Entwickeln von Anwendungen unter Kubernetes mit Okteto

Der Autor hat Girls Who Code dazu ausgewählt, im Rahmen des Programms Write for DOnations eine Spende zu erhalten.

Einführung

Die Okteto CLI ist ein Open-Source-Projekt, das ein lokales Entwicklungserlebnis für Anwendungen ermöglicht, die unter Kubernetes ausgeführt werden. Damit können Sie Ihren Code in Ihrer lokalen IDE schreiben und, sobald Sie die Datei speichern, die Änderungen in Ihren Kubernetes-Cluster übertragen, woraufhin Ihre App sofort aktualisiert wird. Das alles ist möglich, ohne dass Sie Docker-Images erstellen oder Kubernetes-Manifeste anwenden müssen. Auf diese Weise können Sie viel Zeit sparen.

In diesem Tutorial nutzen Sie Okteto, um die Produktivität beim Entwickeln von Kubernetes-nativen Anwendungen zu verbessern. Zuerst erstellen Sie einen Kubernetes-Cluster und verwenden ihn zur Ausführung einer standardmäßigen „Hello World“-Anwendung. Dann nutzen Sie Okteto, um Ihre Anwendung zu entwickeln und automatisch zu aktualisieren, ohne dass Sie lokal etwas installieren müssen.

Voraussetzungen

Bevor Sie mit diesem Tutorial beginnen, benötigen Sie Folgendes:

• Ein Kubernetes 1.12±Cluster. In diesem Tutorial wird ein DigitalOcean Kubernetes-Cluster mit drei Knoten verwendet, aber Sie können auf Wunsch auch mit einer anderen Methode einen Cluster erstellen.
• kubectl und doctl, installiert und so konfiguriert, dass sie mit Ihrem Cluster kommunizieren.
• Ein Docker Hub-Konto
• Docker, das auf Ihrem lokalen Rechner ausgeführt wird.

Schritt 1 — Erstellen der Hello World-Anwendung

Das „Hello World“-Programm hat eine lange Tradition in der Webentwicklung. In unserem Fall ist es ein einfacher Webdienst, der auf jede Anfrage mit „Hello World“ antwortet. Nachdem Sie Ihren Kubernetes-Cluster eingerichtet haben, erstellen wir nun eine „Hello World"-App in Golang sowie die Manifeste, die Sie zur Bereitstellung in Kubernetes nutzen werden.

Wechseln Sie zunächst in Ihr Stammverzeichnis:

cd ~

Erstellen Sie nun ein neues Verzeichnis namens hello_world und wechseln Sie hinein:

mkdir hello_world
cd hello_world

Erstellen und öffnen Sie mit Ihrer bevorzugten IDE oder Ihrem bevorzugten Texteditor eine neue Datei namens main.go:

nano main.go

main.go wird ein Golang-Webserver sein, der die Nachricht Hello World! zurückgibt. Verwenden wir also den folgenden Code:

package main

import (
    "fmt"
    "net/http"
)

func main() {
    fmt.Println("Starting hello-world server...")
    http.HandleFunc("/", helloServer)
    if err := http.ListenAndServe(":8080", nil); err != nil {
        panic(err)
    }
}

func helloServer(w http.ResponseWriter, r *http.Request) {
    fmt.Fprint(w, "Hello world!")
}

Der Code in main.go tut Folgendes:

• Die erste Anweisung in einer Go-Quelldatei muss der Name des Pakets (package) sein. Ausführbare Befehle müssen stets package main nutzen.
• Der import-Abschnitt gibt an, von welchen Paketen der Code abhängt. In diesem Fall werden fmt zur Zeichenfolgenbearbeitung und net/http für den HTTP-Server genutzt.
• Die Funktion main ist der Einstiegspunkt in Ihre Binärdatei. Die Methode http.HandleFunc dient dazu, den Server so zu konfigurieren, dass die Funktion helloServer aufgerufen wird, wenn eine Anfrage an den Pfad / empfangen wird. http.ListenAndServe startet einen HTTP-Server, der an allen Netzwerkschnittstellen an Port 8080 lauscht.
• Die Funktion helloServer enthält die Logik Ihres Anforderungshandlers. In diesem Fall wird sie Hello World! als Antwort auf die Anforderung schreiben.

Sie müssen ein Docker-Image erstellen und in Ihre Docker-Registrierung verschieben, damit Kubernetes es aufnehmen und die Anwendung ausführen kann.

Öffnen Sie mit Ihrer bevorzugten IDE oder Ihrem bevorzugten Texteditor eine neue Datei namens Dockerfile:

nano Dockerfile

Die Datei Dockerfile enthält die zum Erstellen des Docker-Containers Ihrer Anwendung erforderlichen Befehle. Verwenden Sie folgenden Code:

FROM golang:alpine as builder
RUN apk --update --no-cache add bash
WORKDIR /app
ADD . .
RUN go build -o app

FROM alpine as prod
WORKDIR /app
COPY --from=builder /app/app /app/app
EXPOSE 8080
CMD ["./app"]

Die Datei Dockerfile enthält zwei Stufen: builder und prod.

• Die Stufe builder enthält die Go-Build-Tools. Sie ist verantwortlich für das Kopieren der Dateien und das Erstellen der Go-Binärdatei.
• Die Stufe prod ist das endgültige Image. Sie wird nur ein grundlegendes Betriebssystem und die Binärdatei der Anwendung enthalten.

Dies ist eine empfehlenswerte Praxis. Mit dieser Lösung werden Ihre Produktionscontainer kleiner und sicherer, da sie nur Ihre Anwendung und genau das enthalten, was zur Ausführung benötigt wird.

Erstellen Sie das Container-Image (ersetzen Sie your_DockerHub_username durch Ihren Docker Hub-Benutzernamen):

docker build -t your_DockerHub_username/hello-world:latest

Pushen Sie es nun an Docker Hub:

docker push your_DockerHub_username/hello-world:latest

Erstellen Sie als Nächstes einen neuen Ordner für die Kubernetes-Manifeste:

mkdir k8s

Wenn Sie ein Kubernetes-Manifest nutzen, teilen Sie Kubernetes mit, wie Sie Ihre Anwendung ausführen möchten. Dieses Mal erstellen Sie ein deployment-Objekt. Erstellen Sie also mit Ihrer bevorzugten IDE oder Ihrem bevorzugten Texteditor eine neue Datei namens deployment.yaml:

nano k8s/deployment.yaml

Der folgende Inhalt beschreibt ein Kubernetes-Bereitstellungsobjekt, das das Docker-Image okteto/hello-world:latest ausführt. Fügen Sie diesen Inhalt in Ihre neue Datei ein, aber ersetzen Sie in Ihrem Fall okteto, das nach der Bezeichnung image aufgeführt wird, durch your_DockerHub_username (Ihren DockerHub-Benutzernamen):

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: hello-world
spec:
  selector:
    matchLabels:
      app: hello-world
  replicas: 1
  template:
    metadata:
      labels:
        app: hello-world
    spec:
      containers:
      - name: hello-world
        image: your_DockerHub_username/hello-world:latest
        ports:
        - containerPort: 8080

Das Bereitstellungsmanifest verfügt über drei Hauptabschnitte:

• metadata definiert den Namen für Ihre Bereitstellung.
• replicas legt fest, wie viele Kopien davon Sie ausführen möchten.
• template teilt Kubernetes mit, was bereitgestellt werden soll und welche Bezeichnungen hinzugefügt werden sollen. In diesem Fall ist es ein einzelner Container mit dem Image okteto/hello-world:latest, der an Port 8080 lauscht, mit der Bezeichnung app: hello-world. Beachten Sie, dass diese Bezeichnung die gleiche ist wie im Bereich selector (Auswahl).

Sie benötigen nun eine Möglichkeit, auf Ihre Anwendung zuzugreifen. Sie können eine Anwendung in Kubernetes verfügbar machen, indem Sie ein Dienstobjekt erstellen. Lassen Sie uns dazu weiterhin Manifeste verwenden. Erstellen Sie also mit Ihrer bevorzugten IDE oder Ihrem bevorzugten Texteditor eine neue Datei namens service.yaml:

nano k8s/service.yaml

Der folgende Inhalt beschreibt einen Dienst, der das hello-world-Bereitstellungsobjekt verfügbar macht, das darunter einen DigitalOcean-Load Balancer nutzen wird:

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: hello-world
spec:
  type: LoadBalancer
  ports:
    - protocol: TCP
      port: 80
      targetPort: 8080
      name: http
  selector:
    app: hello-world

Das Dienstmanifest verfügt über vier Hauptabschnitte:

• metadata teilt Kubernetes mit, wie der Dienst heißen soll.
• type teilt Kubernetes mit, wie Sie Ihren Dienst verfügbar machen möchten. In diesem Fall wird er extern über einen DigitalOcean-Load Balancer verfügbar gemacht.
• Die Bezeichnung ports teilt Kubernetes mit, welche Ports Sie verfügbar machen möchten und wie sie Ihrer Bereitstellung zugeordnet werden sollen. In diesem Fall werden Sie Port 80 extern verfügbar machen und an Port 8080 in Ihrer Bereitstellung weiterleiten.
• selector teilt Kubernetes mit, wie Datenverkehr weitergeleitet werden soll. In diesem Fall empfängt jeder Pod mit der Bezeichnung app: hello-world Datenverkehr.

Sie haben nun alles, um Ihre „Hello World“-Anwendung in Kubernetes bereitzustellen. Das werden wir als Nächstes tun.

Schritt 2 — Bereitstellen Ihrer Hello World-Anwendung

In diesem Schritt werden Sie Ihre „Hello World“-Anwendung in Kubernetes bereitstellen und dann überprüfen, ob sie richtig funktioniert.

Beginnen Sie zunächst mit der Bereitstellung Ihrer Anwendung in Kubernetes:

kubectl apply -f k8s

Sie sehen die folgende Ausgabe:

Output
deployment.apps "hello-world" created
service "hello-world" created

Nach etwa einer Minute können Sie die IP-Adresse Ihrer Anwendung abrufen. Verwenden Sie den Befehl kubectl, um Ihren Dienst zu überprüfen:

kubectl get service hello-world

Sie sehen eine Ausgabe, die in etwa wie folgt aussieht und Ihre Kubernetes-Dienstobjekte auflistet. Notieren Sie sich die IP-Adresse Ihrer Anwendung in der Spalte EXTERNAL-IP:

Output
NAME          TYPE        CLUSTER-IP         EXTERNAL-IP       PORT(S)    AGE
hello-world   ClusterIP   your_cluster_ip   your_external_ip  8080/TCP   37s

Öffnen Sie Ihren Browser und gehen Sie zu your_external_ip, die für Ihre „Hello World“-Anwendung aufgelistet ist. Vergewissern Sie sich, dass Ihre Anwendung ausgeführt, bevor Sie mit dem nächsten Schritt fortfahren.

Bis jetzt sind Sie einem relativ traditionellen Pfad zur Entwicklung von Anwendungen mit Kubernetes gefolgt. Wenn Sie in Zukunft den Code in Ihrer Anwendung ändern möchten, müssen Sie ein neues Docker-Image erstellen und pushen und dann das Image aus Kubernetes abrufen. Dieser Prozess kann etwas länger dauern. Okteto dient dazu, diesen Inner-Loop bei der Entwicklung zu optimieren. Sehen wir uns die Okteto CLI um zu erfahren, wie sie uns helfen kann.

Schritt 3 — Installieren der Okteto CLI

Sie können nun die Produktivität bei der Kubernetes-Entwicklung erhöhen, indem Sie die Okteto CLI installieren. Die Okteto Command Line Interface ist ein Open-Source-Projekt, das Sie Änderungen an Anwendungscode für eine Anwendung, die unter Kubernetes ausgeführt wird, synchronisieren lässt. Sie können Ihre bevorzugten IDEs, Debugger oder Compiler weiter nutzen, ohne Container zum Testen Ihrer Anwendung committen, erstellen, pushen oder neu bereitstellen zu müssen – wie Sie es noch in den vorherigen Schritten getan haben.

Um die Okteto CLI auf einem MacOS- oder Linux-Rechner zu installieren, führen Sie den folgenden Befehl aus:

curl https://get.okteto.com -sSfL | sh

Sehen wir uns diesen Befehl näher an:

• Der Befehl curl dient dazu, Daten an und von einem Server zu übertragen.
• Das Flag -s unterdrückt jede Ausgabe.
• Das Flag -S zeigt Fehler an.
• Das Flag -f bewirkt, dass die Anforderung bei HTTP-Fehlern fehlschlägt.
• Das Flag -L sorgt dafür, dass die Anforderung Umleitungen folgt.
• Der Operator | leitet diese Ausgabe an den Befehl sh, der die neueste okteto-Binärdatei auf Ihren lokalen Rechner herunterladen und installieren wird.

Wenn Sie Windows ausführen, können Sie die Datei alternativ über Ihren Webbrowser herunterladen und manuell Ihrem $PATH hinzufügen.

Sobald die Okteto CLI installiert ist, können Sie Ihre „Hello World“-Anwendung in den Entwicklungsmodus versetzen.

Schritt 4 — Versetzen Ihrer Hello World-Anwendung in den Entwicklungsmodus

Die Okteto CLI ist so konzipiert, dass die Anwendung, die in einem Kubernetes-Cluster ausgeführt wird, durch den Code, den Sie auf Ihrem Rechner haben, ausgetauscht wird. Okteto verwendet dazu die von einer Okteto Manifest-Datei bereitgestellten Daten. Diese Datei deklariert das Kubernetes-Bereitstellungsobjekt, das mit Ihrem lokalen Code ausgetauscht wird.

Erstellen Sie mit Ihrer bevorzugten IDE oder Ihrem bevorzugten Texteditor eine neue Datei namens okteto.yaml:

nano okteto.yaml

Schreiben wir nun ein einfaches Manifest, in dem wir den Namen des Bereitstellungsobjekts, das zu verwendende Docker-Image und eine Shell definieren. Wir werden später auf diese Daten zurückgreifen. Verwenden Sie die folgende Beispielinhaltsdatei:

name: hello-world
image: okteto/golang:1
workdir: /app
command: ["bash"]

Bereiten Sie Ihre Anwendung auf das Versetzen in den Entwicklungsmodus vor, indem Sie folgenden Befehl ausführen:

okteto up

Output
 ✓  Development environment activated
 ✓  Files synchronized
    Namespace: default
    Name:      hello-world

Welcome to your development environment. Happy coding!
default:hello-world /app>

Der Befehl okteto up verschiebt die „Hello World“-Anwendung in eine Entwicklungsumgebung, was bedeutet:

• Der Hello World-Anwendungscontainer wird mit dem Docker-Image okteto/golang:1 aktualisiert. Dieses Image enthält die erforderlichen dev-Tools, um die „Hello World“-Anwendung zu erstellen, zu testen, zu debuggen und auszuführen.

• Ein Dateisynchronisierungsdienst wird erstellt, um Änderungen zwischen Ihrem lokalen Dateisystem und Ihren Anwendungs-Pods zu synchronisieren.

• In Ihrer Entwicklungsumgebung wird eine Remote-Shell gestartet. Sie können Ihre Anwendung nun erstellen, testen und ausführen, als befände Sie sich auf Ihrem lokalen Rechner.

• Egal, welchen Prozess Sie in der Remote-Shell ausführen, werden Sie den gleichen eingehenden Datenverkehr sowie die gleichen Umgebungsvariablen, Volumes oder Geheimnisse wie die ursprünglichen „Hello World“-Anwendungs-Pods erhalten. So profitieren Sie von einer sehr realistischen, produktionsähnlichen Entwicklungsumgebung.

Führen Sie in der gleichen Konsole nun die Anwendung aus, wie Sie es normalerweise tun würden (ohne ein Docker-Image zu erstellen und zu pushen):

go run main.go

Output
Starting hello-world server...

Bei der ersten Ausführung der Anwendung wird Go Ihre Abhängigkeiten herunterladen und Ihre Anwendung kompilieren. Warten Sie, bis der Prozess abgeschlossen ist, und testen Sie Ihre Anwendung, indem Sie Ihren Browser öffnen und die Seite Ihrer Anwendung aktualisieren, wie Sie es zuvor getan haben.

Sie können nun direkt in Kubernetes mit der Entwicklung beginnen.

Schritt 5 — Entwickeln direkt in Kubernetes

Beginnen wir nun, Änderungen an der „Hello World“-Anwendung vorzunehmen und zu ermitteln, wie sich diese Änderungen in Kubernetes widerspiegeln.

Öffnen Sie die Datei main.go mit Ihrer bevorzugten IDE oder Ihrem bevorzugten Texteditor. Öffnen Sie beispielsweise eine separate Konsole und führen Sie den folgenden Befehl aus:

nano main.go

Ändern Sie dann Ihre Antwortnachricht in Hello World from DigitalOcean! :

package main

import (
    "fmt"
    "net/http"
)

func main() {
    fmt.Println("Starting hello-world server...")
    http.HandleFunc("/", helloServer)
    if err := http.ListenAndServe(":8080", nil); err != nil {
        panic(err)
    }
}

func helloServer(w http.ResponseWriter, r *http.Request) {
    fmt.Fprint(w, "Hello world from DigitalOcean!")
}

Hier ändert sich Ihr Workflow. Anstatt Images zu erstellen und Container neu bereitzustellen, um die „Hello World“-Anwendung zu aktualisieren, synchronisiert Okteto Ihre Änderungen mit Ihrer Entwicklungsumgebung in Kubernetes.

Löschen Sie über die Konsole, in der Sie den Befehl okteto up ausgeführt haben, die Ausführung von go run main.go, indem Sie STRG + C drücken. Führen Sie die Anwendung nun erneut aus:

default:hello-world /app> go run main.go

Output
Starting hello-world server...

Kehren Sie zurück zum Browser und laden Sie die Seite für Ihre „Hello World“-Anwendung neu.

Ihre Codeänderungen wurden auf Kubernetes sofort angewendet, ohne Commit-, Build- oder Push-Operationen.

Zusammenfassung

Okteto verwandelt Ihren Kubernetes-Cluster mit nur einem Klick in eine vollwertige Entwicklungsplattform. In diesem Tutorial haben Sie die Okteto CLI installiert und konfiguriert, um Ihre Codeänderungen direkt in Kubernetes zu iterieren – und zwar so schnell, wie Sie Code eingeben. Überprüfen Sie nun das Okteto-Beispielrepository, um zu sehen, wie sich Okteto mit verschiedenen Programmiersprachen und Debuggern verwenden lässt.

Wenn Sie einen Kubernetes-Cluster mit Ihrem Team teilen, sollten Sie den einzelnen Mitgliedern Zugriff auf einen sicheren Kubernetes-Namespace gewähren, der so konfiguriert ist, dass er von anderen Entwicklern, die im gleichen Cluster arbeiten, isoliert wird. Diese praktische Funktion wird auch von der Okteto App im DigitalOcean Kubernetes Marketplace bereitgestellt.