Kubernetes资源编排系列之四:CRD+Operator篇

作者 炯思(钟炯恩) 雪尧(郭耀星)

这是我们的《Kubernetes资源编排系列》的第四篇——CRD+Operator篇。在前面的文章中，常常会提到CRD和k8s operator，但并没有对此进行深入的探讨。作为k8s中的一大亮点，在本篇文章中，我们会详细展开讲讲。

1. 什么是CRD

如果 K8S 中的自带资源类型不足以满足业务需求，需要定制开发资源怎么办？自定义资源(Custom Resource)由此产生。那么，如何让Kubernetes认识这些自定义的资源呢？CRD(Custom Resource Definition)就承担了一个说明书的角色，让Kubernetes 来认识这个自定义资源CR。

那CRD究竟是怎么诞生的呢？最初，谷歌提出了Third Party Resource的理念，期望开发者以插件化的形式对K8s API对象模型进行扩展，从而强化整个k8s的生态。基于Third Party Resource这一理念，Kubernetes社区在1.7版本中提出了CRD的概念。

随便打开一个CRD的YAML可以看到，其主体部分是使用 OpenAPI v3 schema 来描述CR的字段结构，类似编程语言中的强类型声明。

apiVersion: apiextensions.k8s.io/v1
kind: CustomResourceDefinition
metadata:
  name: humans.human.sreworks.io
spec:
  group: human.sreworks.io
  names:
    kind: Human
    plural: humans
  scope: Namespaced
  versions:
    - name: v1
      served: true
      storage: true
      schema:
        openAPIV3Schema:
          description: ...
          type: object
          properties:
            spec:
              type: object
              properties:
                company:
                  type: string
                ...

有了CRD之后，我们可以自由地增加各种与Pod平级的资源，很多之前需要落在CMDB中的数据，也可以被放在k8s集群中。这极大地拓宽了我们的想象力，什么交换机、作业、路由等各种关联的资源都一股脑地放进集群里面去。

在各种自定义资源被放进去之后，就会有人问，这放进去是挺方便的，但是放进去就会生效吗？是的，资源的生效就是Operator的功劳。下面我们就开始介绍Operator。

2. 什么是Operator

首先随便翻看一本词典看一下operator这个词的定义：操作员/运算符，是个名词。那么，operator描述的应该是一个围绕"操作、控制"概念的东西。为了让大家有个更直观的认识，我们来举一个例子，比如 1 + 2 = 3，这个 "+" 就是一个operator(运算符)，这个 "+" 让两个数字发生了一些互动（相加）。

有了词典里的概念铺垫后，我们继续往下分析，既然是一种操作或运算，那么在k8s中，是谁来操作？而被操作的对象又是什么呢？让我们来看一下OperatorFramework官网上对于Operator的解释:

WHAT IS AN OPERATOR AFTER ALL?
An Operator represents human operational knowledge in software, to reliably manage an application. They are methods of packaging, deploying, and managing a Kubernetes application.

从这个定义中，我们可以看到，这个operator是指由人发出的，对k8s应用(Kubernetes application)展开的操作。一般围绕应用的操作有哪些？部署、升级、扩缩容、卸载等等。我们可以先这样理解，operator应该就是一个类似控制器的东西，里面含有一些运维操作(后面会继续展开，其实不仅仅是这些)。

较真一点的读者可能会问，既然这样，这东西叫controller是不是会更贴切一点呢？事实上，问出这个问题的读者，和真相很接近了，每个operator基本都会有个控制器，但又不仅仅只有一个控制器，还会有前面提到过的资源定义: CRD (CustomResourceDefinition) 。每种自定义资源背后都会有一个或多个控制器，让这些资源看起来像活的一样，如下面的YAML样例：

这个叫Bob的人，生日和性别是不可变属性，无法修改；而位置是可以修改的，可以从家改到公司，但是改完之后会有一段时间处于不Ready的状态，因为他正在去上班的路上。去哪个公司上班呢，他在helloworld公司工作，所以他是去这家公司上班。

apiVersion: v1
kind: Human
metadata:
  name: Bob
spec:
  birth: 648489237
  sex: male
  location: home
  company: helloworld
status:
  - lastProbeTime: null
  lastTransitionTime: "2022-07-20T08:41:04Z"
  status: "True"
  type: Ready

通过上面这段YAML我们可以发现，当我们关注于对象终态的时候，我们就不太关注这个控制过程，这个Bob怎么去上班的，是开车还是地铁去的，其实我们并不关心。如果类比到普通的日常实践，也是这样：做一个应用的存储位置迁移，我们只需要设置这个应用新的存储位置，至于怎么迁移过去，是用网络命令传输过去的还是物理上用硬盘拷贝过去我们不关心，迁移过程中数据一致性我们也不关心，只知道会有operator把这些都给搞定。

所以，operator其实是一种架构理念，它区别于常见的shell等运维脚本方案：operator希望应用能够自己管理自己，而不是由运维人员写一堆脚本从外围来控制他们。不过，如果仅仅是这样，可能operator也只能叫controller了，只是一些自控制的逻辑而已。从最前面提到的operator的概念可以看出，operator能够让两种以上的资源产生一些互动关系，那么这是如何实现的呢？

我们继续用上面Human的例子再加个YAML：

这个helloworld公司也可以用一个资源对象来描述。如果我们把这个公司的isOpen改成true，这个company会有个控制器来遍历所有的Human资源，把spec.company="helloworld"的人(比如Bob)的location全改成公司，这样就会让每个公司的人都动起来，想各种办法来公司上班。

apiVersion: v1
kind: Company
metadata:
  name: helloworld
spec:
  startTime: 932488234
  isOpen: false

从上面的例子可以看出，每个控制器只负责自己的那部分，但从顶层往下看，已经实现了级联控制，能够实现牵一发而动全身的效果。这个就是上面所提到的operator的更深一层的机制：能够像运算符一样，让几种资源产生某种互动关系，一起协作完成一些复杂的工程动作。

3. 如何实现K8S Operator

不管是原生 YAML / Helm 还是 Kustomize，都是通过配置来搞定各类事情。然而 CRD + Operator 就不一样了，它们让你直接接入 apiserver，作为 K8S 的一部分监听所有你关心的对象，并通过代码进行状态维持及管理。因为 CRD 的开发是非常复杂的，除了业务逻辑之外，还需要做很多基础的工作，非常不便，所以有了 Operator 的开发框架（常见的有 KubeBuilder 和 Operator-SDK），让开发人员专注于 CRD 的业务代码开发。

我们可以来看一下operator的架构实现，这个有助于我们理解operator的工作原理:

虽然有了 KubeBuilder 或 Operator-SDK 开发框架，但 Operator 的开发在当前所有的几类组件托管方案当中仍然是最为复杂的。前前后后需要 CRD 设计及安装，编译 Operator 及部署到集群，最后再下发 CR，外围为了配套这些内容可能还需要上面 Helm 或 Kustomize 的协助，配合对应的 CICD 流程及工具。

Spark Operator

Spark Operator是大数据分布式系统在k8s场景一次经典的实践。原本Spark的作业提交是需要通过spark-submit命令，但有了Spark Operator之后，我们可以直接向k8s提交作业YAML，然后Spark Operator监听CR，将这一作业提交给控制器。实现了我们前文提到的，将作业资源放在k8s集群进行管理这一目标。

4. 大数据通用Operator设计与实践

上文讲述了operator实现的复杂性。不过，我们发现，越是这样复杂的应用，越是会有一些共通性：因为这些复杂应用基本都是分布式应用，只是在某些状态或部署顺序上的有些特殊需求。于是，我们针对这个现状，开发了一款通用的大数据Operator。

这个通用Operator的架构设计如下：

市面上常见的operator多由golang编写，而我们却另辟蹊径，鼓励用户无需编写代码，仅通过yaml来描述控制逻辑。具体而言，是按照感知/决策/执行这三大环节，对控制器的逻辑进行分解与编排设计。有了这几个环节的抽象辅助，用户在设计operator时能更具目的性，即便面对复杂场景，也能避免引入过多复杂逻辑流，尽可能以无状态的方式解决问题。

同时，我们还借鉴了前端框架React中的VirtualDOM的设计，在云原生场景下，引入了VirtualResource这样的一个概念。VirtualResource能够将云原生对象资源映射进行Operator的内存数据库中，让控制器能够用SQL语法快速查询和操作这些资源对象，简化Reconcile(调和)场景的逻辑复杂性。对照React框架中生命周期的概念，VirtualResource也存在生命周期的概念，用户能够控制在资源变化的不同阶段，追加一些自定义的运维描述动作。

我们在大量使用helm的情况下，发现golang template语法在进行模板渲染的时候，还是不够灵活。于是我们把整体架构栈切换到Python，采用jinja2进行控制器的语法渲染，同时我们也保留helm在渲染框架中，用户能够无缝切换两种渲染引擎。

这个通用Operator的控制器将原本需要golang编写的控制层逻辑，简化成使用 cmd(指令) + yaml(资源) 的方式进行描述。控制器的描述示例如下：通过helm将vvp这个应用的所有yaml下发，监听service的状态变化，同步更新ingress资源的状态。

default:
  def: crd.yaml
  deploy:
    - cmd: helm
      chart: vvp/vvp
      values: vvp/values.yaml
  maintain:
    - watch:
        category: ResourceDidChange
        kind: Service
        apiVersion: v1
      action:
        - cmd: kube-patch
          file: ingressUpdate.yaml

5. 总结

对于承载组件 (Component)这个概念而言，CRD+Operator 可以说是最为复杂的，但是又是最万能的，如果 Helm 或者 Kustomize 无法满足需求，Operator 基本上是唯一的选择。另一方面来说，CRD+Operator 一般又会和 Helm / Kustomize 相辅相成一起出现，最难搞的事情通过 Operator 与 apiserver 交互解决，剩下的胶水粘合，各种 YAML 拼接之类的交给 Helm / Kustomize 搞定。

同时，我们也可以看出，CRD+Operator是云原生演进时期的方案，特别适合原本非k8s的软件架构上k8s。那些原本就在k8s架构下出现的软件方案，会逐渐淡化Operator这个概念: 所有的工作负载都有能力和k8s apiserver交互。

对于承载SREWorks中的应用 (Application) 这个概念而言，Operator 是不合适的，无他，太复杂了。一般来说，Operator 只要管好自己这个独立功能在 K8S 中的生命周期就已经足够了。从目前的社区方向来看，Operator 不会作为一整个业务场景应用解决方案去裸提供，而是与 Helm / Kustomize / KubeVela / AppManager 等集成并作为一个整体 (组件 or 应用) 对外发布。

后续文章我们会分享更多的Kubernetes组件和应用管理工具，均会发布在我们的公众号“阿里智能运维”上，请大家持续关注～也欢迎大家在公众号后台留言想了解的内容和感兴趣的相关话题，与SREWorks团队进行交流。

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