7.4 Implantação automática no Google Kubernetes Engine (GKE)

Para automatizar nosso fluxo de entrega e integração, vimos nas seções passadas que as automações são, geralmente, realizadas em servidores. Assim, levamos o versionamento de código para um repositório centralizado: Gitlab. Também publicamos a nossa imagem Docker em um repositório centralizado: Docker Hub. Por fim, vamos servir nosso classificador em um serviço de Kubernetes e não mais na nossa própria máquina.

Para fins didáticos, vamos buscar um serviço de Kubernetes que possa ser utilizado de forma gratuita. O link abaixo nos apresenta algumas opções:

Opções Free Tier de Kubernetes

Nesse tutorial utilizaremos a Google Kubernetes Engine (GKE) da Google Cloud Platform (GCP).

7.4.1 Setup

Configurando uma conta Google Cloud

O primeiro passo para provisionarmos um cluster Kubernetes é criarmos uma conta na google cloud.

Landing Page GCP - Free Tier

Através desse link você pode configurar a sua conta. Para novos usuários, a GCP oferece U$300 de crédito para o uso de alguns serviços.

ATENÇÃO: Uma ferramenta cloud possui políticas de preço para cada serviço, então esteja sempre atento aos serviços que você está utilizando. De preferência, elimine os objetos criados após a aula para evitar cobranças inesperadas.

Para conferir os seus créditos e o período de trial, acesse o Menu do console > Faturamento > Visão Geral.

GCP Faturamento

Utilizando e Instalando a Gcloud CLI

Para interagir com os serviços da GCP, podemos utilizar a UI do console Web ou podemos utilizar o terminal com o utilitário de linha de comando gcloud.

É recomendado o uso do utilitário gcloud, pois permite a reproducibilidade e automação das configurações que estamos realizando futuramente.

Temos duas opções para utilizar o gcloud CLI:

1. Via terminal do Cloud Shell

2. Via terminal da nossa estação de trabalho: Guia de instalação

Quickstart da configuração local

Para configuração local, devemos adicionar o pacote adicional gke-auth:

sudo apt-get install google-cloud-cli-gke-gcloud-auth-plugin

Na sequência, finalizamos a configuração da CLI com o comando abaixo:

gcloud init

Uma vez configurada, podemos listar a contas autenticadas:

gcloud auth list

Também podemos verificar informações da instalação:

gcloud info

Criando um cluster GKE

Agora que já temos o pré-requisito da gcloud CLI atendido, podemos criar um cluster GKE usando a linha de comando:

1. Primeiro vamos criar um projeto

gcloud projects create mba-mle-ufscar --name="mba-mle-ufscar"

1. Vamos ativar esse projeto

gcloud config set project mba-mle-ufscar

1. Habilitando o uso da API do GKE

gcloud services enable container.googleapis.com

1. Conferindo se o serviço está habilitado

gcloud services list --enabled

1. Criando um cluster no formato Autopilot

gcloud container clusters create-auto "autopilot-cluster-ufscar" --region "us-east1"

1. Conferindo o status do nosso cluster Kubernetes

gcloud container clusters list

Podemos conferir também pela UI, usando a rota: Console GCP > Kubernetes Engine > Clusters

Cluster criado na GCP

7.4.2 Realizando o deploy na nuvem de forma manual

Como fizemos nas seções anteriores, vamos primeiro realizar a implantação do nosso serviço "classificador" de forma manual para entendermos todos os passos e requisitos necessários. Assim, ficará mais claro como deve ser formato o script de automação.

Configurando o Kubectl

Como vimos na sessão 5.3, para interagir e realizar o deploy de aplicações no Kubernetes, podemos utilizar o utilitário de linha de comando kubectl. Portanto, se você ainda não realizou a instalação desse binário volte na sessão mencionada e siga o tutorial de instalação.

Conferindo a instalação do kubectl:

kubectl version

Configurando os parâmetros de acesso ao GKE Cloud:

gcloud container clusters get-credentials autopilot-cluster-ufscar

Agora podemos fazer um deployment "hello-world" para validar a configuração

kubectl create deployment hello-server --image=matheusvmleite/classificador-produtos

Agora, vamos expor o serviço do classificador para acesso público:

kubectl expose deployment hello-server --type LoadBalancer --port 80 --target-port 80

Podemos validar o nosso serviço classificador entrando no endereço IP onde nossa aplicação está exposta:

kubectl get service hello-server

Devemos ter um output com o External IP que podemos usar no nosso navegador para validar a aplicação

External IP Service

Também podemos analisar o output em yaml dos serviços criados, pois isso vai nos auxiliar na automação:

kubectl get svc hello-server -o yaml

Na interface do GKE, podemos conferir o deployment criado pela rota: Console GCP > Kubernetes Engine > Cargas de trabalho:

UI - Cargas de trabalho

Também na UI, podemos conferir os serviços criados e ter fácil acesso ou link do serviço pela rota: Console GCP > Kubernetes Engine > Serviços e Entradas:

UI - Serviços e Entradas

Pra finalizar, vamos deletar os objetos criados:

kubectl delete svc,deploy hello-server

Criando manifestos YAML

Para implantar nossa aplicação no GKE de forma consistente e automatizada, vamos precisar usar um arquivo manifesto YAML para definir o estado desejado dos recursos do Kubernetes.

Crie o arquivo classificador.yaml com a seguinte especificação:

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: classificador-server
  labels:
    app: api
spec:
  replicas: 1
  selector:
    matchLabels:
      app: api
  template:
    metadata:
      labels:
        app: api
    spec:
      containers:
      - name: api
        image: matheusvmleite/classificador-produtos
        ports:
        - containerPort: 80

---

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: classificador-svc
spec:
  selector:
    app: api
  type: LoadBalancer
  ports:
    - protocol: TCP
      port: 80
      targetPort: 80

Esse arquivo especifica dois objetos: Deployment e Service. O deployment faz o uso da imagem que estamos utilizando no curso para rodar a API do nosso classificador de produtos. Já o Service expõe essa API para acesso público por meio de um LoadBalance.

Criando objetos no K8S

Após criar os manifestos dos objetos que vamos criar no GKE, basta utilizarmos o comando abaixo para realizar o deploy:

kubectl apply -f classificador.yaml

Podemos validar nossa aplicação listando o serviço criado e acessando o external IP.

Finalizado o teste do deploy manual, basta remover o deployment:

kubectl delete -f classificador.yaml

7.4.3 Automatizando o deploy na Nuvem

Com toda experimentação que realizamos, alguns pré-requisitos para a automação do nosso deploy ficam claros:

1. Precisamos dos binários da gcloud e do kubectl

2. Precisamos de uma autenticação na GCP

3. Precisamos da configuração do cluster GKE no kubectl

Na sequência, vamos resolver cada um desses items e criar nossa automação.

Configurando uma conta de serviço

No deploy manual utilizamos nossa credencial pessoal para realizar a autenticação com o GCP. Na prática, automações de serviços cloud devem utilizar contas de serviço para se autenticar.

Para criar uma conta de serviço, podemos seguir os passos abaixo:

1. Criar uma conta de serviço

gcloud iam service-accounts create gitlab-gke \ 
--description "Conta para pipeline Gitlab" --display-name "gitlab-gke"

Uma identificação será criada para a conta de serviço com o seguinte padrão:

[e-mail]

No caso de uma conta com o nome "gitlab-gke" e projeto com nome "mba-mle-ufscar":

[e-mail]

1. Adicionar permissão de Agente de Serviço de Kubernetes Engine

gcloud projects add-iam-policy-binding mba-mle-ufscar \ --member="serviceAccount:[e-mail]" \
 --role="roles/container.serviceAgent"

1. Criar uma chave json de acesso

 gcloud iam service-accounts keys create ./key.json --iam-account [e-mail]

1. Encondar chave de acesso em base64

base64 -w 0 key.json > encoded_key.json

Criando uma variável no Gitlab com a chave de acesso

Agora, vamos utilizar o conteúdo do arquivo json encoded para criar nossa variável de ambiente no gitlab. Pra isso:

1. Acessar opção "Settings" no menu lateral do repositório no Gitlab

2. Opção CI/CD

3. Seção "Variables"

4. Criar a variável GKE_SERVICE_ACCOUNT com o conteúdo base64 do arquivo json.

Adicionando script de automação para o pipeline

Com todos os pré-requisitos configurados, podemos enfim atualizar o nosso arquivo .gitlab-ci.yaml:

default:
  image: python:3.9.6-slim


stages:
  - verify
  - quality
  - publish
+ - deploy

verify-python:
  stage: verify
  script:
    - python --version
    - whoami

verify-pip:
  stage: verify
  script:
    - pip --version

run-tests:
  stage: quality
  script:
    - pip install -r requirements.txt
    - python -m unittest


analyze-coverage:
  stage: quality
  script:
    - pip install -r requirements.txt
    - coverage run -m unittest
    - coverage report --fail-under=100 -m


publish-docker-hub:
  image: docker:19.03.12
  stage: publish  
  services:
    - docker:19.03.12-dind
  before_script:
    - docker login -u "$CI_REGISTRY_USER" -p "$CI_REGISTRY_PASSWORD"
  script:
    - docker build --pull -t "$CI_REGISTRY_IMAGE" .
    - docker push "$CI_REGISTRY_IMAGE"
  only:
    - main


+gcloud-deploy:
+  stage: deploy
+  image: google/cloud-sdk
+  script:
+    - echo $GKE_SERVICE_ACCOUNT | base64 -d > ~/encoded_serviceaccount.json
+    - gcloud auth activate-service-account --key-file ~/encoded_serviceaccount.json
+    - gcloud container --project "mba-mle-ufscar" clusters get-credentials autopilot-cluster-ufscar --region us-east1
+    - kubectl apply -f classificador.yaml
+  only:
+    - main

Essa alteração adiciona uma stage de deploy que será responsável por criar a nossa aplicação dentro do GKE.

De forma detalhada, o script cumpre as seguintes funções:

1. Cria um arquivo de autenticação com a CLI do gcloud.

2. Autentica com a Google Cloud usando a conta de serviço configurada

3. Configura o cluster 'autopilot-cluster-ufscar' pra ser utilizado pelo utilitário kubectl

4. Aplica os manifestos dos objetos do Kubernetes, efetivando o deploy.

Melhorando o deploy

Na nossa automação estamos utilizando o comando de apply para criar a nossa aplicação.

Porém, como não estamos versionando as imagens docker com tags, nas próximas execuções do pipeline vamos nos deparar com um cenário indesejado. Ao realizar o apply de uma imagem com o mesmo nome, os manifestos yaml não apresentam nenhuma alteração. Assim, o Kubernetes entender que não alterações a serem aplicadas.

Configuração unchanged

Para corrigir esse cenário, vamos criar um script bash chamado apply_and_restart.sh que irá verificar se após o commando apply temos um output de deployment unchanged. Se esse for o cenário encontrado, faremos um restart do deployment. Isso irá forçar que o Kubernetes sempre baixe a versão do classificador mais recente disponível no Docker Hub.

#!/bin/bash

DEPLOYMENT_NAME="classificador-server"

# Apply the deployment and capture the output
output=$(kubectl apply -f classificador.yaml)

echo $output

# Check if the output contains "unchanged"
if [[ $output == *"unchanged"* ]]; then
    echo "No changes detected. Performing rollout restart..."
    kubectl rollout restart deployment $DEPLOYMENT_NAME
else
    echo "Changes detected. Deployment not restarted."
fi

Por fim, basta adicionar a chamada do script na nossa automação de CI/CD:

default:
  image: python:3.9.6-slim


stages:
  - verify
  - quality
  - publish
  - deploy

verify-python:
  stage: verify
  script:
    - python --version
    - whoami

verify-pip:
  stage: verify
  script:
    - pip --version

run-tests:
  stage: quality
  script:
    - pip install -r requirements.txt
    - python -m unittest


analyze-coverage:
  stage: quality
  script:
    - pip install -r requirements.txt
    - coverage run -m unittest
    - coverage report --fail-under=100 -m


publish-docker-hub:
  image: docker:19.03.12
  stage: publish  
  services:
    - docker:19.03.12-dind
  before_script:
    - docker login -u "$CI_REGISTRY_USER" -p "$CI_REGISTRY_PASSWORD"
  script:
    - docker build --pull -t "$CI_REGISTRY_IMAGE" .
    - docker push "$CI_REGISTRY_IMAGE"
  only:
    - main


gcloud-deploy:
  stage: deploy
  image: google/cloud-sdk
  script:
    - echo $GKE_SERVICE_ACCOUNT | base64 -d > ~/encoded_serviceaccount.json
    - gcloud auth activate-service-account --key-file ~/encoded_serviceaccount.json
    - gcloud container --project "mba-mle-ufscar" clusters get-credentials autopilot-cluster-ufscar --region us-east1
-   - kubectl apply -f classificador.yaml
+   - bash apply_and_restart.sh
  only:
    - main

7.4.4 Limpando nosso ambiente cloud

Como falamos no início dessa seção, é importante ter ciência das cobranças envolvidas em um ambiente cloud. Para finalizar nossa aula e evitar cobranças indevidas, vamos remover nosso cluster kubernetes utilizando a gcloud cli:

gcloud container clusters delete CLUSTER_NAME

Documentação oficial: Como excluir um cluster GKE

7.4.5 Conclusão e próximos passos

Nesta seção demonstramos como configurar um ambiente de deploy Kubernetes na cloud com o serviço GKE. Também passamos por todo o passo a passo de automação desses tipos de deployment.

Apesar de ser um cenário inicial, os conceitos aplicados aqui permitem uma série de melhorias que podem ser utilizadas tanto em casos práticos como na continuidade da exploração de Continuous Deployment com esse exemplo. Seguem algumas sugestões:

• Como configurar um ambiente de homologação e automatizar o deploy com múltiplas etapas

• Como versionar as imagens docker por meio de tags de forma automatizada

• Como criar templates de manifestos yaml de objetos Kubernetes para realizar configurações dinâmicas

• Como adicionar probes na aplicação e automatizar um smoke test após deployment

• Como realizar o rollback automático nos casos de deploys mal sucedidos

• Como otimizar o tempo de execução do pipeline