一、Operator是什么，解决了什么问题

1.1、为什么需要Operator

1.1.1、无状态和有状态

K8s作为容器编框架，可以减轻配置、部署、管理和监控大规模容器应用的负担，早期的k8s非常善于管理无状态的应用程序，比如k8s提供的Deployment控制器，他认为所有的Pod都是完全一样的，Pod间没有顺序和依赖，扩容的时候，就根据模板创建一个一模一样的新的应用，也可以任意删除Pod。
但对于向DB这样的有状态的应用程序，添加删除实例可能需要不同的节点做不同的配置，与已有的集群进行通信写上等，这些操作通常需要我们人工来干预，这就会增加运维的负担，并增加出错的可能性，最重要的是他消除了k8s的一个主要的卖点：自动化。

这是一个大问题，那么如果在k8s中管理有状态的应用程序呢？

1.1.2、StatefulSet的价值和不足

k8s 1.5版本开始，出现了StatefulSet, StatefulSet提供了一系列资源来处理有状态的容器，比如: volume, 稳定的网络标识，从0到N的顺序索引等。通过为Pod编号，再使用k8s里面的两个标准功能：headless service和PV/PVC，实现了对Pod的拓扑状态和存储状态的维护，从而让用户可以在k8s上运行有状态的应用。

然后StatefulSet只能提供受限的管理，通过StatefulSet我们还是需要编写复杂的脚步，通过判断节点编号来区别节点的关系和拓扑，需要关心具体的部署工作，并且一旦你的应用没法通过上述方式进行状态的管理，那就代表了StatefuleSet已经不能解决他的部署问题了。

既然StatefulSet不能完美的圣人管理有状态应用的工作，那么还有什么优雅的解决方案呢？答案是Operator。
Operator在2016年由CoreOS提出，用来扩充K8s管理有状态应用的能力。

二、Operator的核心原理

解释operator不得不提k8s中两个最具价值的理念：“声明式API”和“控制器模式”。

“声明式API”的核心原理，就是当用户向k8s提交了一个API对象描述之后，k8s会负责为你保证整个集群里各项资源的状态，都与你的API对象描述的需求相一致。k8s通过启动一种叫做“控制器模式”的无限循环，watch这些API对象的变化，不断检查，然后调谐，最后确保整个集群的状态与这个API对象的描述一致。

比如k8s自带的控制器：Deployment，如果我们想在k8s中部署双副本的Nginx服务，那么我们就定义一个repicas为2的Deployment对象，Deployment控制器watch到我们的对象后，通过控制循环，最终会帮我们在k8s启动两个Pod。

Operator是同样的道理，以我们的Redis Operator为例，为了实现Operator，我们首先需要将自定义对象的说明，注册到k8s中，这个对象的说明就叫做CRD(Custom Resource Definition)，用于描述我们Operator控制的应用：Redis集群实例，这样当用户告诉K8s我想要一个redis集群实例后，Redis Operator就能通过控制循环执行调谐逻辑达到用户定义状态。

所以Operator本质上是一个个特殊应用的控制器，其提供了一种在k8s API之上构建应用程序并在k8s上部署程序的方法，他允许开发中扩展k8s API，增加新功能，像管理k8s原生组件一样管理自定义的资源。如果你想运行一个Redis哨兵模式的主从集群，或者TiDB集群，那么你只需要提交一个声明就可以了，而不需要关心部署这些分布式的应用需要的相关领域的知识，Operator本身就可以做到创建应用、监控应用状态、扩缩容、升级、故障恢复、及资源清理等，从而将分布式应用的使用门槛降到最低。

2.1、Operator核心价值

• Operator扩展了k8s的能力
• Operator将人工的运维知识系统化为代码
• Operator以可扩展、可重复、标准化的方式实现目标
• Operator减轻了开发人员的负担

2.2、Operator服务化目标

用户想在k8s中快速的运行一些分布式有状态的应用，但他们本身不关心部署、运维，既然Operator可以灵活和优雅的管理有状态应用，我们可以做个Operator平台，基于Operator将K8s管理有状态应用的能力方便的暴露给用户。

核心的目标主要有两方面：
1、针对Operator平台

• 提供一个简单易用的控制台供用户使用，用户只需要点点鼠标，就能快速拉起有状态应用，并且能在控制台上实时看到应用部署的进度和事件，查看资源，更新资源等。
• 通用化，将应用名称等通用配置和应用参数（如：redis的maxclients, timeout等参数）解耦。这样带来的好处就是不同的Operator可以共用创建页面，而不需要为每种Operator定制创建页面，同时Operator暴露出更多的应用配置参数时，前端开发也不需关心，由后端通过API返回给前端参数，前端渲染参数，用户修改参数后，通过API传递到后端，后端将参数与模板渲染成最终的实例声明，提交到k8s中，节省了前端开发时间。
  
• 可以管理通过公共的Operator和Namespace私有的Operator创建的实例。用户可以用我们提供的公用的Operator，也可以把operator部署到自己的namespace，给自己的项目提供服务，但这两种operator创建的应用实例都可以通过operator控制台管理。
• 可以无限添加Operator

2、针对Operator控制器

• 拉起分布式集群，自动运行配置、运维
• 可以动态更改所控制应用参数
• 控制器本身需要无状态，不能依赖外部数据库等
• 实时更新状态，维护状态，推送事件
• 可以运行在集群范围，也能运行在单namespace, 并且可以共存，不能冲突；

针对上述目标，最终我们实现了operator控制台：

同时为Operator控制台定义了第一个Operator：Redis Operator，未来可推出更多的operator。

三、Redis Operator

3.1、Redis集群模式选型

我们知道Redis集群模式主要有主从模式、哨兵模式、Redis官方CLuster模式及社区的代理分区模式。

分析以上几种模式，主从模式的Redis集群不具备自动容错和恢复功能，主节点和从节点的宕机，都会导致读写请求失败，需要等待节点恢复才能恢复正常；
而Redis官方cluster模式及社区的代理分区模式，只有在数据量及并发数大的业务中才有使用需求。哨兵模式基于主从模式，但因为增加了哨兵节点，使得redis集群拥有了主从切换，故障转移的能力，系统可用性更好，而客户端也只需要通过哨兵节点拿到master和slave地址就能直接使用。因此我们决定为operator平台提供一个快速创建哨兵模式的redis集群的redis operator。

3.2、开源Operator的不足

目前已有一些开源的Redis Operator，通过对这些Operator分析，我们发现都不能满足我们的需求，这些开源的Operator：

• 不能设置redis密码
• 不能动态响应更改参数
• 没有维护状态，推送事件
• 不能在开启了istio自动注入的namespace中启动实例
• 只能运行在集群或但namespace模式

3.3、改进工作

我们定制开发了Redis Operator在Github上开源：https://github.com/ucloud/redis-operator，提供：

• 动态响应更改Redis配置参数
• 实时监控集群状态，并且推送事件，更新状态
• 误删除节点故障恢复
• 设置密码
• 打开关闭持久化快捷配置
• 暴露Prometheus metrics

使用Redis Operator我们可以很方便的起一个哨兵模式的集群，集群只有一个Master节点，多个slave节点，假如指定Redis集群的size为3，那么Redis Operator就会帮我们启动一个master节点，2个slave节点，同时启动是3个sentinel节点来管理Redis集群：

Redis Operator通过StatefulSet管理Redis节点，通过Deployment来管理Sentinel节点，这比管理裸Pod要容易，节省实现成本。同时创建一个Service指向所有的哨兵节点，通过Service对客户端提供查询Master，slave节点的服务。最终，Redis Operator控制循环会调谐集群的状态，设置集群的拓扑，让所有的Sentinel监控同一个Master节点，监控相同的Slave节点。Redis operator除了会watch实例的创建、更新、删除事件外，还会定时检测已有的集群的监控状态，实时把集群的状态记录到spec.status.conditions中：

status:
  conditions:
  - lastTransitionTime: "2019-09-06T11:10:15Z"
    lastUpdateTime: "2019-09-09T10:50:36Z"
    message: Cluster ok
    reason: Cluster available
    status: "True"
    type: Healthy
  - lastTransitionTime: "2019-09-06T11:12:15Z"
    lastUpdateTime: "2019-09-06T11:12:15Z"
    message: redis server or sentinel server be removed by user, restart
    reason: Creating
    status: "True"
    type: Creating

为了让用户通过kubectl快速查看redis集群的状态，我们在CRD中定义了如下的additionalPrinterConlums：additionalPrinterColumns：

- JSONPath: .spec.size
    description: The number of Redis node in the ensemble
    name: Size
    type: integer
  - JSONPath: .status.conditions[].type
    description: The status of Redis Cluster
    name: Status
    type: string
  - JSONPath: .metadata.creationTimestamp
    name: Age
    type: date

由于CRD的addtionalPrinterColumns对数组类型支持不完善，只能显示数组的第一个元数据，所以需要将spec.status.conditions中的状态按时间倒序，最新的状态显示在上方，方便用户查看最新的状态。通过使用也可以通过kubectl命令直接查看集群的监控状况：

3.4、快速持久化

我们还了解到，用户使用Redis时，有一些使用场景是直接将Redis当数据库用，需要持久化配置，而有些只是当做缓存，允许数据丢失。

为此，我们特意在Redis集群的CRD中添加了快速持久化配置的开关，默认为启用，这会为用户自动开启和配置RDB和AOF持久化，同时结合PVC(Persistent Volume Claim)可以将用户的数据持久化起来。但节点故障，被误删除时数据也不会丢失，并且PVC默认不会跟随Redis集群的删除而删除，当用户在相同namespace下启动同名的Redis集群时，又可以使用上次的PVC，从而恢复数据。

podAntiAffinity:
   preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
   - podAffinityTerm:
       labelSelector:
         matchLabels:
           app.kubernetes.io/component: redis
           app.kubernetes.io/managed-by: redis-operator
           app.kubernetes.io/name: test
           app.kubernetes.io/part-of: redis-cluster
           redis.kun/v1beta1: prj-shu_test
       topologyKey: kubernetes.io/hostname
     weight: 100

为了让Redis拥有更高的可用性，我们为Redis节点提供了设置node affinity, pod anti affinity的能力(可避免某些Pod部署在同一个Node上)，可以灵活的控制redis数据节点泡在不同Node或者不同数据中心，做到跨机房容灾。如上所示，redis operator缺省情况下，会为每个Pod注入podAntiAffinity，让每个redis服务尽量不会运行在同一个Node节点。

3.5、监控

Operator中还内置了Prometheus Exporter，不仅将operator自身的一些metrics暴露出来，还会将operator创建的每一个redis集群实例的状态通过metrics暴露出来。

这还不够，我们还为每个redis节点提供了单独暴露metrics的能力，用户可以在启动redis集群的时候，为每个redis节点注入单独的exporter，这样每个集群的每个redis暑假节点都能被我们单独的监控起来，结合Prometheus和AlterManager可以很方便的将Operator及Operator创建的实例监控起来。

结合Operator的运维、StatefulSet的能力，加上Sentinel的能力，等于说为Redis集群加了三重保险，可以确保集群的高可用。

参考链接：https://www.infoq.cn/article/pPP3LRqf8BApcg3azNL3