Step by Step!Kubernetes持续部署指南


本文是作者通过亲身实践,从零基础开始,一步一步总结出来的Kubernetes持续部署工作流程。文章从前期的工具准备开始,到复刻存储库、测试、构建镜像、构建流水线最后进行部署,所有的工作流程都一一展现在文章中,对于想要拥有全自动持续交付流水线的用户将有很大的借鉴意义。



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在很久很久以前的一份工作中,我的任务是将老式的LAMP堆栈切换到Kubernetes上。那会儿我的老板总是追逐新技术,认为只需要几天时间就能够完成新旧技术的迭代——鉴于那时我们甚至对容器的工作机制一无所知,所以不得不说老板的想法真的很大胆。

在阅读了官方文档并且搜索了很多信息之后,我们开始感到不知所措——有许多新的概念需要学习:pod、容器以及replica等。对我而言,Kubernetes似乎只是为一群聪明的开发者而设计的。

然后我做了我在这一状况下常做的事:通过实践来学习。通过一个简单的例子可以很好地理解错综复杂的问题,所以我自己一步一步完成了整个部署过程。

最后,我们做到了,虽然远未达到规定的一周时间——我们花了将近一个月的时间来创建三个集群,包括它们的开发、测试和生产。

本文我将详细介绍如何将应用程序部署到Kubernetes。阅读完本文之后,你将拥有一个高效的Kubernetes部署和持续交付工作流程。

持续集成与交付

持续集成是在每次应用程序更新时构建和测试的实践。通过以少量的工作,更早地检测到错误并立即解决。

集成完成并且所有测试都通过之后,我们就能够添加持续交付到自动化发布和部署的流程中。使用CI/CD的项目可以更频繁、更可靠地发布。

我们将使用Semaphore,这是一个快速、强大且易用地持续集成和交付(CI/CD)平台,它能够自动执行所有流程:

1、 安装项目依赖项

2、 运行单元测试

3、 构建一个Docker镜像

4、 Push镜像到Docker Hub

5、 一键Kubernetes部署

对于应用程序,我们有一个Ruby Sinatra微服务,它暴露一些HTTP端点。该项目已包含部署所需的所有内容,但仍需要一些组件。

准备工作

在开始操作之前,你需要登录Github和Semaphore账号。此外,为后续方便拉取或push Docker镜像,你需要登录Docker Hub。

接下来,你需要在计算机上安装一些工具:

  • Git:处理代码

  • curl:网络的“瑞士军刀”

  • kubectl:远程控制你的集群


当然,千万不要忘了Kubernetes。大部分的云供应商都以各种形式提供此服务,选择适合你的需求的即可。最低端的机器配置和集群大小足以运行我们示例的app。我喜欢从3个节点的集群开始,但你可以只用1个节点的集群。

集群准备好之后,从你的供应商中下载kubeconfig文件。有些允许你直接从其web控制台下载,有些则需要帮助程序。我们需要此文件才能连接到集群。

有了这个,我们已经可以开始了。首先要做的是fork存储库。

Fork存储库

在这篇文章中fork我们将使用的演示应用程序。

  1. 访问semaphore-demo-ruby-kubernetes存储库,并且点击右上方的Fork按钮

  2. 点击Clone or download按钮并且复制地址

  3. 复制存储库:$ git clone https://github.com/your_repository_path


使用Semaphore连接新的存储库

1、 登录到你的Semaphore

2、 点击侧边栏的链接,创建一个新项目

3、 点击你的存储库旁【Add Repository】按钮

使用Semaphore测试

持续集成让测试变得有趣并且高效。一个完善的CI 流水线能够创建一个快速反馈回路以在造成任何损失之前发现错误。我们的项目附带一些现成的测试。

打开位于.semaphore/semaphore.yml的初始流水线文件,并快速查看。这个流水线描述了Semaphore构建和测试应用程序所应遵循的所有步骤。它从版本和名称开始。
version: v1.0
name: CI


接下来是agent,它是为job提供动力的虚拟机。我们可以从3种类型中选择:
agent:
machine:
type: e1-standard-2
os_image: ubuntu1804


Block(块)、任务以及job定义了在流水线的每个步骤中要执行的操作。在Semaphore,block按照顺序运行,与此同时,在block中的job也会并行运行。流水线包含2个block,一个是用于库安装,一个用于运行测试。



第一个block下载并安装了Ruby gems。
- name: Install dependencies
task:
jobs:
  - name: bundle install
    commands:
      - checkout
      - cache restore gems-$SEMAPHORE_GIT_BRANCH-$(checksum Gemfile.lock),gems-$SEMAPHORE_GIT_BRANCH,gems-master
      - bundle install --deployment --path .bundle
      - cache store gems-$SEMAPHORE_GIT_BRANCH-$(checksum Gemfile.lock) .bundle


Checkout复制了Github里的代码。既然每个job都在完全隔离的机器里运行,那么我们必须依赖缓存(cache)来在job运行之间存储和检索文件。
blocks:
- name: Install dependencies
task:
  jobs:
    - name: bundle install
      commands:
        - checkout
        - cache restore gems-$SEMAPHORE_GIT_BRANCH-$(checksum Gemfile.lock),gems-$SEMAPHORE_GIT_BRANCH,gems-master
        - bundle install --deployment --path .bundle
        - cache store gems-$SEMAPHORE_GIT_BRANCH-$(checksum Gemfile.lock) .bundle


第二个block进行测试。请注意我们重复使用了checkout和cache的代码以将初始文件放入job中。最后一个命令用于启动RSpec测试套件。
- name: Tests
task:
jobs:
  - name: rspec
    commands:
      - checkout
      - cache restore gems-$SEMAPHORE_GIT_BRANCH-$(checksum Gemfile.lock),gems-$SEMAPHORE_GIT_BRANCH,gems-master
      - bundle install --deployment --path .bundle
      - bundle exec rspec


最后一个部分我们来看看Promotion。Promotion能够在一定条件下连接流水线以创建复杂的工作流程。所有job完成之后,我们使用 auto_promote_on来启动下一个流水线。
promotions:
- name: Dockerize
pipeline_file: docker-build.yml
auto_promote_on:
  - result: passed


工作流程继续执行下一个流水线。

构建Docker镜像

我们可以在Kubernetes上运行任何东西,只要它打包在Docker镜像中。在这一部分,我们将学习如何构建镜像。

我们的Docker镜像将包含应用程序的代码、Ruby以及所有的库。让我们先来看一下Dockerfile:
FROM ruby:2.5

RUN apt-get update -qq && apt-get install -y build-essential

ENV APP_HOME /app
RUN mkdir $APP_HOME
WORKDIR $APP_HOME

ADD Gemfile* $APP_HOME/
RUN bundle install --without development test

ADD . $APP_HOME

EXPOSE 4567

CMD ["bundle", "exec", "rackup", "--host", "0.0.0.0", "-p", "4567"]


Dockerfile就像一个详细的菜谱,包含所有构建容器镜像所需要的步骤和命令:

1、 从预构建的ruby镜像开始

2、 使用apt-get安装构建工具

3、 复制Gemfile,因为它具有所有的依赖项

4、 用bundle安装它们

5、 复制app的源代码

6、 定义监听端口和启动命令

我们将在Semaphore环境中bake我们的生产镜像。然而,如果你想要在计算机上进行一个快速的测试,那么请输入:
$ docker build . -t test-image


使用Docker运行和暴露内部端口4567以在本地启动服务器:
$ docker run -p 4567:4567 test-image


你现在可以测试一个可用的HTTP端点:
$ curl -w "\n" localhost:4567
hello world :))


添加Docker Hub账户到Semaphore

Semaphore有一个安全的机制以存储敏感信息,如密码、令牌或密钥等。为了能够push镜像到你的Docker Hub镜像仓库中,你需要使用你的用户名和密码来创建一个Secret:

  1. 打开你的Semaphore

  2. 在左侧导航栏中,点击【Secret】

  3. 点击【Creat New Secret】

  4. Secret的名字应该是Dockerhub,键入登录信息(如下图所示),并保存。




构建Docker流水线

这个流水线开始构建并且push镜像到Docker Hub,它仅仅有1个block和1个job:



这次,我们需要使用更好的性能,因为Docker往往更加耗费资源。我们选择具有四个CPU,8GB RAM和35GB磁盘空间的中端机器e1-standard-4:
version: v1.0
name: Docker build
agent:
machine:
type: e1-standard-4
os_image: ubuntu1804


构建block通过登录到Docker Hub启动,用户名和密码可以从我们刚创建的secret导入。登录之后,Docker可以直接访问镜像仓库。

下一个命令是docker pull,它试图拉取最新镜像。如果找到镜像,那么Docker可能能够重新使用其中的一些层,以加速构建过程。如果没有最新镜像,也无需担心,只是需要花费长一点的时间来构建。

最后,我们push新的镜像。注意,这里我们使用SEMAPHORE_WORKFLOW_ID 变量来标记镜像。
blocks:
- name: Build
task:
  secrets:
    - name: dockerhub
  jobs:
  - name: Docker build
    commands:
      - echo "${DOCKER_PASSWORD}" | docker login -u "${DOCKER_USERNAME}" --password-stdin
      - checkout
      - docker pull "${DOCKER_USERNAME}"/semaphore-demo-ruby-kubernetes:latest || true
      - docker build --cache-from "${DOCKER_USERNAME}"/semaphore-demo-ruby-kubernetes:latest -t "${DOCKER_USERNAME}"/semaphore-demo-ruby-kubernetes:$SEMAPHORE_WORKFLOW_ID .
      - docker images
      - docker push "${DOCKER_USERNAME}"/semaphore-demo-ruby-kubernetes:$SEMAPHORE_WORKFLOW_ID


当镜像准备完毕,我们进入项目的交付阶段。我们将用手动promotion来扩展我们的Semaphore 流水线。
promotions:
- name: Deploy to Kubernetes
pipeline_file: deploy-k8s.yml


要进行第一次自动构建,请进行push:
$ touch test-build
$ git add test-build
$ git commit -m "initial run on Semaphore“
$ git push origin master


镜像准备完成之后,我们就可以进入部署阶段。

部署到Kubernetes

自动部署是Kubernetes的强项。我们所需要做的就是告诉集群我们最终的期望状态,剩下的将由它来负责。

然而,在部署之前,你必须将kubeconfig文件上传到Semaphore。

上传Kubeconfig到Semaphore

我们需要第二个secret:集群的kubeconfig。这个文件授予可以对它的管理访问权限。因此,我们不希望将文件签入存储库。

创建一个名为do-k8s的secret并且将kubeconfig文件上传到/home/semaphore/.kube/dok8s.yaml中:



部署清单

尽管Kubernetes已经是容器编排平台,但是我们不直接管理容器。实际上,部署的最小单元是pod。一个pod就好像一群形影不离的朋友,总是一起去同一个地方。因此要保证在pod中的容器运行在同一个节点上并且有相同的IP。它们可以同步启动和停止,并且由于它们在同一台机器上运行,因此它们可以共享资源。

pod的问题在于它们可以随时启动和停止,我们没办法确定它们会被分配到的pod IP。要把用户的http流量转发,还需要提供一个公共IP和一个负载均衡器,它负责跟踪pod和转发客户端的流量。

打开位于deploymente.yml的文件。这是一个部署我们应用程序的清单,它被3个dash分离成两个资源。第一个,部署资源:
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
name: semaphore-demo-ruby-kubernetes
spec:
replicas: 1
selector:
matchLabels:
  app: semaphore-demo-ruby-kubernetes
template:
metadata:
  labels:
    app: semaphore-demo-ruby-kubernetes
spec:
  containers:
    - name: semaphore-demo-ruby-kubernetes
      image: $DOCKER_USERNAME/semaphore-demo-ruby-kubernetes:$SEMAPHORE_WORKFLOW_ID


这里有几个概念需要厘清:

  • 资源都有一个名称和几个标签,以便组织

  • Spec定义了最终期望的状态,template是用于创建Pod的模型。

  • Replica设置要创建的pod的副本数。我们经常将其设置为集群中的节点数。既然我们使用了3个节点,我将这一命令行更改为replicas:3


第二个资源是服务。它绑定到端口80并且将HTTP流量转发到部署中的pod:

{{{

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
name: semaphore-demo-ruby-kubernetes-lb
spec:
selector:
app: semaphore-demo-ruby-kubernetes
type: LoadBalancer
ports:
- port: 80
targetPort: 4567
}}}

Kubernetes将selector与标签相匹配以便将服务与pod连接起来。因此,我们在同一个集群中有许多服务和部署并且根据需要连接他们。

部署流水线

我们现在进入CI/CD配置的最后一个阶段。这时,我们有一个定义在semaphore.yml的CI流水线,以及定义在docker-build.yml的Docker流水线。在这一步中,我们将部署到Kubernetes。

打开位于.semaphore/deploy-k8s.yml的部署流水线:
version: v1.0
name: Deploy to Kubernetes
agent:
machine:
type: e1-standard-2
os_image: ubuntu1804


两个job组成最后的流水线:



Job 1开始部署。导入kubeconfig文件之后,envsubst将deployment.yaml中的占位符变量替换为其实际值。然后,kubectl apply将清单发送到集群。
blocks:
- name: Deploy to Kubernetes
task:
  secrets:
    - name: do-k8s
    - name: dockerhub

  env_vars:
    - name: KUBECONFIG
      value: /home/semaphore/.kube/dok8s.yaml

  jobs:
  - name: Deploy
    commands:
      - checkout
      - kubectl get nodes
      - kubectl get pods
      - envsubst < deployment.yml | tee deployment.yml
      - kubectl apply -f deployment.yml


Job 2将镜像标记为最新,以让我们能够在下一次运行中将其作为缓存使用。
- name: Tag latest release
task:
secrets:
  - name: dockerhub
jobs:
- name: docker tag latest
  commands:
    - echo "${DOCKER_PASSWORD}" | docker login -u "${DOCKER_USERNAME}" --password-stdin
    - docker pull "${DOCKER_USERNAME}"/semaphore-demo-ruby-kubernetes:$SEMAPHORE_WORKFLOW_ID
    - docker tag "${DOCKER_USERNAME}"/semaphore-demo-ruby-kubernetes:$SEMAPHORE_WORKFLOW_ID "${DOCKER_USERNAME}"/semaphore-demo-ruby-kubernetes:latest
    - docker push "${DOCKER_USERNAME}"/semaphore-demo-ruby-kubernetes:latest


这是工作流程的最后一步了。

部署应用程序

让我们教我们的Sinatra应用程序唱歌。在app.rb中的App类中添加以下代码:
get "/sing" do
"And now, the end is near
And so I face the final curtain..."
end


推送修改的文件到Github:
$ git add .semaphore/*
$ git add deployment.yml
$ git add app.rb
$ git commit -m "test deployment”
$ git push origin master


等到docker构建流水线完成,你可以查看Semaphore的进度:



是时候进行部署了,点击Promote按钮,看它是否工作:



我们已经有了一个好的开始,现在就看Kubernetes的了。我们可以使用kubectl检查部署状态,初始状态是三个所需的pod并且零可用:
$ kubectl get deployments
NAME                             DESIRED   CURRENT   UP-TO-DATE   AVAILABLE   AGE
semaphore-demo-ruby-kubernetes   3         0         0            0           15m


几秒之后,pod已经启动,reconciliation已经完成:
$ kubectl get deployments
NAME                             DESIRED   CURRENT   UP-TO-DATE   AVAILABLE   AGE
semaphore-demo-ruby-kubernetes   3         3         3            3           15m


使用get all获得集群的通用状态,它显示了pod、服务、部署以及replica:
$ kubectl get all
NAME                                                  READY   STATUS    RESTARTS   AGE
pod/semaphore-demo-ruby-kubernetes-7d985f8b7c-454dh   1/1     Running   0          2m
pod/semaphore-demo-ruby-kubernetes-7d985f8b7c-4pdqp   1/1     Running   0          119s
pod/semaphore-demo-ruby-kubernetes-7d985f8b7c-9wsgk   1/1     Running   0          2m34s


NAME                                        TYPE           CLUSTER-IP    EXTERNAL-IP    PORT(S)        AGE
service/kubernetes                          ClusterIP      10.12.0.1              443/TCP        24m
service/semaphore-demo-ruby-kubernetes-lb   LoadBalancer   10.12.15.50   35.232.70.45   80:31354/TCP   17m


NAME                                             DESIRED   CURRENT   UP-TO-DATE   AVAILABLE   AGE
deployment.apps/semaphore-demo-ruby-kubernetes   3         3         3            3           17m

NAME                                                        DESIRED   CURRENT   READY   AGE
replicaset.apps/semaphore-demo-ruby-kubernetes-7d985f8b7c   3         3         3       2m3


Service IP在pod之后展示。对于我来说,负载均衡器被分配到外部IP 35.232.70.45。需要将其更改为你的提供商分配给你的那个,然后我们来试试新的服务器。
$ curl -w "\n" http://YOUR_EXTERNAL_IP/sing


现在,离结束已经不远了。

胜利近在咫尺

当你使用了正确的CI/CD解决方案之后,部署到Kubernetes并不是那么困难。你现在拥有一个Kubernetes的完全自动的持续交付流水线啦。

这里有几个建议可以让你在Kubernetes上随意fork并玩转semaphore-demo-ruby-kubernetes:

  • 创建一个staging集群

  • 构建一个部署容器并且在里面运行测试

  • 使用更多微服务扩展项目

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