Operator 模式

Operator 是 Kubernetes 的软件扩展，利用 定制资源（custom resources）来管理应用及其组件。Operator 遵循 Kubernetes 原则，特别是控制回路（control loop）。

动机

Operator 模式（Operator pattern）旨在概括人工操作员管理一项或一组服务时所遵循的关键目标。负责特定应用和服务的人工操作员深入了解系统应如何运行、如何部署以及出现问题时如何应对。

在 Kubernetes 上运行工作负载的用户通常喜欢使用自动化来处理重复性任务。Operator 模式概括了如何编写代码来自动化超出 Kubernetes 本身提供的任务。

Kubernetes 中的 Operator

Kubernetes 专为自动化而设计。开箱即用，你可以从 Kubernetes 核心获得许多内置自动化能力。你可以使用 Kubernetes 自动化部署和运行工作负载，并且可以自动化 Kubernetes 如何执行这些操作。

Kubernetes 的Operator 模式理念允许你通过将控制器（controller）关联到一个或多个定制资源（custom resources），在不修改 Kubernetes 自身代码的情况下扩展集群的行为。Operator 是 Kubernetes API 的客户端，充当定制资源（Custom Resource）的控制器。

Operator 示例

可以用来实现 Operator 自动化的场景包括：

• 按需部署应用
• 对应用状态进行备份和恢复
• 处理应用代码升级以及数据库 Schema 或额外配置设置等相关更改
• 向不支持 Kubernetes API 的应用发布 Service 以供其发现
• 模拟集群的全部或部分故障，以测试其弹性
• 为没有内部成员选举流程的分布式应用选择主节点

Operator 的细节是什么样的？这里有一个示例：

1. 一个名为 SampleDB 的定制资源，你可以将其配置到集群中。
2. 一个 Deployment，用于确保运行 Operator 控制器部分的 Pod 正在运行。
3. Operator 代码的容器镜像。
4. 查询控制平面以查找配置了哪些 SampleDB 资源的控制器代码。
5. Operator 的核心代码是用来告诉 API 服务器如何使实际状态与配置的资源相符。
   • 如果你添加了一个新的 SampleDB，Operator 会设置 PersistentVolumeClaim 以提供持久的数据库存储，一个 StatefulSet 来运行 SampleDB，以及一个 Job 来处理初始配置。
   • 如果你删除它，Operator 会先创建一个快照，然后确保 StatefulSet 和 Volume 也被移除。
6. Operator 还负责管理定期数据库备份。对于每个 SampleDB 资源，Operator 会确定何时创建 Pod 来连接到数据库并执行备份。这些 Pod 将依赖于包含数据库连接详情和凭据的 ConfigMap 和/或 Secret。
7. 由于 Operator 旨在为其管理的资源提供强大的自动化能力，因此会包含额外的辅助代码。对于此示例，代码会检查数据库是否正在运行旧版本，如果是，则创建 Job 对象为你升级数据库。

部署 Operator

部署 Operator 最常见的方式是将定制资源定义（Custom Resource Definition）及其关联的控制器添加到集群中。控制器通常运行在控制平面（control plane）之外，就像运行任何容器化应用一样。例如，你可以在集群中将控制器作为 Deployment 运行。

使用 Operator

部署 Operator 后，通过添加、修改或删除 Operator 所使用的资源类型来使用它。按照上面的示例，你会为 Operator 本身设置一个 Deployment，然后：

kubectl get SampleDB                   # find configured databases

kubectl edit SampleDB/example-database # manually change some settings

…然后就大功告成了！Operator 会负责应用这些更改，并保持现有服务处于良好状态。

编写自己的 Operator

如果生态系统中没有实现你想要行为的 Operator，你可以自己编写一个。

你也可以使用任何能够作为Kubernetes API 客户端的语言/运行时来实现 Operator（即控制器）。

以下是一些你可以用来编写自己的云原生 Operator 的库和工具。

• Charmed Operator Framework
• Java Operator SDK
• Kopf (Kubernetes Operator Pythonic Framework)
• kube-rs (Rust)
• kubebuilder
• KubeOps (.NET operator SDK)
• Mast
• Metacontroller 以及你自己实现的 WebHook
• Operator Framework
• shell-operator

下一步

• 阅读 CNCF Operator 白皮书。
• 了解更多关于定制资源（Custom Resources）的信息
• 在 OperatorHub.io 上查找现成的 Operator 以满足你的使用场景
• 发布你的 Operator 供其他人使用
• 阅读 CoreOS 最初介绍 Operator 模式的文章（这是原文的存档版本）。
• 阅读 Google Cloud 关于构建 Operator 最佳实践的文章