Kubernetes 部署：全面指南
Kubernetes 是開發者社群中的熱門選擇,也是廣泛用於在叢集中執行 Docker 容器的平台。這個強大的平台提供了多種方法,讓您能夠部署和更新在容器中執行的應用程式,從而為各種情境提供高度的靈活性。在 Kubernetes 中,容器在 Pod 內執行,其部署則由 Kubernetes Deployment 來定義。這篇部落格文章將探討 Kubernetes Deployment、其類型、部署策略以及最佳實踐。
什麼是 Kubernetes 部署？
在 Kubernetes 中,Deployment 是一種資源物件,用於管理叢集內容器化應用程式的部署與生命週期。它負責為應用程式提供更新,確保隨時有足夠數量的相同 Pod 正在運行且可用。此外,它還為 Pod 和 ReplicaSet 提供宣告式更新。Deployment 是 Kubernetes 中用於自動化縮放、滾動更新和回滾的特點。
Deployment 是一種 Kubernetes 物件,用於指定 Pod 的期望狀態,並透過建立與管理 ReplicaSet 來確保此狀態得以維持。 複本集(ReplicaSet)直接管理 Pod,包括其狀態與數量。部署(Deployment)則告知 Kubernetes 如何修改或建立承載應用程式容器的 Pod 實例。Pod 部署的狀態會透過一份清單(manifest)來描述。
管理員可以高效地縮放複本 Pod 的數量,在高度可控的情況下執行更新後應用程式代碼的推出(rollout),並在需要時回滾至部署的早期版本。為了管理 Kubernetes 部署,管理員會使用命令列 kubectl 在 Linux 及其他受支援的作業系統上。每個透過 Deployment 建立的 Pod 都對應一個 ReplicaSet。而 ReplicaSet 則會指向建立該 ReplicaSet 的 Deployment。
Kubernetes 部署基礎知識
Kubernetes 部署(Deployments)旨在於叢集中部署及縮放容器化應用程式。部署提供了一種宣告式的方法,用以定義應用程式的預期狀態,並自動化達成及維持該狀態的流程。與 Kubernetes 部署相關的基本概念與元件包括:
Desired state. 部署定義了應用程式的預期狀態,例如 Pod 的複本數量、要使用的容器映像檔,以及分配給每個 Pod 的資源。Declarative configuration部署通常採用宣告式方法,管理員會在 JSON 或 YAML 檔案中指定系統狀態。雖然命令式方法允許管理員直接設定執行步驟,但 Kubernetes 的宣告式方法則讓管理員定義所需的結果,而 Kubernetes 會透過其內部機制來達成該目標。 Kubernetes 的部署控制器會監控節點與 Pod 的運作狀態。若發生即時變動(例如 Pod 發生故障),該 Pod 即可被替換。因此,Kubernetes 會即時監控叢集的狀態,並進行調整以符合預期狀態。ReplicaSet. 部署 (Deployment) 負責管理複本集 (ReplicaSet)。複本集會根據需要建立和刪除 Pod,以維持預期的複本數量。透過這種方式,Kubernetes 能確保在任何時刻,指定的 Pod 複本皆處於運行狀態。Rolling updates. 部署支援滾動更新,讓您能在不造成服務中斷的情況下更新應用程式。Kubernetes 會逐步以新 Pod 取代舊 Pod,這有助於確保在部署更新過程中,容器化應用程式始終保持可用狀態。Rollback. 若 Kubernetes 更新過程中發生問題,您可以將 Deployment 回滾至先前版本,將應用程式恢復至已知正常運作的狀態。
陳述式配置
在 Kubernetes 中,宣告式方法意味著您只需指定系統的期望狀態,Kubernetes 便會採取必要措施來達成並維持該狀態。 您透過配置檔(通常以 YAML 或 JSON 格式撰寫)描述最終目標,而 Kubernetes 會持續運作以確保實際狀態與期望狀態相符。
宣告式方法在 Kubernetes 中通常更受青睞,因為它能維持期望狀態的一致性、促進自動化,並支援更佳的協作與版本控制。命令式方法對於快速、臨時性的任務可能很有用,但較不適合管理複雜且長期的應用程式部署。
部署、Pod 和 ReplicaSet 如何協同運作
在 Kubernetes 中,Deployments、Pods 和 ReplicaSets 是密切相關的元件,共同負責管理應用程式的部署、縮放及生命週期。為了進行正確的配置,理解它們之間的關係,並了解它們在 Kubernetes 中如何協同運作,至關重要。
- A
PodPod 是 Kubernetes 叢集中最簡單且最小的物件,代表一個正在執行的程序的單一執行個體。一個 Pod 可以包含一個或多個容器,這些容器共享相同的儲存卷和網路命名空間。Pod 設計上具有短暫性,因為它們可以根據需要創建和銷毀,以符合由 Deployments 等更高階物件所指定的預期狀態。 - A
ReplicaSet確保在任何時刻都有指定數量的相同 Pod 正在運行。它負責管理 Pod 的建立與刪除,以維持所需的副本數量。每個 ReplicaSet 都會使用標籤選擇器來識別並管理其管轄下的 Pod,確保維持正確的 Pod 數量。雖然您可以直接建立和管理 ReplicaSet,但它們通常由 Deployment 來管理,因為 Deployment 提供了額外的功能性。 - A
Deployment是一種更高階的 Kubernetes 物件,用於管理 ReplicaSets 並為應用程式提供宣告式更新。如前所述,Deployments 允許管理員定義應用程式的所需狀態及其他設定。
當您建立或更新部署 (Deployment) 時,系統會自動建立一個新的複本集 (ReplicaSet),以根據定義的規格來管理 Pod。每次更新部署時,系統都會建立一個新的複本集來處理新版本的 Pod,而舊的複本集則會保留至新 Pod 成功推出為止。這確保了更新能在受控的方式下進行,並維持應用程式的可用性。
部署(Deployment)是透過其複本集(ReplicaSet)間接管理 Pod 的生命週期。透過在部署中定義期望狀態,您便指定了欲執行的 Pod 之特性與數量。隨後,部署會透過管理相應的複本集來確保此狀態,而複本集則負責管理 Pod。
因此,Pod 是執行容器的執行單元;ReplicaSet 確保有足夠數量的 Pod 正在運行;而 Deployment 則透過控制 ReplicaSet,為應用程式提供宣告式管理與更新機制。這種階層式結構確保您的應用程式具備可縮放性、韌性,且易於管理。Deployment 抽象化了直接管理 ReplicaSet 和 Pod 的複雜性,提供了一種處理應用程式更新與縮放的強大方式。
部署配置詳細資訊
在 Kubernetes 中使用 YAML 進行部署配置是一種常見做法,因為它具備易讀性和簡潔性。Kubernetes 同時支援 YAML 和 JSON 格式的配置檔案,但由於 YAML 具有更親人的語法,因此使用更為廣泛。
YAML(YAML Ain’t Markup Language)是一種既易於人類閱讀又易於編寫的資料序列化標準。 它常被用於配置檔案,以及不同資料結構的語言間進行資料交換。在 Kubernetes 中,YAML 用於定義各種物件的預期狀態,包括部署 (Deployments)、服務 (Services)、Pod 以及更多。
YAML 部署檔案的主要組成部分:
apiVersion用於指定 Kubernetes 物件的 API 版本(例如 apps/v1)。kind指定 Kubernetes 物件的類型(例如 Deployment)。metadata包含有關該物件的元資料,例如其名稱和標籤。spec(specification) 用於定義 Kubernetes 物件的預期狀態,包括:replicas指定要維持的 Pod 複本數量。selector指定如何識別由該部署所管理的 Pod。template定義 Pod 範本,包括 Pod 的元資料和規格。containers列出 Pod 內的容器,包括:name:容器的名稱image:要使用的 Docker 映像檔ports:需開放的端口
Kubernetes 部署配置語法中,YAML 與 JSON 的差異如下:
- YAML 更易於人類閱讀,採用縮排和鍵值對,且不使用大括號或方括號。
- JSON 採用了更為嚴格的結構,使用大括號 ({}) 和方括號 ([]),這使得複雜的設定較難閱讀。
在 Kubernetes 部署中,通常會優先選用 YAML。
YAML 部署範例
以下是一個採用 YAML 格式的 Kubernetes 部署範例,其中包含 Pod 和容器的詳細設定。
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
name: deployment-name
spec:
replicas: 3
selector:
matchLabels:
app: app-name
template:
metadata:
labels:
app: app-name
spec:
containers:
- name: container-name
image: image-name:1.0
ports:
- containerPort: 80
resources:
requests:
memory: "128Mi"
cpu: "250m"
limits:
memory: "256Mi"
cpu: "500m"
env:
- name: MY_ENV_VAR
value: "some-value"
volumeMounts:
- mountPath: "/path/volume"
name: volume-name
volumes:
- name: volume-name
persistentVolumeClaim:
claimName: pvc-name
讓我們詳細說明每個區段,以便更清楚地理解。透過設定這些區段,您可以在 Kubernetes 中建立一個穩健且可擴展的應用程式部署,確保您的 Pod 和容器能依照您的需求進行設定。
主要設定區段
1. 元資料
metadata:
name: deployment-name
地點:
name: 部署名稱
2. Spec(部署規格)
spec:
replicas: 3
selector:
matchLabels:
app: app-name
地點:
replicas: 需維持的 Pod 複本數量
selector: 定義如何透過標籤識別由部署所管理的 Pod
3. Pod 範本(Pod 規格)
template:
metadata:
labels:
app: app-name
spec:
containers:
- name: container-name
image: image-name:1.0
地點:
metadata: 標籤,用於識別豆莢
spec: Pod 及其容器的配置
設定容器
在此部分,您可以查看用於配置容器的 Deployment 的 YAML 區段。
1. 容器映像檔
image: image-name:1.0
地點:
image: 要使用的容器映像。其中可包含標籤(例如 1.0)以指定版本。
2. 埠號。
ports:
- containerPort: 80
地點:
containerPort: 容器將用來監聽流量的埠號
3. 資源請求與限制
resources:
requests:
memory: "128Mi"
cpu: "250m"
limits:
memory: "256Mi"
cpu: "500m"
地點:
requests: 所需的最低資源需求
limits: 容器可使用的最大資源
4. 環境變數
env:
- name: MY_ENV_VAR
value: "some-value"
地點:
env: 為容器定義環境變數
5. 卷掛載
volumeMounts:
- mountPath: "/path/volume"
name: volume-name
地點:
volumeMounts: 指定要在容器內掛載的卷
mountPath: 容器內用於掛載卷的路徑
設定儲存區
該 卷數 此區段負責設定磁區。
volumes:
- name: volume-name
persistentVolumeClaim:
claimName: pvc-name
地點:
volumes: 定義可供掛載的磁碟區
name: 卷名
persistentVolumeClaim: 指定用於該卷的 PersistentVolumeClaim (PVC)
進階設定
1. 存活與就緒探測
livenessProbe:
httpGet:
path: /healthz
port: 8080
initialDelaySeconds: 3
periodSeconds: 3
readinessProbe:
httpGet:
path: /ready
port: 8080
initialDelaySeconds: 5
periodSeconds: 10
地點:
livenessProbe: 檢查容器是否仍在運行
readinessProbe: 用於檢查當前容器是否已準備好接收流量
2. 指令與參數
command: ["my-command"]
args: ["arg1", "arg2"]
地點:
command: 覆寫容器的預設入口點
args: 指定命令的參數
3. ConfigMaps 與機密
envFrom:
- configMapRef:
name: my-configmap
- secretRef:
name: my-secret
地點:
envFrom: 從 ConfigMap 或 secret 匯入環境變數
Kubernetes 部署策略
Kubernetes 有多種部署策略(類型),您可以根據當前情境選擇最有效的方案。企業應用程式對運作時間和可用性有不同的需求。選擇正確的策略,不僅能避免系統停機和服務中斷,還能有效利用資源。以下列出最常見的 Kubernetes 部署類型。
滾動更新與回滾
滾動更新部署假設會從一個應用程式版本遷移至另一個版本,且會依照定義的順序升級至新版。系統會啟動一個搭載新版應用程式的 ReplicaSet,並終止舊版應用程式的複本。因此,舊版 Pod 將被新版 Pod 取代。滾動更新能讓系統從舊版平穩過渡至新版,但此操作需要一些時間才能完成。
重新建立部署
目前正在運行的 Pod 會被終止,然後使用新版本重新建立。這種部署策略常被用於 Kubernetes 開發環境,在該環境中,使用者活動通常不會造成問題。當舊的部署被關閉時,會產生停機時間;重新建立部署策略會啟動新的部署實例,並重新建立 Pod 以及應用程式的狀態。
藍綠部署
藍綠部署是 Kubernetes 中更新應用程式的另一種方式,但具有快速切換的特點。Kubernetes 藍綠部署假設同時運行兩個環境:舊版本(藍)和新版本(綠)。這兩者會以"並行"或平行方式部署。 一旦新版本經過測試並確認運作正常(符合設計預期),便會透過更新 Service Selector 來替換版本標籤。此操作針對的是在叢集中執行負載平衡的 Kubernetes Service 物件。完成後,流量將立即切換至新版本。
Kubernetes 的藍綠部署策略讓管理員能夠快速推出新版本,同時避免因版本轉換所引發的問題。 請注意,由於兩個環境會在一段時間內並行運行,因此資源利用率會較高。
Canary 部署
Kubernetes 的金絲雀部署(Canary deployment)假設僅將一小部分使用者導向容器化應用程式的新版本。新版本會運行於比先前版本更小的 Pod 子集上,而先前版本則在此之前持續運行。金絲雀部署的主要目的是在生產環境中測試新應用程式版本的功能性。 若新版本未出現錯誤,系統管理員便會縮放新版本的規模,並按適當順序逐步替換舊版本。
若在新版本部署給小部分使用者後發生問題,系統管理員可將金絲雀部署回滾至舊版本。其優勢在於能針對小規模使用者群組測試新功能性,同時避免對整體系統運作造成負面影響的風險。
Kubernetes 重新建立部署
使用"重新建立部署"時,所有 Pod 都會被終止,並替換為新版本。當舊版與新版無法同時運行時,可採用此策略。停機時間取決於關閉舊應用程式並在容器中啟動新應用程式所需的時間。完成後,應用程式的狀態將完全更新。
縮放與管理
對 Kubernetes Deployment 進行縮放與管理,對於確保您的容器化應用程式能夠應對各種工作負載並維持高可用性至關重要。Kubernetes 提供了強大的手動與自動縮放機制,以及用於高效管理 Deployment 的工具。
手動縮放
手動縮放是用來透過 kubectl 命令列工具。
- 擴大規模:
kubectl scale deployment deployment-name --replicas=10此指令將 my-deployment 的複本數量增加至 10。
- 縮放規模:
kubectl scale deployment deployment-name --replicas=2此指令將 my-deployment 的複本數量減少至 2。
水平匣式自動擴展器 (HPA)
水平 Pod 自動擴展器 (HPA) 會根據觀察到的 CPU 使用率或其他特定指標,自動調整 Pod 複本的數量。
- 建立 HPA 的指令如下:
kubectl autoscale deployment deployment-name --cpu-percent=50 --min=2 --max=10此指令用於設定一個 HPA 給
deployment-name將 CPU 使用率維持在約 50%,並在 2 至 10 個複本之間進行縮放。 - 使用 YAML 進行 HPA 配置是一種更進階的方法。以下將說明一個用於水平自動擴展的 YAML 部署配置範例。
apiVersion: autoscaling/v1kind: HorizontalPodAutoscalermetadata:name: deployment-hpa-namespec:scaleTargetRef:apiVersion: apps/v1kind: Deploymentname: deployment-nameminReplicas: 2maxReplicas: 10targetCPUUtilizationPercentage: 50請使用以下指令套用 YAML 設定:
ubectl apply -f hpa.yaml
垂直匣式自動擴展器 (VPA)
垂直 Pod 自動擴展器 (VPA) 會自動調整 Pod 的資源請求與限制,使其符合實際使用情況。VPA 的 YAML 配置如下:
apiVersion: autoscaling.k8s.io/v1
kind: VerticalPodAutoscaler
metadata:
name: deployment-vpa-name
spec:
targetRef:
apiVersion: "apps/v1"
kind: Deployment
name: deployment-name
updatePolicy:
updateMode: "Auto"
若要套用 YAML 設定,請使用以下指令:
kubectl apply -f vpa.yaml
Kubernetes 部署的最佳實踐
正確配置 Kubernetes Deployment 可確保建立一個成功且可靠的環境,用於執行容器化應用程式。若配置不當或採用錯誤的部署管理策略,可能會導致系統停機、資料遺失等問題。遵循 Kubernetes Deployment 的最佳實踐,有助於確保您的應用程式具備韌性、可擴展性及可維護性。
Use declarative configuration. 請將您的 Kubernetes 設定儲存於採用版本控制的 YAML/JSON 格式檔案中。這樣一來,不僅能更輕鬆地管理變更,必要時也能輕鬆還原。請使用kubectl apply -f應用這些設定,因為這能實現冪等操作,確保叢集的狀態與設定檔相符。Use namespace isolation. 使用命名空間來邏輯性地隔離不同的環境(例如開發、測試、生產環境)和團隊。這有助於更有效地管理資源和權限。Resource requests and limits. 為您的 Pod 定義資源請求與限制,以確保它們擁有必要的資源,並避免資源爭用。Liveness and readiness probes. 設定存活探測器以重新啟動狀態異常的容器,並設定就緒探測器以控制流向容器的流量。Use labels and selectors用於整理和篩選資源。標籤可用於依應用程式、環境、版本等條件將資源進行分組。Use ConfigMaps and secrets. 將非敏感的配置資料儲存於 ConfigMaps 中。將敏感資料(包括密碼和 API 金鑰)儲存於 Secrets 中。Monitor and log your environment. 運用 Grafana 和 Prometheus 等工具進行監控,以檢查容器化應用程式的效能與運作狀態。使用 ELK 堆疊(Elasticsearch、Logstash、Kibana)或 Fluentd 等集中式日誌解決方案來收集並分析日誌。Follow security best practices. 實施 Pod 安全政策,以在您的 Pod 上強制執行安全標準。針對 Kubernetes 部署使用網路政策,以控制 Pod 之間的流量。Prepare for backups and disaster recovery. 請定期備份您的 Kubernetes 資源和持久化資料。規劃並測試災難還原策略,以確保在發生故障時,能夠迅速恢復應用程式和服務。
結論
Kubernetes 部署(Deployments)在管理 Kubernetes 叢集內應用程式的生命週期方面扮演著關鍵角色。它們提供了一種宣告式的方法來定義應用程式的預期狀態,包括複本數量、容器映像檔以及配置設定。 透過編排 ReplicaSets,Deployments 能確保指定數量的 Pod 持續運行,並以受控且無縫的方式自動處理更新與回滾作業。這為應用程式帶來更強大的可擴展性、韌性及管理便利性,使 Kubernetes Deployments 成為現代應用程式部署與運維不可或缺的工具。
