Spring Boot集成kubernetes客户端实现API操作k8s集群

1.什么是kubernetes?

Kubernetes(也称 k8s 或 "kube")是一个开源的容器编排平台,可以自动化在部署、管理和扩展容器化应用过程中涉及的许多手动操作。 Kubernetes 最初是由 Google 工程师作为 Borg 项目开发和设计的,后于 2015 年捐赠给 云原生计算基金会(CNCF)。红帽® 是第一批与 Google 合作研发 Kubernetes 的公司之一,作为 Kubernetes 上游项目的第二大贡献者,我们甚至在这个项目启动之前就已参与其中。

传统部署时代:

早期,各个组织是在物理服务器上运行应用程序。 由于无法限制在物理服务器中运行的应用程序资源使用,因此会导致资源分配问题。 例如,如果在同一台物理服务器上运行多个应用程序, 则可能会出现一个应用程序占用大部分资源的情况,而导致其他应用程序的性能下降。 一种解决方案是将每个应用程序都运行在不同的物理服务器上, 但是当某个应用程序资源利用率不高时,剩余资源无法被分配给其他应用程序, 而且维护许多物理服务器的成本很高。

虚拟化部署时代:

因此,虚拟化技术被引入了。虚拟化技术允许你在单个物理服务器的 CPU 上运行多台虚拟机(VM)。 虚拟化能使应用程序在不同 VM 之间被彼此隔离,且能提供一定程度的安全性, 因为一个应用程序的信息不能被另一应用程序随意访问。 虚拟化技术能够更好地利用物理服务器的资源,并且因为可轻松地添加或更新应用程序, 而因此可以具有更高的可扩缩性,以及降低硬件成本等等的好处。 通过虚拟化,你可以将一组物理资源呈现为可丢弃的虚拟机集群。 每个 VM 是一台完整的计算机,在虚拟化硬件之上运行所有组件,包括其自己的操作系统。

容器部署时代:

容器类似于 VM,但是更宽松的隔离特性,使容器之间可以共享操作系统(OS)。 因此,容器比起 VM 被认为是更轻量级的。且与 VM 类似,每个容器都具有自己的文件系统、CPU、内存、进程空间等。 由于它们与基础架构分离,因此可以跨云和 OS 发行版本进行移植。 容器因具有许多优势而变得流行起来,例如:

  • 敏捷应用程序的创建和部署:与使用 VM 镜像相比,提高了容器镜像创建的简便性和效率。
  • 持续开发、集成和部署:通过快速简单的回滚(由于镜像不可变性), 提供可靠且频繁的容器镜像构建和部署。
  • 关注开发与运维的分离:在构建、发布时创建应用程序容器镜像,而不是在部署时, 从而将应用程序与基础架构分离。
  • 可观察性:不仅可以显示 OS 级别的信息和指标,还可以显示应用程序的运行状况和其他指标信号。
  • 跨开发、测试和生产的环境一致性:在笔记本计算机上也可以和在云中运行一样的应用程序。
  • 跨云和操作系统发行版本的可移植性:可在 Ubuntu、RHEL、CoreOS、本地、 Google Kubernetes Engine 和其他任何地方运行。
  • 以应用程序为中心的管理:提高抽象级别,从在虚拟硬件上运行 OS 到使用逻辑资源在 OS 上运行应用程序。
  • 松散耦合、分布式、弹性、解放的微服务:应用程序被分解成较小的独立部分, 并且可以动态部署和管理 - 而不是在一台大型单机上整体运行。
  • 资源隔离:可预测的应用程序性能。
  • 资源利用:高效率和高密度

为什么需要 Kubernetes,它能做什么?

容器是打包和运行应用程序的好方式。在生产环境中, 你需要管理运行着应用程序的容器,并确保服务不会下线。 例如,如果一个容器发生故障,则你需要启动另一个容器。 如果此行为交由给系统处理,是不是会更容易一些? 这就是 Kubernetes 要来做的事情! Kubernetes 为你提供了一个可弹性运行分布式系统的框架。 Kubernetes 会满足你的扩展要求、故障转移你的应用、提供部署模式等。 例如,Kubernetes 可以轻松管理系统的 Canary (金丝雀) 部署。

Kubernetes相关概念总结

k8s中配置客户端访问pod中应用的流程如下:

client->ingress->service->pod->container

INGRESS

Ingress 是对集群中服务的外部访问进行管理的 API 对象,典型的访问方式是 HTTP。 Ingress 可以提供负载均衡、SSL 终结和基于名称的虚拟托管。

SERVICE

将运行在一组 Pods 上的应用程序公开为网络服务的抽象方法。Kubernetes Service 定义了这样一种抽象:逻辑上的一组 Pod,一种可以访问它们的策略 ------ 通常称为微服务。 Service 所针对的 Pods 集合通常是通过选择算符来确定的。

POD

Pod 是可以在 Kubernetes 中创建和管理的、最小的可部署的计算单元。 Pod (就像在鲸鱼荚或者豌豆荚中)是一组(一个或多个) 容器; 这些容器共享存储、网络、以及怎样运行这些容器的声明。 Pod 中的内容总是并置(colocated)的并且一同调度,在共享的上下文中运行。 Pod 所建模的是特定于应用的"逻辑主机",其中包含一个或多个应用容器, 这些容器是相对紧密的耦合在一起的。 在非云环境中,在相同的物理机或虚拟机上运行的应用类似于 在同一逻辑主机上运行的云应用。

节点(Node)

Kubernetes 集群中其中一台工作机器,是集群的一部分。

k8s-client-java选型

目前通过java操作k8s,开源版本共有两个:

kubernetes-client/javafabric8io/kubernetes-client对比

和官网API一致性 社区活跃度 代码生成
kubernetes-client/java 根据k8s-openapi随之更新,一致性和更新频率高 目前不活跃 kubernetes-client/java提供了生成代码的通用跨语言工具,该工具托管在 kubernetes-client / gen存储库中
fabric8io/kubernetes-client 一致性低,更新慢;其中不支持k8s1.8和1.13 社区活跃,目前使用者多 暂无

鉴于kubernetes-client/java官网API一致性好,本文决定采用它

2.环境部署

Download and run the installer for the latest release.

Or if using PowerShell, use this command:

New-Item -Path 'c:\' -Name 'minikube' -ItemType Directory -Force
Invoke-WebRequest -OutFile 'c:\minikube\minikube.exe' -Uri 'https://github.com/kubernetes/minikube/releases/latest/download/minikube-windows-amd64.exe' -UseBasicParsing

Add the minikube.exe binary to your PATH.

Make sure to run PowerShell as Administrator.

$oldPath = [Environment]::GetEnvironmentVariable('Path', [EnvironmentVariableTarget]::Machine)
if ($oldPath.Split(';') -inotcontains 'C:\minikube'){
[Environment]::SetEnvironmentVariable('Path', $('{0};C:\minikube' -f $oldPath), [EnvironmentVariableTarget]::Machine)
}

If you used a terminal (like powershell) for the installation, please close the terminal and reopen it before running minikube

other plateform,

please visit at:minikube start | minikube

install kubectl

Install and Set Up kubectl on Windows | Kubernetes

Start your cluster

minikube start

Interact with your cluster

kubectl get po -A

Alternatively, minikube can download the appropriate version of kubectl and you should be able to use it like this:

minikube kubectl -- get po -A

You can also make your life easier by adding the following to your shell config: (for more details see: kubectl)

alias kubectl="minikube kubectl --"

Initially, some services such as the storage-provisioner, may not yet be in a Running state. This is a normal condition during cluster bring-up, and will resolve itself momentarily. For additional insight into your cluster state, minikube bundles the Kubernetes Dashboard, allowing you to get easily acclimated to your new environment:

minikube dashboard

3.代码工程

实验目标

  • 实现java api获取pod信息
  • 实现java api创建ingress
  • 实现java api创建service

pom.xml

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<project xmlns="http://maven.apache.org/POM/4.0.0"
         xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance"
         xsi:schemaLocation="http://maven.apache.org/POM/4.0.0 http://maven.apache.org/xsd/maven-4.0.0.xsd">
    <parent>
        <artifactId>springboot-demo</artifactId>
        <groupId>com.et</groupId>
        <version>1.0-SNAPSHOT</version>
    </parent>
    <modelVersion>4.0.0</modelVersion>

    <artifactId>Kubernetes</artifactId>

    <properties>
        <maven.compiler.source>8</maven.compiler.source>
        <maven.compiler.target>8</maven.compiler.target>
    </properties>
    <dependencies>
        <dependency>
            <groupId>org.springframework.boot</groupId>
            <artifactId>spring-boot-starter-web</artifactId>
        </dependency>

        <dependency>
            <groupId>org.springframework.boot</groupId>
            <artifactId>spring-boot-autoconfigure</artifactId>
        </dependency>
        <dependency>
            <groupId>org.springframework.boot</groupId>
            <artifactId>spring-boot-starter-test</artifactId>
            <scope>test</scope>
        </dependency>
        <dependency>
            <groupId>io.kubernetes</groupId>
            <artifactId>client-java</artifactId>
            <version>12.0.1</version>
            <scope>compile</scope>
        </dependency>
        <dependency>
            <groupId>org.projectlombok</groupId>
            <artifactId>lombok</artifactId>
        </dependency>

    </dependencies>
</project>

kubernetes工具类

package com.et.k8s.client;

import io.kubernetes.client.custom.IntOrString;
import io.kubernetes.client.openapi.ApiClient;
import io.kubernetes.client.openapi.ApiException;
import io.kubernetes.client.openapi.apis.CoreV1Api;
import io.kubernetes.client.openapi.apis.ExtensionsV1beta1Api;
import io.kubernetes.client.openapi.apis.NetworkingV1Api;
import io.kubernetes.client.openapi.models.*;
import io.kubernetes.client.util.ClientBuilder;
import io.kubernetes.client.util.KubeConfig;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;

import java.io.FileReader;
import java.io.IOException;
import java.util.Map;


@Slf4j
public class K8sClient {

    private ApiClient apiClient;

    /**
     * loading the in-cluster config, including:
     * 1. service-account CA
     * 2. service-account bearer-token
     * 3. service-account namespace
     * 4. master endpoints(ip, port) from pre-set environment variables
     */
    public K8sClient() {
        try {
            this.apiClient = ClientBuilder.cluster().build();
        } catch (IOException e) {
            log.error("build K8s-Client error", e);
            throw new RuntimeException("build K8s-Client error");
        }
    }

    /**
     * loading the out-of-cluster config, a kubeconfig from file-system
     *
     * @param kubeConfigPath 
     */
    public K8sClient(String kubeConfigPath) {
        try {
            this.apiClient = ClientBuilder.kubeconfig(KubeConfig.loadKubeConfig(new FileReader(kubeConfigPath))).build();
        } catch (IOException e) {
            log.error("read kubeConfigPath error", e);
            throw new RuntimeException("read kubeConfigPath error");
        } catch (Exception e) {
            log.error("build K8s-Client error", e);
            throw new RuntimeException("build K8s-Client error");
        }
    }

    /**
     * get all Pods
     *
     * @return podList
     */
    public V1PodList getAllPodList() {
        // new a CoreV1Api
        CoreV1Api api = new CoreV1Api(apiClient);

        // invokes the CoreV1Api client
        try {
            V1PodList list = api.listPodForAllNamespaces(null, null, null, null, null, null, null, null, null, null);
            return list;
        } catch (ApiException e) {
            log.error("get podlist error:" + e.getResponseBody(), e);
        }
        return null;
    }

    /**
     * create k8s service
     *
     * @param namespace   
     * @param serviceName 
     * @param port        
     * @param selector    
     * @return 
     */
    public V1Service createService(String namespace, String serviceName, Integer port, Map<String, String> selector) {
        V1Service svc = new V1ServiceBuilder()
                .withNewMetadata()
                .withName(serviceName)
                .endMetadata()
                .withNewSpec()
                .addNewPort()
                .withProtocol("TCP")
                .withPort(port)
                .withTargetPort(new IntOrString(port))
                .endPort()
                .withSelector(selector)
                .endSpec()
                .build();

        // Deployment and StatefulSet is defined in apps/v1, so you should use AppsV1Api instead of CoreV1API
        CoreV1Api api = new CoreV1Api(apiClient);
        V1Service v1Service = null;
        try {
            v1Service = api.createNamespacedService(namespace, svc, null, null, null);
        } catch (ApiException e) {
            log.error("create service error:" + e.getResponseBody(), e);
        } catch (Exception e) {
            log.error("create service system error:", e);
        }
        return v1Service;
    }

    /**
     * create k8s V1Ingress
     *
     * @param namespace
     * @param ingressName
     * @param annotations
     * @param path
     * @param serviceName
     * @param servicePort
     * @return
     */
    public V1Ingress createV1Ingress(String namespace, String ingressName, Map<String, String> annotations, String path,
                                     String serviceName, Integer servicePort) {
        //build ingress yaml
        V1Ingress ingress = new V1IngressBuilder()
                .withNewMetadata()
                .withName(ingressName)
                .withAnnotations(annotations)
                .endMetadata()
                .withNewSpec()
                .addNewRule()
                .withHttp(new V1HTTPIngressRuleValueBuilder().addToPaths(new V1HTTPIngressPathBuilder()
                        .withPath(path)
                        .withPathType("Prefix")
                        .withBackend(new V1IngressBackendBuilder()
                                .withService(new V1IngressServiceBackendBuilder()
                                        .withName(serviceName)
                                        .withPort(new V1ServiceBackendPortBuilder()
                                                .withNumber(servicePort).build()).build()).build()).build()).build())
                .endRule()
                .endSpec()
                .build();


        NetworkingV1Api api = new NetworkingV1Api(apiClient);
        V1Ingress v1Ingress = null;
        try {
            v1Ingress = api.createNamespacedIngress(namespace, ingress, null, null, null);
        } catch (ApiException e) {
            log.error("create ingress error:" + e.getResponseBody(), e);
        } catch (Exception e) {
            log.error("create ingress system error:", e);
        }
        return v1Ingress;
    }


    /**
     * create k8s ExtensionIngress
     *
     * @param namespace
     * @param ingressName
     * @param annotations
     * @param path
     * @param serviceName
     * @param servicePort
     * @return
     */
    public ExtensionsV1beta1Ingress createExtensionIngress(String namespace, String ingressName, Map<String, String> annotations, String path,
                                                           String serviceName, Integer servicePort) {
        //build ingress yaml
        ExtensionsV1beta1Ingress ingress = new ExtensionsV1beta1IngressBuilder()
                .withNewMetadata()
                .withName(ingressName)
                .withAnnotations(annotations)
                .endMetadata()
                .withNewSpec()
                .addNewRule()
                .withHttp(new ExtensionsV1beta1HTTPIngressRuleValueBuilder().addToPaths(new ExtensionsV1beta1HTTPIngressPathBuilder()
                        .withPath(path)
                        .withBackend(new ExtensionsV1beta1IngressBackendBuilder()
                                .withServiceName(serviceName)
                                .withServicePort(new IntOrString(servicePort)).build()).build()).build())
                .endRule()
                .endSpec()
                .build();

        ExtensionsV1beta1Api api = new ExtensionsV1beta1Api(apiClient);
        ExtensionsV1beta1Ingress extensionsV1beta1Ingress = null;
        try {
            extensionsV1beta1Ingress = api.createNamespacedIngress(namespace, ingress, null, null, null);
        } catch (ApiException e) {
            log.error("create ingress error:" + e.getResponseBody(), e);
        } catch (Exception e) {
            log.error("create ingress system error:", e);
        }
        return extensionsV1beta1Ingress;
    }
}

以上只是一些关键代码,所有代码请参见下面代码仓库

代码仓库

4.测试

获取pods

@Test
public void getAllPodListTest() {
    String kubeConfigPath = "C:\\Users\\Dell\\.kube\\config";
    if (!new File(kubeConfigPath).exists()) {
        System.out.println("kubeConfig not exist,jump over");
        return;
    }
    K8sClient k8sClient = new K8sClient(kubeConfigPath);
    V1PodList podList = k8sClient.getAllPodList();
    for (V1Pod item : podList.getItems()) {
        System.out.println(item.getMetadata().getNamespace() + ":" + item.getMetadata().getName());
    }
}

输出结果

default:nginx-6b5775b9c6-kqh5j
kube-system:coredns-5dd5756b68-7f4mj
kube-system:etcd-minikube
kube-system:kube-apiserver-minikube
kube-system:kube-controller-manager-minikube
kube-system:kube-proxy-pnt5q
kube-system:kube-scheduler-minikube
kube-system:metrics-server-7c66d45ddc-4jp25
kube-system:storage-provisioner
kubernetes-dashboard:dashboard-metrics-scraper-7fd5cb4ddc-bpvvs
kubernetes-dashboard:kubernetes-dashboard-8694d4445c-98vfm
middleware:mongodb-enterprise-operator-6dcd58f895-tmcr8
middleware:ops-manager-0
middleware:ops-manager-1
middleware:ops-manager-2
middleware:ops-manager-db-0
middleware:ops-manager-db-1
middleware:ops-manager-db-2

创建Ingress

@Test
public void createV1IngressTest() {
    String kubeConfigPath = "C:\\Users\\Dell\\.kube\\config";
    if (!new File(kubeConfigPath).exists()) {
        System.out.println("kubeConfig not exist,jump over");
        return;
    }
    K8sClient k8sClient = new K8sClient(kubeConfigPath);
    String namespace = "default";
    String ingressName = "my-nginx-ingress";
    Map<String, String> annotations = new HashMap<>();
    annotations.put("nginx.ingress.kubernetes.io/rewrite-target", "/");
    String path = "/my-nginx";
    String serviceName = "my-nginx-service";
    Integer servicePort = 80;
    V1Ingress v1Ingress = k8sClient.createV1Ingress(namespace, ingressName, annotations, path, serviceName, servicePort);
    System.out.println(v1Ingress != null ? v1Ingress.getMetadata() : null);
}

创建Service

@Test
public void createServiceTest() {
    String kubeConfigPath = "C:\\Users\\Dell\\.kube\\config";
    if (!new File(kubeConfigPath).exists()) {
        System.out.println("kubeConfig not exist,jump over");
        return;
    }
    K8sClient k8sClient = new K8sClient(kubeConfigPath);
    String namespace = "default";
    String serviceName = "my-nginx-service";
    Integer port = 80;
    Map<String, String> selector = new HashMap<>();
    selector.put("run", "my-nginx");
    V1Service v1Service = k8sClient.createService(namespace, serviceName, port, selector);
    System.out.println(v1Service != null ? v1Service.getMetadata() : null);
}

5.引用

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