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通过 Kubernetes 和容器实现 DevOps

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近两年,随着容器、Kubernetes 等技术的兴起,DevOps 这个概念被广泛提及并被大量使用。 本文将会从以下几个方面着手,结合实验展现的方式,让读者真正理解 DevOps 的含义。

  • DevOps 产生的背景
  • DevOps 与容器、Kubernetes 之间的关系
  • DevOps 的技术实现方式

DevOps 是什么

DevOps 中的 Dev 指的 Development,Ops 指的是的 Operations,用一句话来说 DevOps 就是打通开发运维的壁垒,实现开发运维一体化。

从瀑布式开发到敏捷开发

谈到 DevOps 的发展史,我们需要先谈一下敏捷开发。

首先,敏捷开发是面向软件的,而软件依赖于计算硬件。我们知道,世界上第一台计算机是在 1946 年出现的。因此,软件开发相对于人类历史而言,时间并不长。相对于软件开发方法论的掌握,人们更擅长于工程学,如盖楼、造桥等。为了推动软件开发,1968 年,人们将工程学的方法应用到软件领域,由此产生了软件工程。

软件工程的方式有其优点,但带来了不少问题。最关键一点是:软件不同于工程。通过工程学建造的大桥、高楼在竣工后,人们通常不会对大桥高楼的主体有大量使用需求的变更;但软件却不同。对于面向最终用户的软件,人们对于软件功能的需求是会不断变化的。在瀑布式开发的模式下,当客户对应用有变化的需求时,软件厂商得重新开发软件。这将会使企业的竞争力大幅下降。

传统的软件开发流程是:产品经理收集一线业务部门和客户的需求,这些需求可能是新功能需求,也可能是对产品现有功能做变更的需求。然后进行评估、分析,将这些需求制定为产品的路线图,并且分配相应的资源进行相关工作。接下来,产品经理将需求输出给开发部门,开发工程师写代码。写好以后,就由不同的部门的人员进行后续的代码构建、质量检验、集成测试、用户验收测试,最后给生产部门。这样带来的问题是,开发周期比较长,并且如果有任何变更,都要重新走一遍开发流程,在商场如战场的今天,软件一个版本推迟发布,可能到发布时这个版本在市场上就已经过时了;而竞争对手很可能由于在新软件发布上快了一步,而迅速抢占了客户和市场。

正是由于商业环境的压力,软件厂商需要改进开发方式。

2001 年初,在美国滑雪胜地 snowbird,17 位专家聚集在一起,概括了一些可以让软件开发团队更具有快速工作、相应变化的能力的价值观原则。他们称自己为"敏捷联盟"。

敏捷开发的主要价值观如下:

表 1. 敏捷开发的核心价值观
个体和互动 高于 流程和文档
工作的软件 高于 详尽的文档
客户合作 高于 合同谈判
相应变化 高于 遵循计划

有了敏捷联盟,有了敏捷开发价值观,必然会产生开发的流派。主要的敏捷开发流派有:极限编程(XP)、Scrum、水晶方法等。

至此,敏捷开发有理念、有方法、有实践。随着云计算概念的兴起,云计算的不断落地,敏捷开发不仅实现了工具化,也得到了升华。

从敏捷开发到 DevOps

谈到了敏捷开发,那么敏捷开发和 DevOps 有什么关系呢?

敏捷开发是开发域里的概念,在敏捷开发基础之上,有如下阶段:

敏捷开发->持续集成->持续交付->持续部署->DevOps

从敏捷开发到 DevOps,前一个阶段都是后一个阶段的基础;随着阶段的推进,每个阶段概念覆盖的流程越来越多;最终 DevOps 涵盖了整个开发和运维阶段。正式由于每个阶段涉及的范围不同,因此所以每个概念所提供的工具也是不一样的。具体内容我们参照下图:

图 1. 从敏捷开发到 DevOps 的进阶

持续集成(Continuous Integration)指的是:代码集成到主干之前,必须全部通过自动化测试;只要有一个测试用例失败,就不能集成。持续集成的要实现的目标是:在保持高质量的基础上,让产品可以快速迭代。

持续交付(Continuous Delivery)指的是:开发人员频繁地将软件的新版本,交付给质量团队或者用户,以供评审。如果评审通过,代码就被发布。如果评审不通过,那么需要开发进行变更后再提交。

持续部署(Continuous Deployment)指的是:代码通过评审并发布后,自动部署,以交付使用。

DevOps 是一组完整的实践,可以自动化软件开发和 IT 团队之间的流程,以便他们可以更快、更可靠地构建、测试和发布软件。

图 2. DevOps 示意图

DevOps 的技术实现

DevOps 的技术实现,需要三个方面:标准交付物、容器调度平台、DevOps 工具链。接下来,我们详细看一下这个三个方面的内容。

DevOps 的技术实现 1:标准交付物

DevOps 的目的在于让开发和运维一体化、让开发和运维相互之间的沟通更加顺畅、迅捷,从而使企业更能适应市场的变化。

当然,真正实现开发运维一体化,并非只是让开发和运维的人坐在一起那么简单。从技术角度,DevOps 首先需要有一个包含了“操作系统+Runtime+应用”的标准交付物。除此之外,还需要通过整个 DevOps 流程来打通。

在 IT 早期,厂商硬件和系统平台的差异化过大,在不同硬件和系统平台进行应用的无缝迁移几乎是不可想象的。随着 X86 服务器以及 vSphere 等虚拟化技术的普及,操作系统(包括操作系统上的应用)可以在不同 X86 服务器厂商的硬件平台上在线无缝迁移。硬件差异化不断缩小甚至消失,软件的重要性不断提升,IT 界真正进入软件定义一切的时代。在这个背景下,业务提出了更高的要求,如何将应用在不同操作系统之间实现无缝迁移,将开发和生产统一,做到“构建一次,到处运行”。

容器技术的概念最初出现在 2000 年,当时称为 FreeBSD jail,这种技术可将 FreeBSD 系统分区为多个子系统。

但直到 Docker 的出现(2008 年),容器才真正具备了较好的可操作性和实用性。因为 Docker 提供了容器的镜像构建、打包等技术,使容器具备了一次打包,到处运行的能力。

对于客户而言,Docker 只能在一个 Linux 上运行,是“单机版”,很难符合企业对高可用的需求。此外,docker 也缺乏和持久存储、虚拟网络相关的功能。

DevOps 的技术实现 2:容器调度平台

2014 年 Kubernetes 的出现,奠定了今天容器调度平台的事实标准的基础。

因为通过 Kubernetes,我们不仅实现了容器在多个计算节点上的统一调度,还可以将容器对接持久存储、对接虚拟网络等。换句话说,Kubernetes 使容器具备企业级的功能。

图 3. Kubernetes 架构

DevOps 的技术实现 3:DevOps 工具链

在有了容器和 Kubernetes 以后,我们还需要相关的 DevOps 工具链。

目前在 IT 界,DevOps 相关的工具很多,其中大多数是开源的工具,如下图。

图 4. DevOps 工具链

在后面的文章中,我们会选择几种常用的 DevOps 工具,然后进行试验展现。

总结:DevOps 与容器和 Kubernetes 的关系

PaaS、DevOps 的概念,在容器和 Kubernetes 普及之前就存在了。广义上的 PaaS、DevOps 的建设,会包含:人、流程、工具等多方面内容。IT 厂商提供的 PaaS、DevOps 以指工具层面的落地为主、以流程咨询为辅。

在 Kubernetes 和容器普及之前,我们通过虚拟机也可以实现 PaaS、CI/CD,只是相对速度较慢,因此普及性不高(想象一下通过 X86 虚拟化来实现中间件集群弹性伸缩的效率)。而正是容器的出现,为 PaaS、DevOps 工具层面的落地提供非常好的承载平台,使得这两年容器云风生水起。这就好比 4G(2014 年出现)和微信(2011 年出现)之间的关系:在手机网速 3G 时代,流量按照兆收费的时候,(即使有)大家对于微信语音聊天、微信视频也不会太感兴趣。

所以说, Docker 使容器具备了较好的可操作性、可移植性,Kubernetes 使容器具备企业级使用的条件。而 IT 界众多基于 Kubernetes 和 Docker 企业级的容器平台,又成为了 Devops 工具落地的新一代基础架构。

DevOps 工作流展示

常用 DevOps 工具介绍

  • Kubernetes 集群:包含 Docker 和 Kubernetes。
  • Gogs: 通过 Go 编写的本地代码仓库,功能与 github 类似。
  • Jenkins/Jenkins Slave Pods:持续集成工具。
  • Nexus :工件管理器,能够解决本地缓存构建依赖项。
  • SonarQube:开源代码分析工具,它可以分析常见编程错误的源代码。

以上的 DevOps 工具,都可以以容器方式部署到 Kubernetes 集群中。在实验环境中,有一个两个节点的 Kubernetes 集群,用于进行实验展现。

图 5. Kubernetes 集群

在 Kubernetes 集群中创建三个 Namespace:cicd、dev、stage。其中 cicd Namespace 存放的是 DevOps 相关工具链。dev、stage 是模拟开发和生产两个环境。

图 6. Kubernetes 集群的 Namespaces

接下来,我们看一下在 cicd Namespace 中部署的 DevOps 工具链:

图 7. Kubernetes 集群中部署的 DevOps 工具

在工具链部署成功以后,我们分别登录工具的 UI 界面进行查看。

我们首先查看代码仓库 Gogs 中的源代码:

图 8. Gogs 中的源码

接下来,我们登录 Jenkins(后续的主要操作将会基于 Jenkins):

图 9. Jenkins 界面

Nexus 用于存放构建成功、并经过 Code Review 的 war 包,我们查看 Nexus 的界面:

图 10. Nexus 界面

SonarQube 负责 Code review:

图 11. SonarQube 界面

Jenkins Pipeline 工作流分析

整个 Devops 的流程,通过 Jenkins 的 Pipeline 串接起来。在 Jenkins 中,我们可以通过编写 Jenkins File,或者通过 Jenkins 浏览器页面的操作来完成 Pipeline 的定制。两者的实现效果是一样的,本文以书写 Jenkins File 方式展现。通过一个 Jenkins File,打通整个 DevOps 流程。

我们查看 Jenkins File 的内容并进行解释。

第一步,从 Gogs 拉取源代码,然后调用 maven 进行代码编译:

清单 1. Pipeline 第一阶段
pipeline {
  agent {
    label 'maven'
  }
  stages {
    stage('Build App') {
      steps {
        git branch: 'eap-7', url: 'http://gogs:3000/gogs/openshift-tasks.git'
        script {
            def pom = readMavenPom file: 'pom.xml'
            version = pom.version
        }
        sh "${mvnCmd} install -DskipTests=true"
      }
    }
  }
}

第二步,构建成功以后,调用 mvn 进行测试。

清单 2. Pipeline 第二阶段
    stage('Test') {
      steps {
        sh "${mvnCmd} test"
        step([$class: 'JUnitResultArchiver', testResults: '**/target/surefire-reports/TEST-*.xml'])
      }
    }

第三步,调用 SonarQube 进行代码 review。

清单 3. Pipeline 第三阶段
    stage('Code Analysis') {
      steps {
        script {
          sh "${mvnCmd} sonar:sonar -Dsonar.host.url=http://sonarqube:9000 -DskipTests=true"
        }
      }
    }

第四步,将测试成功的代码存档到 Nexus:

清单 4. Pipeline 第四阶段
    stage('Archive App') {
      steps {
        sh "${mvnCmd} deploy -DskipTests=true -P nexus3"
      }
    }

第五步,Pipeline 会将构建成功的 war 包,以二进制的方式注入到 JBoss EAP 的 docker image 中。

清单 5. Pipeline 第五阶段
  stage('Build Image') {
      steps {
        sh "rm -rf oc-build && mkdir -p oc-build/deployments"
        sh "cp target/tasks.war oc-build/deployments/ROOT.war"
      }
  }

接下来,Pileline 先将这个 docker image 部署到 dev 环境,然后引入审批工作流,批准后部署到生产。

清单 6. Pipeline 中的审批流
stage('Promote to STAGE?') {
      steps {
        timeout(time:15, unit:'MINUTES') {
            input message: "Promote to STAGE?", ok: "Promote"
        }
      }
}

DevOps 工具链演示

首先,登录到 Jenkins 上,查看已经创建好的 Pipeline。

图 12. Jenkins 的 Pipeline

点击“开始构建”,触发工作流(工作流也可以通过提交代码自动触发):

图 13. 触发工作流

Pipeline 的第一个阶段是 Build App。

图 14. 工作流第一个阶段

Build App 成功的 logs 如下,我们可以看到生成了 war 包:

清单 7. 构建应用成功的日志
[INFO] Installing /tmp/workspace/cicd-monolith-f138/cicd-monolith-f138-tasks-pipeline/target/tasks.war to /home/jenkins/.m2/repository/org/jboss/quickstarts/eap/jboss-tasks-rs/7.0.0-SNAPSHOT/jboss-tasks-rs-7.0.0-SNAPSHOT.war
[INFO] Installing /tmp/workspace/cicd-monolith-f138/cicd-monolith-f138-tasks-pipeline/pom.xml to /home/jenkins/.m2/repository/org/jboss/quickstarts/eap/jboss-tasks-rs/7.0.0-SNAPSHOT/jboss-tasks-rs-7.0.0-SNAPSHOT.pom

Pipeline 继续执行,在 Test 成功以后,开始进行 Code Analysis:

图 15. 工作流阶段 2-3

Test 阶段执行成功的 log:

清单 8. 测试成功的日志
-------------------------------------------------------
 T E S T S
-------------------------------------------------------
Running org.jboss.as.quickstarts.tasksrs.service.UserResourceTest
Tests run: 1, Failures: 0, Errors: 0, Skipped: 1, Time elapsed: 1.798 sec - in org.jboss.as.quickstarts.tasksrs.service.UserResourceTest
Running org.jboss.as.quickstarts.tasksrs.service.TaskResourceTest
Tests run: 3, Failures: 0, Errors: 0, Skipped: 0, Time elapsed: 0.604 sec - in org.jboss.as.quickstarts.tasksrs.service.TaskResourceTest

Results :

Tests run: 4, Failures: 0, Errors: 0, Skipped: 1

Code Analysis 阶段执行成功的日志,我们看到日志显示代码分析成功,并建议通过浏览器访问 SonarQube:

清单 9. 代码分析成功的日志
[INFO] ANALYSIS SUCCESSFUL, you can browse http://sonarqube:9000/dashboard/index/org.jboss.quickstarts.eap:jboss-tasks-rs
[INFO] Note that you will be able to access the updated dashboard once the server has processed the submitted analysis report
[INFO] More about the report processing at http://sonarqube:9000/api/ce/task?id=AWc_R_EGIPI_jn5vc3mt
[INFO] Task total time: 18.918 s

我们登录 SonarQube,查看结果:

图 16. SonarQube 执行结果

接下来,Pilepine 进入到 Create Image Builder 阶段,其关键的步骤是将构建成功的 war 包以二进制的方式注入到 docker image 中:

清单 10. 构建镜像的日志
[cicd-monolith-f138-tasks-pipeline] Running shell script
+ rm -rf oc-build
+ mkdir -p oc-build/deployments
[Pipeline] sh
[cicd-monolith-f138-tasks-pipeline] Running shell script
+ cp target/tasks.war oc-build/deployments/ROOT.war

Create Image Builder 执行成功以后,会生成包含应用的 docker image。接下来是 Create Dev 和 Deploy Dev,即在 dev 环境部署包含应用的 docker image。当 Deploy Dev 成功以后,会引入工作流,提示是否批准将应用部署到 Stage,如下图:

图 17. 工作流审批流程

选择 Promote,应用会部署到 Stage,Pipeline 流程走完。

图 18. 工作流执行完毕

最后,通过浏览器访问成功部署到 Dev/Stage Namespace 中的应用:

图 19. 应用 UI 访问

至此,您可以看到应用访问结果,说明 DevOps 全流程已经打通。

总结

通过本文,相信读者对 DevOps 的概念和工具链已经有了大致的了解。也对通过 Kubernetes 集群和容器实现 DevOps 有了一定的理解。

参考资源


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Zone=Cloud computing
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