Kubernetes 入門

自動化容器化應用程式和服務的部署、擴展和管理

Published in

Java Magazine 翻譯系列

21 min readMay 15, 2024

Translated from “Getting Started with Kubernetes”, Jesse Butler, Java Magazine May/June 2019. Copyright Oracle Corporation.

如今，單體應用程式被視為一種反模式。對於多數使用案例，雲端是首選的布署平台。這兩項變化遠遠不僅是在別人的電腦上啟動虛擬機器，有效利用雲端的力量與擴展性，意味著要離開過去的單體架構，採用新的架構與開發實踐。

微服務架構是當前在雲端交付應用程式與服務的標準 [譯註：提醒一下，這是 2019 年的文章，微服務在多年後是否還是首選，個人覺得是未定論]，應用程式被拆成鬆散耦合的獨立程序，有個自的職責。採用此架構，團隊可更獨立的工作 —— 推動各自的功能 —— 不用與整個組織的路線圖綁住。此外，獨立的軟體元件，測試可以簡化，更流暢地布署。

採用微服務帶來一系列的挑戰。建立與布署幾個服務到虛擬機器是第一步，但你如何管理完整的軟體生命週期？這個需求驅動容器的採用，使用容器解決微服務的幾個問題如下：

應用程式與主機環境脫鉤，提供更好的可攜性。
容器輕量且相對透明，提升可擴展性。
軟體與其相依打包在一起。

鑒於這些優點，容器是打包和布署微服務的絕佳選擇，但容器不是魔術，本質上，它們仍是軟體，你需要一個方法大規模地布署、管理和維護你的容器。曾經，開發人員只有一個單體需要監控與維護，現在，可能有數十甚至上百個服務，這時輪到 Kubernetes 上場。

Kubernetes 是個開源平台用於自動化布署、擴產和管理容器化的應用程式及服務。它是為了解決 Google 在布署和管理大量容器遇到的挑戰而生的，開源並捐贈給 Cloud Native Computing Foundation (CNCF)，該基金會促進雲端原生運算的生態系，並成為史上最快速發展的開源專案之一，Kubernetes 目前有超過 2,300 名貢獻者，並被大大小小的公司採用，包含 Fortune 100 半數的公司。

開始使用 Kubernetes

如何開始？Kubernetes 有一個龐大的生態系，許多支援的專案圍繞著它。這場景可能讓人卻步，尋求簡單問題的答案可能讓你困惑，容易讓你覺得遠遠落後。然而，開始的幾步是簡單的，然後隨著你的需要，進一步探索。在這文章中，我將示範如何：

設定 Docker 和 Kubernetes 的本地開發環境
用 Helidon 建立簡單的 Java 微服務
用 Docker 將微服務變成容器映像檔
在本地 Kubernetes 叢集中布署微服務
在叢集中擴展與縮減微服務

你需要在本地安裝一些工具來進行本教學：

Docker 18.02 或更新版本
Kubernetes 1.7.4 或更新版本
JDK 8 或更新版本
Maven 3.5 或更新版本

你可以在 macOS、Linux 或 Windows 上安裝這些需求的最新版本。

如果你還沒有安裝 Docker，參閱《Getting Started with Docker guide》按照你的平台指示進行安裝，你需要熟悉 Docker 的基礎操作。

你可使用任何已有的 Kubernetes 叢集，但本文接下來使用 Minikube，Minikube 在本地虛擬機器上執行單一節點的 Kubernetes，足夠讓你開始使用，如果你沒有安裝 Minikube，參閱Minikube 安裝文件。

在 Kubernetes 中，服務是個抽象層，定義存取一個 pod 或一組 pods 的方式。

現在，你的 Docker 已經準備好，並且能 Minikube 啟動本地 Kubernetes 叢集，你需要一個範例微服務進行操作，受 Java Magazine 三四月號微服務框架關於 Helidon 文章的啟發 [譯註：這期介紹了很多新框架，想試試 Spring 以外的框架，可以參考這期的文章，過去雙月刊的每一期都有一個主題，個人是蠻喜歡的，現在 Java Magazine 沒有雙月刊的概念了，文章的更新更快但少了點雜誌的味道]，在這教學裡，使用 Helidon 建立一個簡單的微服務。

建立一個基本的微服務

要快速使用 Helidon，使用 Helidon 快速入門的 Maven 原型建立新專案，以下步驟替你建立並啟動一個簡單的入門專案：

$ mvn archetype:generate -DinteractiveMode=false \
    -DarchetypeGroupId=io.helidon.archetypes \
    -DarchetypeArtifactId=helidon-quickstart-se \
    -DarchetypeVersion=1.0.1 \
    -DgroupId=io.helidon.examples \
    -DartifactId=helidon-quickstart-se \
    -Dpackage=io.helidon.examples.quickstart.se

移動到 helidon-quickstart-se 目錄，然後建置服務：

$ cd helidon-quickstart-se
$ mvn package

就這樣，現在，你有個可運行的微服務範例，這專案會為你的範例微服務建置一個應用程式 JAR 檔案，執行它並確認一切運作正常：

$ java -jar ./target/helidon-quickstart-se.jar
[DEBUG] (main) Using Console logging
2019.03.20 12:52:46 INFO io.helidon.webserver.NettyWebServer     Thread[nioEventLoopGroup-2-1,10,main]: Channel '@default' 
started: [id: 0xbdfca94d, L:/0:0:0:0:0:0:0:0:8080]
WEB server is up! http://localhost:8080/greet

在另一個終端使用 curl 測試服務的功能：

$ curl -X GET http://localhost:8080/greet
{"message":"Hello World!"}
$ curl -X GET http://localhost:8080/greet/Mary
{"message":"Hello Mary!"}
$ curl -X PUT -H "Content-Type: application/json" -d '{"greeting" : "Hola"}'  /
http://localhost:8080/greet/greeting
$ curl -X GET http://localhost:8080/greet/Maria
{"message":"Hola Maria!"}

這不是一個有趣的服務，但可作為建立容器的範例，在繼續 Kubernetes 之前，先為你的微服務建立 Docker 映像檔。Helidon 有提供範例 Dockerfile，可透過以下方式簡單地建立映像檔：

docker build -t helidon-quickstart-se target

現在，你可以看 Kubernetes 能為你做什麼了。

邁向 Kubernetes

有 Docker，你可以建立容器應像檔，建立容器，管理本地的映像檔與容器。當需要布署容器到正式環境並規模化，Kubernetes 就派上用場了。

在 Kubernetes 中，容器被布署在稱為 pods 的相關容器組中。一個 pod 是一個布署單位，可能包含一個或多個容器。例如，一個 pod 可能包含兩個容器：一個運行網頁伺服器，一個為伺服器提供日誌服務。稍後，你將為你的微服務建立一個 pod，只有一個容器，即你的 helidon-quickstart-se 映像檔的實體。

我們感謝讀者 Deepak Vohra 對這段的更正。

Kubernetes 的一個角色，是確保你的應用服務正常運行，你透過定義一個 deployment [譯註：和 pod 一樣，Kubernetes 專屬的術語不翻譯]，描述什麼該被執行與監控，Kubernetes 會監控一個 deployment 中，pods 的健康狀態，當它們失敗或沒有反應，必要時，會重新布署 pods。

讓我們從在本地 Kubernetes 叢集測試一個簡單的範例開始。首先，啟動本地的叢集，使用 minikube start 指令，這指令提供運行的狀態，會等待完成的訊息後再繼續。

$ minikube start
  minikube v0.35.0 on darwin (amd64)
  ...
  Done! Thank you for using minikube!

Minikube 的安裝中包含 kubectl，是與 Kubernetes 互動的主要介面，和 Docker 用戶端類似，是個多用途的強大工具，提供與叢集及布署其中的容器進行全方面的互動。

用 kubectl create 建立一個帶有預先準備的 hello world 範例的 deployment，接著，使用 kubectl get pods 顯示你的 deployment 與其中的 pods，你會看到類似以下的內容：

$ kubectl create deployment hello-node \
  --image=gcr.io/hello-minikube-zero-install/hello
deployment.apps/hello-node created
$ kubectl get deployments
NAME         READY   UP-TO-DATE   AVAILABLE   AGE
hello-node   0/1     1            0           27s
$ kubectl get pods
NAME                          READY   STATUS    RESTARTS   AGE
hello-node-64c578bdf8-5b7jm   1/1     Running   0          10m

預設情況下，Kubernetes 會為一個 pod 配置一個內部 IP 地址，只許叢集內存取，為了讓外部可存取在 pod 裡運行的容器，你需要將 pod 公開成一個 service [譯註：一樣，保留專有名詞不翻譯]。在 Kubernetes 中，service 一個抽象層，定義存取單一個 pod 或是一組 pods 的方法。

建立一個簡單的 service：LoadBalancer，這允許外部透過負載平衡器存取 service。

[編按：為符合頁寬，輸出的部分欄位被忽略了，後續的輸出也是如此。]

$ kubectl expose deployment hello-node --type=LoadBalancer --port=8080 
service/hello-node exposed
$ kubectl get services
NAME         TYPE          CLUSTER-IP      EXTERNAL-IP PORT(S)       
hello-node   LoadBalancer  10.104.108.47   <pending>   8080:30631/TCP
kubernetes   ClusterIP     10.96.0.1       <none>      443/TCP       
</none></pending>

在雲端供應商或其他 Kubernetes 託管平台上，這動作會分配一個負載平衡器，其 IP 地址會顯示在 EXTERNAL-IP 欄中，在 Minikube，使用 service 指令，會開啟瀏覽器並展示 service 正在運作中：

$ minikube service hello-node

當你的測試完成後，可以卸載並清除這些東西，要做到這點，請用 kubectl delete 指令：

$ kubectl delete service hello-node
service "hello-node" deleted
$ kubectl delete deployment hello-node
deployment.extensions "hello-node" deleted

現在，你有一個本地的 Kubernetes 叢集，也知道它如何運作，該是把你自己的映像檔放到裡面運行了。

布署到 Kubernetes

前一節，你用 kubectl create 的參數建立一個簡單的 deployment。通常，你需要更詳細地描述 deployment，為此，你可以給 kubectl 一個 YAML 檔案。這一步讓你能定義 Kubernetes deployments 的各個面向，用 YAML 定義 deployment 的另一個好處是這些文件能與你的原始碼一起版本控管。

Helidon 的起始專案，在 target/app.yaml 中，包含 deployment 和 service 的樣板配置，用你喜好的編輯器打開這個檔案，看一下裡面的內容：

$ cat target/app.yaml
kind: Service
apiVersion: v1
metadata:
  name: helidon-quickstart-se
  labels:
    app: helidon-quickstart-se
spec:
  type: NodePort
  selector:
    app: helidon-quickstart-se
  ports:
  - port: 8080
    targetPort: 8080
    name: http
---
kind: Deployment
apiVersion: extensions/v1beta1
metadata:
  name: helidon-quickstart-se
spec:
  replicas: 1
  template:
    metadata:
      labels:
        app: helidon-quickstart-se
        version: v1
    spec:
      containers:
      - name: helidon-quickstart-se
        image: helidon-quickstart-se
        imagePullPolicy: IfNotPresent
        ports:
        - containerPort: 8080
---

起初，這內容看起來像是一堆 metadata，但仔細閱讀，你會看到它定義一個 deployment，要包含一個有 helidon-quickstart-se 容器的 pod，以及定義一個 service，讓外部可以存取。注意，service 使用 app 這個名字與 deployment 的標籤 app 一樣。

注意，deployment 規範中，映像檔名稱使用本地的映像檔名稱：helidon-quickstart-se。當你布署到 Kubernetes 時，它會優先從本地尋找該映像檔。你使用本地映像檔，在你本地機器上執行的 Docker 內運行。但問題是 Minikube 是在虛擬機器中運行自己的 Docker，稍早建立的映像檔在那裡是找不到的。

Minikube 有個方便的解法：docker-env 指令。這指令會顯示終端的環境變數，指示 Docker 客戶端使用 Minikube 運行的 Docker 伺服器。在 Linux、UNIX 或 Mac 上，用 eval 呼叫該指令 (請參考文件取得 Windows 上等價的操作)，會將變數設定到你目前終端的環境變數中。

$ eval $(minikube docker-env)

現在，當你執行 docker，它將連接到 Minikube 虛擬機器中的 Docker，注意，這配置只在你目前的終端有效，不是一個永久的修改。

現在和之前一樣，你可以建立映像檔，但這次，會在 Minikube 的虛擬機器裡建置，映像檔也會存於其中：

$ docker build -t helidon-quickstart-se target
Sending build context to Docker daemon  5.877MB
Step 1/5 : FROM openjdk:8-jre-slim
8-jre-slim: Pulling from library/openjdk
f7e2b70d04ae: Pull complete
05d40fc3cf34: Pull complete
b235bdb95dc9: Pull complete
9a9ecf5ba38f: Pull complete
91327716c461: Pull complete
Digest: sha256:...
Status: Downloaded newer image for openjdk:8-jre-slim
 ---> bafe4a0f3a02
Step 2/5 : RUN mkdir /app
 ---> Running in ec2d3dad6e73
Removing intermediate container ec2d3dad6e73
 ---> a091fb56d8c5
Step 3/5 : COPY libs /app/libs
 ---> a8a9ec8475ac
Step 4/5 : COPY helidon-quickstart-se.jar /app
 ---> b49c72bbfa4c
Step 5/5 : CMD ["java", "-jar", "/app/helidon-quickstart-se.jar"]
 ---> Running in 4a332d65a10d
Removing intermediate container 4a332d65a10d
 ---> 248aaf1a5246
Successfully built 248aaf1a5246
Successfully tagged helidon-quickstart-se:latest

當映像檔在本地的 Kubernetes 叢集中建置完成，你可建立你的 deployment 和 service：

$ kubectl create -f target/app.yaml
service/helidon-quickstart-se created
deployment.extensions/helidon-quickstart-se created

$ kubectl get pods
NAME                                     READY   STATUS    RESTARTS
helidon-quickstart-se-786bd599ff-n874p   1/1     Running   0       
$ kubectl get service
NAME             TYPE       CLUSTER-IP    EXTERNAL-IP PORT(S)     
helidon-quick... NodePort   10.100.20.26  <none>      8080:31803/TCP
kubernetes       ClusterIP  10.96.0.1     <none>      443/TCP        
</none></none>

在測試你新布署的 Kubernetes service 前，有一件事要注意，稍早，你建立的 service 類型是 LoadBalancer。由於配置在一個負載平衡器，你能用外部 IP 位置存取 pod，這提供外部存取在你叢集中運行的 service 的其中一種類型，另一個類型是這個 service 使用的 NodePort，一個 node port 將 service 公開到一個叢集中所有節點都映射過的通訊埠上。

Minikube 再次提供一個方便的指令，你可以用 service 指令，這次，加上 -- url 參數取得能存取 service 的網址。使用這指令然後用回傳的網址測試你的 service：

$ minikube service helidon-quickstart-se –url
http://192.168.99.101:31803
$ curl -X GET http://192.168.99.101:31803/greet
{"message":"Hello World!"}

你現在已經布署一個微服務到 Kubernetes，太棒了，在你離開要用容器做些驚人之舉前，讓我們再瞭解一些基礎。

關心進行中的事物

當你用命令列啟動你的 service，你會看到網頁伺服器啟動的輸出，這輸出同樣會被容器捕捉，可以透過 kubectl logs 指令查看。如果事情不如預期地運作，這是首先檢查問題的好地方。

$ kubectl logs helidon-quickstart-se-786bd599ff-n874p
[DEBUG] (main) Using Console logging
2019.03.23 01:00:53 INFO io.helidon.webserver.NettyWebServer 
  Thread[nioEventLoopGroup-2-1,10,main]: Channel '@default' 
  started: [id: 0x9f01de18, L:/0.0.0.0:8080]
WEB server is up! http://localhost:8080/greet

當你用本地叢集進行布署，這指令特別有用。在大規模情況下，有許多方式可以收集、儲存和利用日誌資料。開源專案或全自動化的商業解決方案都有，線上搜尋能找到許多選項。

按需擴展

假設你的 service 是應用程式的一環，負責對使用者說 Hello，你的團隊預期明天會有個尖峰用量，因此，你將擴展你的 service 以處理更多使用者的請求。擴展或縮減 deployments 的數量是 Kubernetes 的核心功能。要擴展，只需簡單地在 deployment 規範中指定副本的數量，然後用 kubectl apply 套用變更。

現在，編輯你的 target/app.yaml 檔案，然後套用變更。先將副本的數量從 1 增加到 5。

$ grep replicas target/app.yaml
replicas: 5
$ kubectl apply -f target/app.yaml
service/helidon-quickstart-se unchanged
deployment.extensions/helidon-quickstart-se configured

你應該會看之前只有一個，現在有布署五個 pods，注意，因為 Kubernetes 的配置是宣告式的，只有提交變動的部分到叢集中，因此，四個新的 pods 被加到 deployment 中。

$ kubectl get pods

NAME                                     READY   STATUS    RESTARTS
helidon-quickstart-se-786bd599ff-5gm29   1/1     Running   0       
helidon-quickstart-se-786bd599ff-fkg8g   1/1     Running   0       
helidon-quickstart-se-786bd599ff-g7945   1/1     Running   0       
helidon-quickstart-se-786bd599ff-h6c5n   1/1     Running   0       
helidon-quickstart-se-786bd599ff-n874p   1/1     Running   0

同樣，你可輕易縮減 deployment，再次編輯你的 deployment 規範，然後套用變更：

$ grep replicas target/app.yaml
replicas: 2
$ kubectl apply -f target/app.yaml
service/helidon-quickstart-se unchanged
deployment.extensions/helidon-quickstart-se configured
$ kubectl get pods
NAME                                     READY   STATUS    RESTARTS
helidon-quickstart-se-786bd599ff-h6c5n   1/1     Running   0       
helidon-quickstart-se-786bd599ff-n874p   1/1     Running   0

Kubernetes 有更進階的擴展功能，例如 Horizontal Pod Autoscaler，以及雲端託管平台提供的按需擴展功能。

後續

雖然超出本文範圍，現在，有許多 Kubernetes 進階功能你可以去掌握，Kubernetes 官方文件是很好的起點。

在完成對 service 的操作後，你可以用 kubectl delete，將它從你的叢集中移除：

$ kubectl delete service helidon-quickstart-se
service "helidon-quickstart-se" deleted
$ kubectl delete deployment helidon-quickstart-se
deployment.extensions "helidon-quickstart-se" deleted

除了豐富的文件外 [譯註：確實豐富，但個人是覺得很雜亂，不算是好理解的文件]，有幾個免費的線上培訓選項可以利用。Kubernetes 社群歡迎且樂於助人。此外，Kubernetes 的 Slack 頻道是學習、交流與支援的絕佳來源。在 GitHub 專案，總是歡迎問題與提交 pull requests。

結論

容器為布署微服務提供的強大抽象，允許解耦你的服務與主機環境，讓它可攜與可擴展，如你在這簡短的介紹中所見，Kubernetes 可大規模管理容器。

當然，這些範例只是開始，深入研究文件，學習更多進階概念，歡迎來到 Kubernetes 開發！

譯者的告白

總算是把當初選的，有關 Java 和雲端的文章都翻譯完了，後續會不會再有相關的翻譯就再看吧！前面有提到 2019 的三四月刊，有介紹許多針對微服務或是 RESTful 開發的新框架，但老實說，個人覺得差異不大，經過這麼多年，Spring framework 也做了許多調整，目前依舊是主流，所以應該不會去翻譯那些介紹框架的文章。