2024 IT 邦幫忙鐵人賽 - 【入門 Kubernetes 到考取 CKA 證照】
讓我們從「雲原生 (Cloud Native)」開始談起。
根據 CNCF(Cloud Native Computing Foundation) 的定義，雲原生旨在讓企業能在公有、私有、混合雲的環境中，建立和執行可擴展的「應用程式」，而這些應用則以微服務為架構，以容器為基礎在雲端上執行。
總之，雲原生並不是一項技術，而是一個「生態」，該生態以容器技術為核心，發展出各式各樣的服務架構與技術，而企業則在雲端環境挑選合適的技術與服務架構，部署穩定、可擴展的應用服務給使用者。
那為什麼最近雲原生變成了一個熱門的「buzzword」呢？這就得談談伺服器與服務架構的演進了。
我們知道用程式碼把服務寫好後，會放在伺服器上執行讓使用者存取。而最初的伺服器就是一台「實體電腦」，但如果一堆服務都跑在一台實體伺服器上，可能會造成套件、版本、環境之間的衝突，但是幫每個服務都買一台實體機顯然不划算，因此有了「虛擬機」的出現。
在實體電腦上模擬出多個虛擬機，讓每個服務都有自己的獨立環境，在具備隔離性的同時，環境的轉移也相當方便。不過虛擬機畢竟還是模擬了一整台電腦，對於服務來說有些功能根本用不到，所以虛擬機還是顯得有些肥大，所以後來就出現了容器。
容器在具備「隔離性高」與「環境轉移方便」的同時，遠比虛擬機來的更加輕量，因為容器只需要打包「服務本身」與其「相依的執行環境」，而不需要包含整個作業系統，所以不會像虛擬機那樣肥大。
以演進的方向來看，服務的執行環境正在朝著「輕量、獨立」的方向前進。
而容器的出現，則讓微服務架構的實踐更加如魚得水。在以前單體式架構的時代，所有功能都寫在同一個單元，隨然開發上較方便且直覺，但一旦某個小功能出錯可能會牽連到整個服務，且除錯、新增或刪除功能、版本更新時除了會影響整個服務之外，光是單元測試就要花不少時間。
而微服務的設計理念則是：
將服務中的每個小功能獨立出來，每個小功能彼此之間互相溝通、配合，對外看起來是一個服務整體，實際上則可以獨立的撰寫、除錯、部署、更新，在新增/刪除功能時也不用擔心影響到其他功能與整體服務。
容器的出現正好與微服務的設計理念不謀而合，將小功能打包成獨立的容器，完美的實現了微服務之間的「獨立性」，再搭配雲端平台提供的算力與各種便捷的部署、監控工具，「雲原生」就成為了現在大家常聽到的 buzzword 了。
講了那麼多，那剛開始提到的 CNCF 又是什麼來頭？CNCF 是一個由 Linux 基金會於 2015 年成立的組織，成員包括了 Google、IBM、Microsoft、AWS、Intel 等等，其宗旨為推廣雲原生技術的發展，用一句他們官網上的話來說就是：
“Make cloud native computing ubiquitous…” (讓雲原生無所不在)
與 CNCF 一起在 2015 年誕生的，就是 Kubernetes。
如果用一句話介紹 Kubernetes，我會說：一個容器管理平台。
Kubernetes，簡稱「K8s」(因為 K 到 s 之間有 8 個字母)，是一個用於自動化部署、擴展和管理容器化應用服務的開源平台。在微服務的架構下，可能有成百上千個容器，而這麼多容器該如何有效的管理，在目前 Kubernetes 就是最主流的解決方案。
K8s 的能夠做到以下幾點：
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自動化部署與回滾：當應用程式需要更新時，K8s 會「逐步」的更新這些應用，並確保應用程式的運行狀態符合你的期望。如果這些更新有問題，K8s 也能依照你的需求回滾到以前的版本。
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負載平衡 : K8s 能將網路流量平均分散到不同的容器上，讓應用服務能即使在流量高的情況下，仍然能穩定的被使用者存取。
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自我修復 : 如果容器出現故障，K8s 會嘗試重啟故障的容器，在容器準備好之前不會向使用者開放。
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水平擴展性 : 可以輕鬆擴展或縮減應用程式的規模，彈性的調整容器的數量，最佳化雲端算力資源的使用效率。
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容易轉移 : 能快速地將一台機器上的應用服務迅速轉移到另一台機器上。
K8s 可用於多種應用場景，例如前面提到的「微服務」，或是 CI/CD 等 DevOps 環境中。
筆者在前一陣子開始學習 K8s，在今年八月份順利通過了 CKA (Certified Kubernetes Administrator) 認證，想藉由本次鐵人賽將自學 K8s 的入門筆記整理出來，並且分享 CKA 的考試技巧與心得，希望能夠幫助到 K8s 的初學者與正在準備 CKA 考試的讀者。
在開始閱讀文章之前，以下三項技能建議先點起來：
每項的學習成本大約 0.5 ~ 1.5 小時左右，了解最基本的即可~
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Linux 基本操作能力：cd、ls、chmod、grep、mkdir、tail、curl、systemctl、標準化輸出、管線等等的操作就不多提了，重點是熟悉 vim 的操作方式，例如游標移動、新增行數、回到上一步(undo)、存檔退出等等，因為之後會有許多時間在編輯 yaml，熟悉 vim 會方便許多。
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了解基本的容器概念：至少要知道容器的基本概念，如果真的沒有概念，這裡提供三個步驟入門：
- 了解「為何需要容器？」
- 自己打包一個 image
- 將打包好的 image 變成容器跑起來。
這裡提供一個相當不錯的影片教學：「30 分鐘 Docker 入門教程」。
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網路的基本概念：例如 IP、Port、DNS、路由規則等等，可以去網路上找一篇講網路概論的文章補齊，簡單了解就好。
系列的開頭將會從 K8s 的基礎概念開始介紹，中間則會以 CKA 五大考試領域為章節，搭配實作來介紹不同的操作應用，最後在結尾分享 CKA 的考試技巧與心得，另外也將提供附錄做額外補充。
因此，章節的劃分大致規劃如下：
註：「*」為 CKA Optional，如果是專攻 CKA 的讀者，可以先跳過這個部分，後面有興趣再回來看(例如 helm)。
- Basic concept：
| 天數 | 主題 |
|---|---|
| Day 02 | Kubernetes 的架構與組件 |
| Day 03 | 使用 Kubeadm 建立 Kubernetes Cluster + 相關的 Bonus Tips |
| Day 04 | Pod |
| Day 05 | Pod 中的環境變數與指令 |
| Day 06 | ReplicaSet、Deployment & StatefulSet |
| Day 07 | Rolling Update & Rollback |
| Day 08 | Namespace |
| Day 09 | Service |
| Day 10 | kubectl 基本操作彙整 |
| Day 11 | *好用的專案部署工具 --- Helm |
- Storage：
| 天數 | 主題 |
|---|---|
| Day 12 | ConfigMap & Secret |
| Day 13 | Volume 的三種基本應用 --- emptyDir、hostPath、configMap & secret |
| Day 14 | PV、PVC & StorageClass |
- Workloads & Scheduling：
| 天數 | 主題 |
|---|---|
| Day 15 | Manual Scheduling(上)：nodeName & nodeSelector |
| Day 16 | Manual Scheduling(下)：Affinity & Taint |
| Day 17 | Static Pod & DaemonSet |
| Day 18 | *進階部署策略：Blue-Green & Canary |
| Day 19 | 資源管理 --- Pod QoS、LimitRange & ResourceQuota |
- Services & Networking：
| 天數 | 主題 |
|---|---|
| Day 20 | Kubernetes 的網路基本架構 |
| Day 21 | TLS/SSL in Kubernetes |
| Day 22 | 憑證管理與kubeconfig |
| Day 23 | Service 的路由 --- Ingress |
| Day 24 | Pod 的守門員 --- Network Policy |
- Cluster Configuration：
| 天數 | 主題 |
|---|---|
| Day 25 | Cluster upgrade |
| Day 26 | etcd 的備份與還原 |
| Day 27 | 權限管理 (一)：RBAC |
| Day 28 | 權限管理 (二)：Service Account |
| Day 29 | 權限管理 (三)：Security Context |
- Troubleshooting & Monitoring：
| 天數 | 主題 |
|---|---|
| Day 30 | Pod 的生命週期與監控 |
| Day 31 | Troubleshooting 小技巧 |
在文章的內容方面，系列的章節雖然以 CKA 的考試領域來劃分，但仍會提及 CKA 考試範圍之外的概念與相關實作，盡可能的涵蓋 K8s 的基礎操作，不會因為「這個考試不考、所以不寫了」。
目前 CNCF 比較重要的 K8s 相關認證有以下三張：
- CKA
- CKAD：
- CKS
CKA 主要針對 Kubernetes 的操作與管理能力進行考核，較偏向「管理」，CKAD 則偏向「開發」，而 CKS 偏向「資安」。
CKA 考試均為實作題，15~20 題不等，需要在兩小時內寫完，考試範圍有五大領域：
| Domain | weight |
|---|---|
| Storage | 10% |
| Troubleshooting | 30% |
| Workloads & Scheduling | 15% |
| Cluster Architecture, Installation & Configuration | 25% |
| Services & Networking | 20% |
五大領域下面還有更細的子領域，可參考 CKA 官網
CKA 考試的及格分數為 66 分，筆者在今年八月順利通過了考試：
考試成績：
證書：
今天我們從雲原生談起，從容器、微服務談到了 Kubernetes，簡單介紹了 Kubernetes 的特色，最後提到了本次鐵人賽的文章規劃與目標，希望透過基礎概念的介紹與實作，幫助到想入門 Kubernetes 或正在準備 CKA 的讀者！
參考資料