Kubernetes Operator на Python без фреймворков и SDK

Go на данный момент является монополистом среди языков программирования, которые люди выбирают для написания операторов для Kubernetes. Тому есть такие объективные причины, как:

1. Существует мощнейший фреймворк для разработки операторов на Go — Operator SDK.
2. На Go написаны такие «перевернувшие игру» приложения, как Docker и Kubernetes. Писать свой оператор на Go — говорить с экосистемой на одном языке.
3. Высокая производительность приложений на Go и простые инструменты для работы с concurrency «из коробки».

NB: Кстати, как написать свой оператор на Go, мы уже описывали в одном из наших переводов зарубежных авторов.

Но что, если изучать Go вам мешает отсутствие времени или, банально, мотивации? В статье приведен пример того, как можно написать добротный оператор, используя один из самых популярных языков, который знает практически каждый DevOps-инженер, — Python.

Встречайте: Копиратор — копировальный оператор!

Для примера рассмотрим разработку простого оператора, предназначенного для копирования ConfigMap либо при появлении нового namespace, либо при изменении одной из двух сущностей: ConfigMap и Secret. С точки зрения практического применения оператор может быть полезен для массового обновления конфигураций приложения (путем обновления ConfigMap) или же для обновления секретных данных — например, ключей для работы с Docker Registry (при добавлении Secret'а в namespace).

Итак, что должно быть у хорошего оператора:

1. Взаимодействие с оператором осуществляется при помощи Custom Resource Definitions (далее — CRD).
2. Оператор может настраиваться. Для этого будем использовать флаги командной строки и переменные окружения.
3. Сборка Docker-контейнера и Helm-чарта прорабатываются так, чтобы пользователи могли легко (буквально одной командой) установить оператор в свой Kubernetes-кластер.

CRD

Чтобы оператор знал, какие ресурсы и где ему искать, нам нужно задать для него правило. Каждое правило будет представлено в виде одного объекта CRD. Какие поля должны быть у этого CRD?

1. Тип ресурса, который мы будем искать (ConfigMap или Secret).
2. Список namespace'ов, в которых должны находиться ресурсы.
3. Selector, по которому мы будем искать ресурсы в namespace'е.

Опишем CRD:

apiVersion: apiextensions.k8s.io/v1beta1
kind: CustomResourceDefinition
metadata:
  name: copyrator.flant.com
spec:
  group: flant.com
  versions:
  - name: v1
    served: true
    storage: true
  scope: Namespaced
  names:
    plural: copyrators
    singular: copyrator
    kind: CopyratorRule
    shortNames:
    - copyr
  validation:
    openAPIV3Schema:
      type: object
      properties:
        ruleType:
          type: string
        namespaces:
          type: array
          items:
            type: string
        selector:
          type: string

И сразу же создадим простое правило — на поиск в namespace'е с именем default всех ConfigMap c label'ами вида copyrator: "true":

apiVersion: flant.com/v1
kind: CopyratorRule
metadata:
  name: main-rule
  labels:
    module: copyrator
ruleType: configmap
selector:
  copyrator: "true"
namespace: default

Готово! Теперь нужно как-то получить информацию о нашем правиле. Сразу оговорюсь, что самостоятельно писать запросы к API Server кластера мы не будем. Для этого воспользуемся готовой Python-библиотекой kubernetes-client:

import kubernetes
from contextlib import suppress


CRD_GROUP = 'flant.com'
CRD_VERSION = 'v1'
CRD_PLURAL = 'copyrators'


def load_crd(namespace, name):
    client = kubernetes.client.ApiClient()
    custom_api = kubernetes.client.CustomObjectsApi(client)

    with suppress(kubernetes.client.api_client.ApiException):
        crd = custom_api.get_namespaced_custom_object(
            CRD_GROUP,
            CRD_VERSION,
            namespace,
            CRD_PLURAL,
            name,
        )
    return {x: crd[x] for x in ('ruleType', 'selector', 'namespace')}

В результате работы этого кода получим следующее:

{'ruleType': 'configmap', 'selector': {'copyrator': 'true'}, 'namespace': ['default']}

Отлично: нам удалось получить правило для оператора. И самое главное — мы это сделали, что называется, Kubernetes way.

Переменные окружения или флаги? Берем всё!

Переходим к основной конфигурации оператора. Есть два базовых подхода к конфигурированию приложений:

1. использовать параметры командной строки;
2. использовать переменные окружения.

Параметры командной строки позволяют считывать настройки более гибко, с поддержкой и валидацией типов данных. В стандартной библиотеке Python'а есть модуль argparser, которым мы и воспользуемся. Подробности и примеры его возможностей доступны в официальной документации.

Вот как для нашего случая будет выглядеть пример настройки считывания флагов командной строки:

   parser = ArgumentParser(
        description='Copyrator - copy operator.',
        prog='copyrator'
    )
    parser.add_argument(
        '--namespace',
        type=str,
        default=getenv('NAMESPACE', 'default'),
        help='Operator Namespace'
    )
    parser.add_argument(
        '--rule-name',
        type=str,
        default=getenv('RULE_NAME', 'main-rule'),
        help='CRD Name'
    )
    args = parser.parse_args()

С другой стороны, при помощи переменных окружения в Kubernetes можно легко перенести служебную информацию о pod'е внутрь контейнера. Например, информацию о namespace, в котором запущен pod, мы можем получить следующей конструкцией:

env:
- name: NAMESPACE
  valueFrom:
     fieldRef:
         fieldPath: metadata.namespace 

Логика работы оператора

Чтобы понимать, как разделить методы для работы с ConfigMap и Secret, воспользуемся специальными картами. Тогда мы сможем понять, какие методы нам нужны для слежения и создания объекта:

LIST_TYPES_MAP = {
    'configmap': 'list_namespaced_config_map',
    'secret': 'list_namespaced_secret',
}

CREATE_TYPES_MAP = {
    'configmap': 'create_namespaced_config_map',
    'secret': 'create_namespaced_secret',
}

Далее необходимо получать события от API server. Реализуем это следующим образом:

def handle(specs):
    kubernetes.config.load_incluster_config()
    v1 = kubernetes.client.CoreV1Api()

    # Получаем метод для слежения за объектами
    method = getattr(v1, LIST_TYPES_MAP[specs['ruleType']])
    func = partial(method, specs['namespace'])

    w = kubernetes.watch.Watch()
    for event in w.stream(func, _request_timeout=60):
        handle_event(v1, specs, event)

После получения события переходим к основной логике его обработки:

# Типы событий, на которые будем реагировать
ALLOWED_EVENT_TYPES = {'ADDED', 'UPDATED'}


def handle_event(v1, specs, event):
    if event['type'] not in ALLOWED_EVENT_TYPES:
        return

    object_ = event['object']
    labels = object_['metadata'].get('labels', {})

    # Ищем совпадения по selector'у
    for key, value in specs['selector'].items():
        if labels.get(key) != value:
            return
    # Получаем активные namespace'ы
    namespaces = map(
        lambda x: x.metadata.name,
        filter(
            lambda x: x.status.phase == 'Active',
            v1.list_namespace().items
        )
    )
    for namespace in namespaces:
        # Очищаем метаданные, устанавливаем namespace
        object_['metadata'] = {
            'labels': object_['metadata']['labels'],
            'namespace': namespace,
            'name': object_['metadata']['name'],
        }
        # Вызываем метод создания/обновления объекта
        methodcaller(
            CREATE_TYPES_MAP[specs['ruleType']],
            namespace,
            object_
        )(v1)

Основная логика готова! Теперь нужно упаковать всё это в один Python package. Оформляем файл setup.py, пишем туда метаинформацию о проекте:

from sys import version_info

from setuptools import find_packages, setup

if version_info[:2] < (3, 5):
    raise RuntimeError(
        'Unsupported python version %s.' % '.'.join(version_info)
    )


_NAME = 'copyrator'
setup(
    name=_NAME,
    version='0.0.1',
    packages=find_packages(),
    classifiers=[
        'Development Status :: 3 - Alpha',
        'Programming Language :: Python',
        'Programming Language :: Python :: 3',
        'Programming Language :: Python :: 3.5',
        'Programming Language :: Python :: 3.6',
        'Programming Language :: Python :: 3.7',
    ],
    author='Flant',
    author_email='maksim.nabokikh@flant.com',
    include_package_data=True,
    install_requires=[
        'kubernetes==9.0.0',
    ],
    entry_points={
        'console_scripts': [
            '{0} = {0}.cli:main'.format(_NAME),
        ]
    }
)

NB: Клиент kubernetes для Python имеет своё версионирование. Подробнее о совместимости версий клиента и версий Kubernetes можно узнать из матрицы совместимостей.

Сейчас наш проект выглядит так:

copyrator
├── copyrator
│   ├── cli.py # Логика работы с командной строкой
│   ├── constant.py # Константы, которые мы приводили выше
│   ├── load_crd.py # Логика загрузки CRD
│   └── operator.py # Основная логика работы оператора
└── setup.py # Оформление пакета

Docker и Helm

Dockerfile будет до безобразия простым: возьмем базовый образ python-alpine и установим наш пакет. Его оптимизацию отложим до лучших времен:

FROM python:3.7.3-alpine3.9

ADD . /app

RUN pip3 install /app

ENTRYPOINT ["copyrator"]

Deployment для оператора тоже очень прост:

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: {{ .Chart.Name }}
spec:
  selector:
    matchLabels:
      name: {{ .Chart.Name }}
  template:
    metadata:
      labels:
        name: {{ .Chart.Name }}
    spec:
      containers:
      - name: {{ .Chart.Name }}
        image: privaterepo.yourcompany.com/copyrator:latest
        imagePullPolicy: Always
        args: ["--rule-type", "main-rule"]
        env:
        - name: NAMESPACE
          valueFrom:
            fieldRef:
              fieldPath: metadata.namespace
      serviceAccountName: {{ .Chart.Name }}-acc

Наконец, необходимо создать соответствующую роль для оператора с необходимыми правами:

apiVersion: v1
kind: ServiceAccount
metadata:
  name: {{ .Chart.Name }}-acc

---
apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1beta1
kind: ClusterRole
metadata:
  name: {{ .Chart.Name }}
rules:
  - apiGroups: [""]
    resources: ["namespaces"]
    verbs: ["get", "watch", "list"]
  - apiGroups: [""]
    resources: ["secrets", "configmaps"]
    verbs: ["*"]
---
apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1beta1
kind: ClusterRoleBinding
metadata:
  name: {{ .Chart.Name }}
roleRef:
  apiGroup: rbac.authorization.k8s.io
  kind: ClusterRole
  name: {{ .Chart.Name }}
subjects:
- kind: ServiceAccount
  name: {{ .Chart.Name }}

Итог

Вот так, без страха, упрека и изучения Go, мы смогли собрать своего собственного оператора для Kubernetes на Python. Конечно, ему ещё есть куда расти: в будущем он сможет обрабатывать несколько правил, работать в несколько потоков, самостоятельно мониторить изменения своих CRD…

Чтобы можно было поближе познакомиться с кодом, мы сложили его в публичный репозиторий. Если хочется примеров более серьезных операторов, реализованных при помощи Python, можете обратить своё внимание на два оператора для развёртывания mongodb (первый и второй).

P.S. А если вам лень разбираться с событиями Kubernetes или же вам попросту привычнее использовать Bash — наши коллеги приготовили готовое решение в виде shell-operator (мы анонсировали его в апреле).

P.P.S.

Читайте также в нашем блоге:

• «Готовить Kubernetes-кластер просто и удобно? Анонсируем addon-operator»;
• «Представляем shell-operator: создавать операторы для Kubernetes стало ещё проще»;
• «Расширяем и дополняем Kubernetes (обзор и видео доклада)»;
• «Пишем оператора для Kubernetes на Golang»;
• «Операторы для Kubernetes: как запускать stateful-приложения».