如何解決K8s中快速交付應用的難題

如何解決K8s中快速交付應用的難題，針對這個問題，這篇文章詳細介紹了相對應的分析和解答，希望可以幫助更多想解決這個問題的小伙伴找到更簡單易行的方法。

前言

軟件技術更新換代很快，但我們追求的目標是一直不變的，那就是在安全穩定的前提下，增加應用的部署頻率，縮短產品功能的迭代周期，這樣的好處就是企業可以在更短的時間內獲得產品的價值、更快地獲得客戶反饋和響應客戶需求，從而進一步提升產品的競爭力；除此之外，企業還可以釋放更多的資源投入到創新業務的研發上，創造更多的價值，這是一個良性循環的過程。

應用產品的快速迭代誠然能給我們帶來各種各樣的好處，但挑戰也與其并存。更高頻率的應用發布，意味著線上業務有不可預期故障的風險更大，除了產品上線之前在預發測試環境中充分測試驗證迭代功能之外，制定最合適的應用發布策略就是另外一個非常重要的話題，因為它可以最大限度的降低業務故障的風險以及帶來的損失。

云原生應用交付的關鍵點

我們說頻繁地進行產品迭代意味著更大的故障風險，傳統應用如此，云原生應用更是如此。因為云原生應用通常都是基于云的分布式部署模式，且每個應用可能是由多個功能組件互相調用來一起提供完整的服務的，每個組件都有自己獨立的迭代流程和計劃。在這種情況下，功能組件越多，意味著出錯的概率越大。那么如何在應用交付層面對上述這些痛點做出改進，我們總結出以下幾個云原生應用交付的關鍵點。

• 如何充分利用云原生架構基礎設施的優勢。這個優勢我們可以簡單總結為兩點：彈性和高可用；

• 如何具有跨平臺移植和交付的能力。基礎設施底層的計算、存儲、網絡資源有很大的差異化，在以前，基礎架構的不同是由上層應用決定的，而云原生應用的交付需要具有跨平臺移植和交付的能力；

• 如何實現應用運維自治化。自治化不等于自動化，自動化是指觸發一個流程，流程結束后能自動達到想要的一個預期結果，而自治化是指應用再高可用的運行態時，如果其中某個功能組件的某個副本出現故障，應用能自動移除故障副本并補充新的應用副本；

• 如何讓應用變得更具有可預測性。應用的交付終態，在我們編寫應用編排模板的時候就是可預測到的，如果應用的交付變得更有可預測性，那么風險也會最大程度地降低；

• 如何提高應用更快的平均恢復時間。如果應用有超出了應用自治的能力范疇之外的故障發生需要人工介入，那更快的平均恢復時間就意味著更低的業務損失。

Kubernetes 是一個可移植的，可擴展的開源平臺，用于管理容器化的工作負載和服務，可促進聲明式配置和自動化。它自身的平臺能力已經滿足了我們前面提到的大部分需求。Kubernetes 使用容器技術部署應用，這樣的好處包括但不限于：

• 應用程序創建和部署更敏捷

• 可移植性

• 環境一致性

• 松耦合和分布式

• 資源隔離

• 高效率和高密度的資源利用

Kubernetes 還提供了應用管理、調度、監控和運維的強大能力：

• 服務發現和負載均衡能力

• 應用的自動部署和回滾能力

• 應用的自治修復能力

• 存儲編排能力

• 密鑰和配置管理能力

但 Kubernetes 它也有很多功能是不提供但允許擴展的部分，比如日志采集、監控報警等能力。下面這張圖就是阿里云容器服務是在支持標準 Kubernetes 的基礎上，對與用戶息息相關的能力做了增強和提升后的架構大圖，包括提供最大的彈性化與低廉成本的全球化接入能力，強大的安全架構支撐能力，深度整合阿里云基礎資源服務的能力，并經過 雙11 驗證和沉淀了海量用戶經驗，同時支持專有、托管、無服務化、邊緣和神龍裸金屬等多種產品形態，我們今天后面的所有演示就是在此平臺上做的。

應用交付的邊界

在 Kubernetes 中應用交付的邊界是什么？

從簡單處入手，我們可以認為應用的交付就是它的網絡服務模式，服務的的后端資源以及業務數據的持久化存儲，這些資源被分別抽象成 service、deployment/pod，volume 資源等。

以一個 wordpress 應用為例，它包括兩個功能組件：前端組件處理用戶請求，后端組件存儲數據。前端組件包括一個 frontend service 和 3 個 pod，后端組件包括一個 backend service 和一個 pod 組件，所以這個 wordpress 應用交付的資源就是 2 個 service 和總共 4 個后端 pod。這個后端的 pod 資源我們在 Kubernetes 中通過 deployment 來統一管理，service 資源相當于一個負載均衡器，把請求路由到后端 pod 上，它涉及集群內各個組件之間調用以及外部用戶訪問集群內服務，所以有不同的種類劃分。

根據服務暴露的方式不同，可以分為以下幾種：

ClusterIP

通過為 Kubernetes 的 Service 分配一個集群內部可訪問的固定虛擬 IP（Cluster IP），實現集群內的訪問。為最常見的方式。

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: wordpress
spec:
  type: ClusterIP      # 默認的service類型，服務僅暴露為集群內部可訪問
  ports:
    - port: 80         # 暴露給集群內部的服務端口
      targetPort: 80   # 容器監聽的服務端口
      protocol: TCP
  selector:
    app: wordpress     # 轉發請求到有相同標簽的后端pod

NodePort

NodePort 是把 service 的 port 映射到集群節點的一個端口上，如果你不指定這個端口，系統將選擇一個隨機端口。大多數時候我們應該讓 Kubernetes 來選擇端口，用戶自己來選擇可用端口代價太大。

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: wordpress
spec:
  type: NodePort       # NodePort service類型，服務暴露一個固定的靜態端口用于集群外部訪問
  ports:
    - port: 80         # 暴露給集群內部的服務端口
      targetPort: 80   # 容器監聽的服務端口
      protocol: TCP
      nodePort: 31570  # 集群外部可以通過此端口訪問服務
  selector:
    app: wordpress     # 轉發請求到有相同標簽的后端pod

NodePort 的方式雖然可以把服務暴露給集群外訪問，但是也有很多缺點：

• 每個端口只能是一種服務

• 端口范圍有限制，一般是 30000-32767

• 如果節點的 IP 地址變化了的話，你需要做一些變更操作去適配

所以在生產中一般不推薦這種方式，但如果你的應用對成本比較敏感又能容忍服務有不可用窗口期的話，是可以使用這種方式的。

LoadBalancer

LoadBalancer 是服務暴露到集群外或者公網上的標準方式，但它依賴 cloud provider 提供的一個負載均衡器的能力，負載均衡器會單獨分配一個 ip 地址并監聽后端服務的指定端口，請求的流量會通過指定的端口轉發到后端對應的服務。

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: wordpress
spec:
  type: LoadBalancer       # LoadBalancer service類型，一般依賴于公共云廠商供的負載均衡能力
  ports:
    - port: 80         # 暴露給集群內部的服務端口
      targetPort: 80   # 容器監聽的服務端口
      protocol: TCP
  selector:
    app: wordpress     # 轉發請求到有相同標簽的后端pod

Ingress

ClusterIP 服務類型僅限集群內通信，NodePort 可以實現暴露服務訪問入口，但每個節點都會占用一個端口，會增加端口管理的復雜性，LoadBalancer 通常需要第三方云提供商支持，有一定的約束性。而 Ingress 這個服務類型跟我們前面的三種服務類型不一樣，它實際上不是一種服務類型，而是類似一種集群服務入口的存在，它可以基于你配置的不同路徑或者子域名把流量路由到對應的后端服務，更像是一個“智能路由”服務。

前面介紹了一些應用發布涉及到的資源類型，以及 service 資源類型的幾種模式，那 service 如何找到對應的后端 pod 呢，這個就是標簽的作用，我們可以把每個應用的 pod 和 service 都打上同樣的標簽，這個標簽的機制就是我們后面要講的幾種應用發布策略的關鍵點了。

應用的發布策略

在 Kubernetes 集群中，除了根據業務需求選定服務暴露方式外，為了讓應用在升級期間依然平穩提供服務，選擇一個正確的發布策略就非常重要了。

滾動發布

第一種應用發布策略就是滾動發布，這也是比較常見的策略。它是通過逐個替換實例來逐步部署新版本的應用，直到所有實例都被替換完成為止。

如下圖所示，當前我的應用提供的服務版本是 v1， 這個服務的后端有 3 個副本， 但我更新版本 v2 的時候，它是一個副本一個副本地開始替換，直到最終服務的后端全部替換成 v2 版本。

一個應用示例的編排文件如下所示：

• go-demo-v1.yaml

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: go-demo
spec:
  replicas: 3
  selector:
    matchLabels:
      app: go-demo
  template:
    metadata:
      labels:
        app: go-demo
    spec:
      containers:
      - name: go-demo
        image: registry.cn-hangzhou.aliyuncs.com/haoshuwei24/go-demo:v1
        imagePullPolicy: Always
        ports:
        - containerPort: 8080
---
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: go-demo
spec:
  ports:
  - port: 80
    targetPort: 8080
    name: go-demo
  selector:
    app: go-demo
  type: ClusterIP

• 部署版本 v1

$ kubectl apply -f go-demo-v1.yaml

• 查看 pod 運行狀態

$ kubectl get po
NAME                       READY   STATUS    RESTARTS   AGE
go-demo-78bc65c564-2rhxp   1/1     Running   0          19s
go-demo-78bc65c564-574z6   1/1     Running   0          19s
go-demo-78bc65c564-sgl2s   1/1     Running   0          19s

• 訪問應用服務

$ while sleep 0.1; do curl http://172.19.15.25; done
Version: v1
Version: v1
Version: v1
Version: v1
Version: v1
Version: v1

• 更新 go-demo-v1.yaml 為 go-demo-v2.yaml 并更新鏡像 tag

...
registry.cn-hangzhou.aliyuncs.com/haoshuwei24/go-demo:v2
...

• 部署版本 v2

$ kubectl apply -f go-demo-v2.yaml

• 可以查看 pod 會被新版本 pod 逐個替換

$kubectl get po -w
NAME                                READY   STATUS              RESTARTS   AGE
application-demo-8594ff4967-85jsg   1/1     Running             0          3m24s
application-demo-8594ff4967-d4sv8   1/1     Terminating         0          3m22s
application-demo-8594ff4967-w6lpz   0/1     Terminating         0          3m20s
application-demo-b98d94554-4mwqd    1/1     Running             0          3s
application-demo-b98d94554-ng9wx    0/1     ContainerCreating   0          1s
application-demo-b98d94554-pmc5g    1/1     Running             0          4s

• 訪問服務會發現在應用滾動升級過程中，版本 v1 和 v2 都會被訪問到，這個時間的長短取決于應用的啟動速度

$ while sleep 0.1; do curl http://172.19.15.25; done
Version: v1
Version: v2
Version: v1
Version: v1
Version: v2
Version: v1
Version: v1
Version: v2

滾動發布優點就是它比較簡單，而且不會占用太多的計算資源。缺點是：

• 版本在實例之間緩慢替換

• 這個滾動發布可能需要一定時間

• 無法控制流量

從應用在集群中的終態上來說，集群中要么只有版本 1 的應用后端，要么只有版本 2 的后端；如果版本 2 有缺陷，那么線上服務應用到的就是整體用戶， 雖然我們有機制可以快速回滾，但涉及到整體用戶使用故障的代價還是太大。

藍綠發布

第二種就是藍綠發布，藍/綠發布是應用版本 1 與版本 2 的后端 pod 都部署在環境中，通過控制流量切換來決定發布哪個版本。與滾動發布相比，藍綠發布策略下的應用終態，是可以同時存在版本 1 和版本 2 兩種 pod 的，我們可以通過 service 流量的切換來決定當前服務使用哪個版本的后端。

一個應用示例的編排文件如下所示。

• go-demo-v1.yaml

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: go-demo-v1
spec:
  replicas: 4
  selector:
    matchLabels:
      app: go-demo
      version: v1
  template:
    metadata:
      labels:
        app: go-demo
        version: v1
    spec:
      containers:
      - name: go-demo
        image: registry.cn-hangzhou.aliyuncs.com/haoshuwei24/go-demo:v1
        imagePullPolicy: Always
        ports:
        - containerPort: 8080

• go-demo-v2.yaml

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: go-demo-v2
spec:
  replicas: 4
  selector:
    matchLabels:
      app: go-demo
      version: v2
  template:
    metadata:
      labels:
        app: go-demo
        version: v2
    spec:
      containers:
      - name: go-demo
        image: registry.cn-hangzhou.aliyuncs.com/haoshuwei24/go-demo:v2
        imagePullPolicy: Always
        ports:
        - containerPort: 8080

• service.yaml

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: go-demo
spec:
  ports:
  - port: 80
    targetPort: 8080
    name: go-demo
  selector:
    app: go-demo
    version: v1
  type: ClusterIP

• 部署以上 3 個資源

$ kubectl apply -f go-demo-v1.yaml -f go-demo-v2.yaml -f service.yaml

• 訪問服務可以看到目前只訪問到版本 1 的服務

$ while sleep 0.1; do curl http://172.19.8.137; done
Version: v1
Version: v1
Version: v1
Version: v1
Version: v1

• 修改 service.yaml 的 spec.selector 下 version=v2

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: go-demo
spec:
  ports:
  - port: 80
    targetPort: 8080
    name: go-demo
  selector:
    app: go-demo
    version: v2
  type: ClusterIP

• 重新部署

$ kubectl apply -f service.yaml

• 重新訪問服務可以看到很快切換到了版本 2 上

$ [root@iZbp13u3z7d2tqx0cs6ovqZ blue-green]# while sleep 0.1; do curl http://172.19.8.137; done
Version: v2
Version: v2
Version: v2

我們剛才說到滾動升級有一個過程需要時間，即使回滾，它也需要一定的時間才能回滾完畢，在新版本應用有缺陷的情況下，藍綠發布的策略可以快速在 v1 和 v2 兩個版本之前切流量，所以這個切換流量的時間跟滾動升級相比就縮短了很多了，但藍綠發布的缺點跟滾動發布相同的就是這個缺陷會影響到整體用戶，服務要么百分百切換到版本 2 上，要么百分百切換到版本 1 上，這是個非 0 即 100 的操作，即使藍綠發布策略可以大大縮短故障恢復時間，但在某些場景下也是不可接受的。 而且集群環境中同時存在兩個版本的 pod 副本，資源占用的話相比滾動發布是 2 倍的。

金絲雀發布（灰度發布）

第三種要介紹的發布策略是金絲雀發布，金絲雀部署是應用版本 1 和版本 2 同時部署在環境中，并且用戶請求有可能會路由到版本 1 的后端，也可能會路由到版本 2 的后端，從而達到讓一部分新用戶訪問到版本 2 的應用。 這種發布策略下，我們可以通過調整流量百分比來逐步控制應用向新的版本切換，它與藍綠部署相比，不僅繼承了藍綠部署的優點，而且占用資源優于藍綠部署所需要的 2 倍資源，在新版本有缺陷的情況下只影響少部分用戶，把損失降到最低。

對于灰度發布的概念來說，有人認為它跟金絲雀發布講的是一個東西，有人認為它們不同。它跟金絲雀發布的過程是相同的，但目的有所不同：

• 金絲雀發布更傾向于能快速獲取用戶的一些反饋，比如我可能不確定我的這個新版本功能的用戶體驗是否能被大眾很好的接受，我期望能得到線上用戶的一些及時反饋，在產品側做功能體驗調整之后再迭代 v3 版本；

• 而灰度發布則是我的產品功能已經設計并開發的很完善了，現在就是要逐步替換線上的舊版本，但是要控制發布可能帶來的風險，所以要灰度發布。

示例應用 1 如下， 這個示例中我們通過 pod 的數量來控制流量比例。

• go-demo-v1.yaml 設定副本數為 9

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: go-demo-v1
spec:
  replicas: 9
  selector:
    matchLabels:
      app: go-demo
      version: v1
  template:
    metadata:
      labels:
        app: go-demo
        version: v1
    spec:
      containers:
      - name: go-demo
        image: registry.cn-hangzhou.aliyuncs.com/haoshuwei24/go-demo:v1
        imagePullPolicy: Always
        ports:
        - containerPort: 8080

• go-demo-v2.yaml 設定副本數為 1

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: go-demo-v2
spec:
  replicas: 1
  selector:
    matchLabels:
      app: go-demo
      version: v2
  template:
    metadata:
      labels:
        app: go-demo
        version: v2
    spec:
      containers:
      - name: go-demo
        image: registry.cn-hangzhou.aliyuncs.com/haoshuwei24/go-demo:v2
        imagePullPolicy: Always
        ports:
        - containerPort: 8080

• service.yaml

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: go-demo
spec:
  ports:
  - port: 80
    targetPort: 8080
    name: go-demo
  selector:
    app: go-demo
  type: ClusterIP

• 部署以上 3 個資源

$ kubectl apply -f go-demo-v1.yaml -f go-demo-v2.yaml -f service.yaml

• 訪問服務可以看到基本上是 10% 的流量切換到版本 2 上

$ while sleep 0.1; do curl http://172.19.8.248; done
Version: v1
Version: v2
Version: v1
Version: v1
Version: v1
Version: v1
Version: v1
Version: v1
Version: v1
Version: v1
Version: v1

另外我們可以使用 nginx ingress controller 來控制流量切換，這個方式要更精準。

• go-demo-v1.yaml

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: go-demo-v1
spec:
  replicas: 3
  selector:
    matchLabels:
      app: go-demo
      version: v1
  template:
    metadata:
      labels:
        app: go-demo
        version: v1
    spec:
      containers:
      - name: go-demo
        image: registry.cn-hangzhou.aliyuncs.com/haoshuwei24/go-demo:v1
        imagePullPolicy: Always
        ports:
        - containerPort: 8080

• go-demo-v2.yaml

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: go-demo-v2
spec:
  replicas: 1
  selector:
    matchLabels:
      app: go-demo
      version: v2
  template:
    metadata:
      labels:
        app: go-demo
        version: v2
    spec:
      containers:
      - name: go-demo
        image: registry.cn-hangzhou.aliyuncs.com/haoshuwei24/go-demo:v2
        imagePullPolicy: Always
        ports:
        - containerPort: 8080

• service-v1.yaml

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: go-demo-v1
spec:
  ports:
  - port: 80
    targetPort: 8080
    name: go-demo
  selector:
    app: go-demo
    version: v1
  type: ClusterIP

• service-v2.yaml

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: go-demo-v2
spec:
  ports:
  - port: 80
    targetPort: 8080
    name: go-demo
  selector:
    app: go-demo
    version: v2
  type: ClusterIP

• ingress.yaml， 設置 nginx.ingress.kubernetes.io/service-weight: | go-demo-v1: 100, go-demo-v2: 0， 版本1 - 100% 流量， 版本2 - 0% 流量

apiVersion: extensions/v1beta1
kind: Ingress
metadata:
  annotations:
    nginx.ingress.kubernetes.io/service-weight: |
        go-demo-v1: 100, go-demo-v2: 0
  name: go-demo
  labels:
    app: go-demo
spec:
  rules:
    - host: go-demo.example.com
      http:
        paths:
          - path: /
            backend:
              serviceName: go-demo-v1
              servicePort: 80
          - path: /
            backend:
              serviceName: go-demo-v2
              servicePort: 80

• 部署以上 4 個資源

$ kubectl apply -f go-demo-v1.yaml -f go-demo-v2.yaml -f service-v1.yaml -f service-v2.yaml -f nginx.yaml

• 訪問服務可以看到流量 100% 到版本 1 上

$ while sleep 0.1; do curl http://go-demo.example.com; done
Version: v1
Version: v1
Version: v1
Version: v1
Version: v1
Version: v1

• 更新 ingress.yaml， 設置流量比為 50:50

apiVersion: extensions/v1beta1
kind: Ingress
metadata:
  annotations:
    nginx.ingress.kubernetes.io/service-weight: |
        go-demo-v1: 50, go-demo-v2: 50
  name: go-demo
  labels:
    app: go-demo
spec:
  rules:
    - host: go-demo.example.com
      http:
        paths:
          - path: /
            backend:
              serviceName: go-demo-v1
              servicePort: 80
          - path: /
            backend:
              serviceName: go-demo-v2
              servicePort: 80

• 訪問服務可以看到流量 50% 到版本 1 上， 50% 到版本 2 上

$ while sleep 0.1; do curl http://go-demo.example.com; done
Version: v2
Version: v1
Version: v1
Version: v1
Version: v2
Version: v2
Version: v1
Version: v1
Version: v2
Version: v2

• 更新 ingress.yaml， 設置流量比為 0:100

apiVersion: extensions/v1beta1
kind: Ingress
metadata:
  annotations:
    nginx.ingress.kubernetes.io/service-weight: |
        go-demo-v1: 0, go-demo-v2: 100
  name: go-demo
  labels:
    app: go-demo
spec:
  rules:
    - host: go-demo.example.com
      http:
        paths:
          - path: /
            backend:
              serviceName: go-demo-v1
              servicePort: 80
          - path: /
            backend:
              serviceName: go-demo-v2
              servicePort: 80

• 訪問服務可以看到流量 100% 到版本 2 上

$ while sleep 0.1; do curl http://go-demo.example.com; done
Version: v2
Version: v2
Version: v2
Version: v2
Version: v2
Version: v2
Version: v2
Version: v2
Version: v2
Version: v2

不管是金絲雀發布還是灰度發布，缺點就是發布周期相對來說要慢很多。

在這些發布策略當中，

• 當你在開發測試環境中對應用做更新發布的話，用滾動發布；

• 在生產環境，滾動更新或者藍綠發布在新版本已經提前測試充分的情況下可以用；

• 如果對新版本的應用的更新需要最大限度地控制風險，降低故障對用戶的影響的話，那就使用金絲雀發布或灰度發布。

以上就是我們在 Kubernetes 當中常用的幾種發布策略的介紹。

關于如何解決K8s中快速交付應用的難題問題的解答就分享到這里了，希望以上內容可以對大家有一定的幫助，如果你還有很多疑惑沒有解開，可以關注億速云行業資訊頻道了解更多相關知識。