Kubernetes Operator 與 Custom Resources (CRD)

在 Kubernetes 中，我們熟悉了 Deployment, Service, ConfigMap 等內建資源。但如果這些內建資源無法滿足你的需求怎麼辦？例如，你想在 K8s 上管理一個 "MySQLCluster"，並且希望它能自動處理備份、Failover 與復原。

這時候，你需要的是 Custom Resources (自定義資源) 與 Operator Pattern。

這也是 Kubernetes 之所以在雲原生時代如此強大的原因：它允許你無限擴充 K8s 的 API。

什麼是 Custom Resource Definition (CRD)？

CRD 允許你定義「新的資源類型」。一旦你建立了 CRD，Kubernetes API Server 就會多出一種新的 API。

舉個例子，假設我們定義了一個叫做 MySQL 的 CRD，你就可以用這樣的 YAML 來建立資料庫：

# 這完全是自定義的 API Group (公司網域通常作為 Group Name)
apiVersion: database.example.com/v1
# 這是我們自己定義的 Resource Kind
kind: MySQL
metadata:
  name: my-db
spec:
  # 下面的欄位都是我們自己在 CRD 裡面定義的 (Schema)
  version: '8.0'
  storage: 100Gi
  replicas: 3

有了 CRD，K8s 只知道「有這個資料結構」，但還不知道「該怎麼做」。 就像你在資料庫開了一張表，但沒有程式去讀寫它，它就只是一個靜態的資料而已。

這時候就需要 Operator 出場了。

什麼是 Operator？

Operator 是一個軟體 (通常也是跑在 K8s 裡的 Pod)，它的工作是：

監聽 (Watch) 特定 CRD 的變動 (Create/Update/Delete)。
協調 (Reconcile): 比較「期望狀態 (Spec)」與「實際狀態 (Status)」。
執行動作: 呼叫 K8s API 或外部 API，讓實際狀態趨近於期望狀態。

公式：Operator = Controller + Custom Resource (CR) + Domain Knowledge (領域知識)

為什麼這很強大？

Operator 將「人類維運工程師的知識」寫成了程式碼。

傳統方式: 資料庫壞了 -> Call 工程師 -> 工程師 SSH 進去修 -> 恢復。
Operator: 資料庫壞了 -> Operator 偵測到 -> Operator 自動重啟/切換 -> 恢復。

常見的 Operator 範例

Kubernetes 生態系中有數千個 Operator，最著名的包括：

Prometheus Operator: 自動管理 Prometheus Server, AlertManager, 並且只要新增一個 ServiceMonitor CRD，Prometheus 就會自動去抓 metrics，完全不用手改設定檔。
ECK (Elastic Cloud on Kubernetes): 自動部署與管理 Elasticsearch Cluster。
Cert-Manager: 自動申請與續約 TLS 憑證 (支援 Let's Encrypt)。它定義了 Certificate 與 Issuer 這些 CRD。

實戰：安裝並使用 Cert-Manager

我們以 Cert-Manager 為例，看看 Operator 是如何運作的。

1. 安裝 Operator (連同 CRD)

大部分 Operator 都可以用 Helm 安裝：

helm repo add jetstack https://charts.jetstack.io
helm repo update

# 安裝 cert-manager
# installCRDs=true 會自動幫你建立 Certificate, Issuer 等 CRD
helm install cert-manager jetstack/cert-manager \
  --namespace cert-manager \
  --create-namespace \
  --set installCRDs=true

2. 檢查 CRD

安裝完後，你會發現叢集多了一些「看不懂」的資源類型：

kubectl get crd
# 輸出範例：
# certificates.cert-manager.io
# issuers.cert-manager.io
# ...

3. 使用自定義資源 (建立 Issuer)

有了 CRD，我們就能建立 ClusterIssuer 資源 (這不是 K8s 內建的，是 cert-manager 擴充的)：

# issuer.yaml
apiVersion: cert-manager.io/v1
kind: ClusterIssuer
metadata:
  name: letsencrypt-prod
spec:
  acme:
    email: user@example.com
    server: https://acme-v02.api.letsencrypt.org/directory
    privateKeySecretRef:
      name: letsencrypt-prod
    solvers:
      - http01:
          ingress:
            class: nginx

kubectl apply -f issuer.yaml

過程發生了什麼事？

你 Apply 了 YAML。
API Server 存下了這個物件。
Cert-Manager Controller (Operator) 監聽到有一個 ClusterIssuer 被建立了。
它開始驗證這個 Issuer 的設定是否正確，並準備好去跟 Let's Encrypt 溝通。

如何開發自己的 Operator？

雖然 Operator 很強大，但從零開始寫 Controller 非常困難 (要處理併發、Retry、Cache 等)。通常我們會使用框架來開發：

Kubebuilder: 官方 SIG 維護的 SDK (Go 語言)。最推薦，效能最好。
Operator SDK: RedHat 推出的 SDK，支援 Go, Ansible, Helm。

開發流程通常是：

定義 API (struct fields)。
生成 CRD YAML。
撰寫 Reconcile Loop (核心邏輯)。

總結

CRD: 定義 API 介面 (資料結構)。
Operator: 實作 API 邏輯 (程式碼)。
效益: 將複雜的「有狀態應用 (Stateful App)」或「維運流程」程式碼化，實現真正的自動化維運。

如果你只是想「使用」K8s，通常只需要會安裝現成的 Operator (如 Prometheus, ArgoCD)。但如果你想成為 K8s 專家或開發平台工具，理解並開發 Operator 是必經之路。