未成功。
• 当新的 Tomcat 8 Pod 经就绪探测确定为就绪时，Kubernetes 将开始将流量路由到它。这意味着在更新过程中，用户可能会看到旧服务和新服务。
• 滚动更新通过关闭 Tomcat 7 Pod 并创建 Tomcat 8 Pod，然后将流量路由到就绪的 Pod 来继续。
• 最后，所有 Pod 都运行 Tomcat 8。

滚动更新策略确保我们始终有一些就绪的后端 Pod 服务客户端请求，因此不会出现服务停机。但是，需要格外注意：

• 在更新期间，旧 Pod 和新 Pod 都可能服务请求。如果服务层中没有明确定义的会话亲和性，用户可能会被路由到新 Pod，然后又回到旧 Pod。
• 这还要求您为数据和 API 维护明确定义的前向和后向兼容性，这可能具有挑战性。
• Pod 启动后，可能需要很长时间才能准备好处理流量。可能会有一段较长的时间窗口，在此期间流量由比平时更少的后端 Pod 提供服务。通常，这应该不是问题，因为我们倾向于在服务不那么繁忙时进行生产升级。但这也会延长问题 1 的时间窗口。
• 我们无法对正在创建的新 Pod 进行全面的测试。将应用程序更改从开发/QA 环境转移到生产环境可能会带来破坏现有功能的持续风险。就绪探测可以进行一些工作来检查就绪状态，但是，它应该是一个可以定期运行的轻量级任务，不适合用作启动完整测试的入口点。

蓝绿部署

引自 TechTarget 的蓝绿部署：

蓝绿部署是一种用于发布软件代码的变更管理策略。蓝绿部署，也可能被称为 A/B 部署，需要两个配置完全相同的相同硬件环境。当一个环境处于活动状态并为最终用户提供服务时，另一个环境保持空闲。

容器技术提供了一个独立的运行所需服务的环境，这使得创建蓝绿部署所需的相同环境变得非常容易。Kubernetes 中松耦合的服务 - ReplicaSets，以及基于标签/选择器的服务路由使得在不同后端环境之间切换变得容易。通过这些技术，Kubernetes 中的蓝绿部署可以按如下方式进行：

• 部署之前，基础设施按如下方式准备：
  • 使用 TOMCAT_VERSION=7 和 TARGET_ROLE 分别设置为 blue 或 green 准备蓝色部署和绿色部署。

apiVersion: extensions/v1beta1
kind: Deployment
metadata:
  name: tomcat-deployment-${TARGET_ROLE}
spec:
  replicas: 2
  template:
    metadata:
      labels:
        app: tomcat
        role: ${TARGET_ROLE}
    spec:
      containers:
      - name: tomcat-container
        image: tomcat:${TOMCAT_VERSION}
        ports:
        - containerPort: 8080
        readinessProbe:
          httpGet:
            path: /
            port: 8080

• 准备公共服务端点，该端点最初路由到其中一个后端环境，例如 TARGET_ROLE=blue。

kind: Service
apiVersion: v1
metadata:
  name: tomcat-service
  labels:
    app: tomcat
    role: ${TARGET_ROLE}
    env: prod
spec:
  type: LoadBalancer
  selector:
    app: tomcat
    role: ${TARGET_ROLE}
  ports:
    - port: 80
      targetPort: 8080

• （可选）准备一个测试端点，以便我们可以访问后端环境进行测试。它们类似于公共服务端点，但仅供开发/运维团队内部访问。

kind: Service
apiVersion: v1
metadata:
  name: tomcat-test-${TARGET_ROLE}
  labels:
    app: tomcat
    role: test-${TARGET_ROLE}
spec:
  type: LoadBalancer
  selector:
    app: tomcat
    role: ${TARGET_ROLE}
  ports:
    - port: 80
      targetPort: 8080

• 在非活动环境中更新应用程序，例如绿色环境。在部署配置中将 TARGET_ROLE=green 和 TOMCAT_VERSION=8 设置为更新绿色环境。
• 通过 tomcat-test-green 测试端点测试部署，以确保绿色环境已准备好服务客户端流量。
• 通过使用 TARGET_ROLE=green 更新服务配置，将前端服务路由切换到绿色环境。
• 在公共端点上运行额外的测试，以确保其正常工作。
• 现在蓝色环境处于空闲状态，我们可以：
  • 保留旧应用程序，以便在新应用程序出现问题时可以回滚。
  • 更新它以使其成为活动环境的热备份。
  • 减少其副本数量以节省占用资源。

与滚动更新相比，蓝绿部署 *公共服务要么路由到旧应用程序，要么路由到新应用程序，但绝不会同时路由到两者。

• 新 Pod 准备就绪所需的时间不影响公共服务质量，因为只有当所有新 Pod 都经过测试并准备就绪后，流量才会路由到它们。
• 我们可以在新环境投入公共流量服务之前对其进行全面测试。请记住，这是在生产环境中，测试不应污染实时应用程序数据。

Jenkins 自动化

Jenkins 提供易于设置的工作流程来自动化您的部署。通过 Pipeline 支持，可以灵活地构建零停机部署工作流程并可视化部署步骤。为了方便 Kubernetes 资源的部署过程，我们发布了基于 kubernetes-client 构建的 Kubernetes 持续部署和 Azure 容器服务插件。您可以将资源部署到 Azure Kubernetes Service (AKS) 或通用 Kubernetes 集群，而无需 kubectl，并且它支持资源配置中的变量替换，因此您可以将特定于环境的资源部署到集群，而无需更新资源配置。我们创建了一个 Jenkins Pipeline 来演示 AKS 的蓝绿部署。流程如下：

• 预清理：清理工作区。
• SCM：从源代码管理系统拉取代码。
• 准备镜像：准备应用程序 Docker 镜像并将其上传到某个 Docker 仓库。
• 检查环境：确定活动和非活动环境，这将驱动后续部署。
• 部署：将新的应用程序资源配置部署到非活动环境。使用 Azure 容器服务插件，这可以通过以下方式完成：

acsDeploy azureCredentialsId: 'stored-azure-credentials-id',
          configFilePaths: "glob/path/to/*/resource-config-*.yml",
          containerService: "aks-name | AKS",
          resourceGroupName: "resource-group-name",
          enableConfigSubstitution: true

• 验证暂存：验证部署到非活动环境，以确保其正常工作。再次强调，请注意这是在生产环境中，因此在测试期间务必小心，不要污染实时应用程序数据。
• 确认：可选地，发送电子邮件通知以进行手动用户批准，以继续进行实际环境切换。
• 切换：将前端服务端点路由切换到非活动环境。这只是对 AKS Kubernetes 集群的另一个服务部署。
• 验证生产：验证前端服务端点在新环境中是否正常工作。
• 后清理：对临时文件进行一些后清理。

对于滚动更新策略，只需将部署配置部署到 Kubernetes 集群，这是一个简单、单一的步骤。

整合所有内容

我们构建了一个 Azure 快速入门模板，以演示如何使用 Jenkins 在 AKS (Kubernetes) 上进行零停机部署。访问 Jenkins Kubernetes 蓝绿部署并点击“部署到 Azure”按钮以获取工作演示。此模板将提供：

• 一个 AKS 集群，包含以下资源：
  • 两个相似的部署，分别代表“蓝色”和“绿色”环境。两者最初都设置为使用 tomcat:7 镜像。
  • 两个测试端点服务（tomcat-test-blue 和 tomcat-test-green），它们连接到相应的部署，可用于测试部署是否已准备好投入生产使用。
  • 一个生产服务端点（tomcat-service），代表用户将访问的公共端点。最初，它路由到“蓝色”环境。
• 一个运行在 Ubuntu 16.04 VM 上的 Jenkins Master，并配置了 Azure 服务主体凭据。Jenkins 实例有两个示例作业：
  • AKS Kubernetes 滚动更新部署流水线，用于演示 AKS 的滚动更新部署。
  • AKS Kubernetes 蓝绿部署流水线，用于演示 AKS 的蓝绿部署。
  • 我们没有在快速入门模板中包含电子邮件确认步骤。要添加此步骤，您需要在 Jenkins 系统配置中配置电子邮件 SMTP 服务器详细信息，然后在“切换”之前添加一个流水线阶段。

stage('Confirm') {
    mail (to: 'to@example.com',
        subject: "Job '${env.JOB_NAME}' (${env.BUILD_NUMBER}) is waiting for input",
        body: "Please go to ${env.BUILD_URL}.")
    input 'Ready to go?'
}

按照步骤设置资源，然后启动 Jenkins 构建作业即可进行尝试。

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