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DAY 6
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Kubernetes

當 Quarkus 想要騎乘駱駝並用8腳章魚掌控舵手 系列 第 6 篇

為 Quarkus 實作 Kubernetes Pod 健康檢查

16th鐵人賽 kubernetes quarkus java cloud native
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本次學習目標

  1. Quarkus 實現健康檢查
  2. 整合 EMQX 與 PostgreSQL
  3. 探討實際部署後的 Pod 內容

我們在 Quarkus 中新增以下依賴，該依賴實作 MicroProfile Health。該依賴用於幫助應用程式實現健康檢查的端點。默認會註冊 liveness、readiness 等探針，服務啟動時都會返回 UP 狀態。

implementation 'io.quarkus:quarkus-smallrye-health'

預設提供端點路徑是以下，期會搭配 quarkus.smallrye-health.root-path 根路徑，預設是 health。更多的配置可以至官方。

探針 路徑 對應配置
liveness live quarkus.smallrye-health.liveness-path
readiness ready quarkus.smallrye-health.readiness-path
startup started quarkus.smallrye-health.startup-path

MicroProfile Health 規範透過以下定義來支援這種健康檢測的契約：

  • Health endpoints
    • /health/live 和 /health/ready 端點的訪問
    • Quarkus 將它們分別重定向到 /q/health/live 和 /q/health/ready 端點
  • HTTP status code
    • 反映健康狀態
  • HTTP response payload
    • JSON 回應訊息提供狀態以及其它元數據和上下文
  • Application liveness
    • 定義應用程式是否啟動並正常運行
  • Application readiness
    • 定義應用程式是否可接收外部請求流量
  • Application health API
    • 根據自定義方式公開應用程序 liveness 和 readiness

當引入該依賴後，運行專案。並透過 curl 嘗試獲取 liveness、ready 等。沒錯這樣你的健康檢查就完成了。

$ curl http://localhost:8080/q/health/live
{
    "status": "UP",
    "checks": [
    ]
}
$ curl http://localhost:8080/q/health/ready
{
    "status": "UP",
    "checks": [
    ]
}
$ curl http://localhost:8080/q/health/started
{
    "status": "UP",
    "checks": [
    ]
}

liveness

底層平台向 /q/health/live 端點發出 HTTP 請求，以確定是否應該重新啟動應用程式。
如果服務是啟動的，則返回 200 的結果 UP；如果無法上線，返回 503 的結果 DOWN；無法被計算健康檢查，返回 500。此探針，預設端點在 /q/health/live

readiness

底層平台向 /q/health/ready 端點發出 HTTP 請求，以確定應用程式是否準備好接受流量。
如果服務已經準備好處理請求，返回 200 UP。相較於 liveness 不同，因為他表示服務已經啟動，但可能還不能處理任何請求(資料庫在做初始變動)。如果服務還不能接受任何請求，則返回 503 DOWN。同樣的無法被系統識別，則返回 500。此探針，預設端點在 /q/health/ready

接著引入一個連線 PostgreSQL 和 mqtt 的依賴。嘗試透過 MQTT 發送訊息，並接收訊息最後儲存至資料庫。

    implementation 'io.quarkus:quarkus-hibernate-orm-panache'
    implementation 'io.quarkus:quarkus-jdbc-postgresql'
    implementation 'io.quarkus:quarkus-messaging-mqtt'

依賴導入完成後再安裝 PostgreSQL 和 EMQX 環境，讓 Quarkus 來進行交互。

$ docker compose -f infra/docker-compose.yaml  up -d

環境安裝完後，配置連線資訊，如果要操作記得 IP 需要換成自己的環境 IP。

# configure your datasource
quarkus.datasource.db-kind = postgresql
quarkus.datasource.username = itachi
quarkus.datasource.password = 123456
quarkus.datasource.jdbc.url = jdbc:postgresql://172.25.150.200:5432/itachi

# drop and create the database at startup (use `update` to only update the schema)
quarkus.hibernate-orm.database.generation = drop-and-create


mp.messaging.outgoing.deviceOut.type=smallrye-mqtt
mp.messaging.outgoing.deviceOut.host=172.25.150.200
mp.messaging.outgoing.deviceOut.port=1883
mp.messaging.outgoing.deviceOut.auto-generated-client-id=true
mp.messaging.outgoing.deviceOut.qos=1
mp.messaging.outgoing.deviceOut.topic=test/device


mp.messaging.incoming.deviceIn.type=smallrye-mqtt
mp.messaging.incoming.deviceIn.host=172.25.150.200
mp.messaging.incoming.deviceIn.port=1883
mp.messaging.incoming.deviceIn.auto-generated-client-id=true
mp.messaging.incoming.deviceIn.qos=1
mp.messaging.incoming.deviceIn.topic=test/device
producer.generate.duration=1

當以上都完成後，運行 Quarkus 吧! 結果如下，沒錯最後 Quarkus 框架還是幫你弄好了，將會自動註冊一個 readiness 健康檢查，在 check 部分，以驗證是否能連接資料庫。而 MQTT 的探針分別針對 deviceIn 和 deviceOut Topic。

$ curl http://localhost:8080/q/health/live
{
    "status": "UP",
    "checks": [
        {
            "name": "SmallRye Reactive Messaging - liveness check",
            "status": "UP",
            "data": {
                "deviceIn": "[OK]",
                "deviceOut": "[OK]"
            }
        }
    ]
}
$ curl http://localhost:8080/q/health/ready
{
    "status": "UP",
    "checks": [
        {
            "name": "Database connections health check",
            "status": "UP",
            "data": {
                "<default>": "UP"
            }
        },
        {
            "name": "SmallRye Reactive Messaging - readiness check",
            "status": "UP",
            "data": {
                "deviceIn": "[OK]",
                "deviceOut": "[OK]"
            }
        }
    ]
}
$ curl http://localhost:8080/q/health/started
{
    "status": "UP",
    "checks": [
        {
            "name": "SmallRye Reactive Messaging - startup check",
            "status": "UP",
            "data": {
                "deviceIn": "[OK]",
                "deviceOut": "[OK]"
            }
        }
    ]
}

假設服務需要與第三方進行交互，那也是可以自訂義端點。如下，分別定義 liveness 和 readiness。

  1. liveness
@ApplicationScoped
@Liveness
public class LivenessProbe implements HealthCheck {
    @Override
    public HealthCheckResponse call() {
        return HealthCheckResponse
                .named("Custom Liveness Prob")
                .withData("time", String.valueOf(new Date()))
                .up()
                .build();
    }
}

以 liveness 來說，在 Quarkus 註冊流程如下。

  1. HealthCheck 必須是 CDI bean，它使用 @ApplicationScoped 進行註釋，創建了一個CDI bean 實例

  2. 使用 @Liveness 表示它是一個 liveness 的健康檢查

  3. 實作 HealthCheck 介面，並覆寫 call() 方法

  4. 只要調用 /q/health/live 端點，就會調用 call() 方法，並返回一個 HealthCheckResponse 物件

  5. 每個健康檢查都有一個名稱(named)，其反映健康檢查的意圖

  6. 上下文數據可以以鍵值對的形式添加到健康檢查中。(withData)

  7. 狀態始終返回 UP(up())

  8. readiness

自訂義針對外部服務進行探針，相反的使用 @Readiness 註解實作，下面是針對外部服務進行實作。這邊定義了一個 externalURL 環境變數，用於讓探針針對該變數進行週期性的戳動作。其使用 HTTP GET 方式且狀態是 200 就表示成功。

@ConfigMapping(prefix = "health")
public interface HealthCheckConfig {

    Readiness readiness();

    interface Readiness {
        String externalURL();
    }
}

@ApplicationScoped
public class ReadinessProbe {
    @Inject
    HealthCheckConfig healthCheckConfig;

    @Readiness
    HealthCheck checkURL() {
        return new UrlHealthCheck(healthCheckConfig.readiness().externalURL())
                .name("ExternalURL health check").requestMethod(HttpMethod.GET).statusCode(200);
    }
}

定義完後，可以如下看到定義的 ExternalURL health check。

$ curl http://localhost:8080/q/health/ready
{
    "status": "UP",
    "checks": [
        {
            "name": "ExternalURL health check",
            "status": "UP",
            "data": {
                "host": "GET https://www.fruityvice.com/api/fruit/banana"
            }
        },
        {
            "name": "Database connections health check",
            "status": "UP",
            "data": {
                "<default>": "UP"
            }
        },
        {
            "name": "SmallRye Reactive Messaging - readiness check",
            "status": "UP",
            "data": {
                "deviceIn": "[OK]",
                "deviceOut": "[OK]"
            }
        }
    ]
}

以上透過 Quarkus 輕鬆地透過框架配置了健康檢查部分。如果使用 Quarkus Kubernetes 依賴，生成 Kubernetes YAML 時，會在 Pod 層級資源中自動配置 liveness 和 readiness 等探針，其預設值不會特別去異動，就相信專業。接著將其部署至 Kubernetes 上。產生的 Deployment 如下

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  annotations:
    app.quarkus.io/quarkus-version: 3.13.3
    app.quarkus.io/build-timestamp: 2024-08-27 - 14:38:39 +0000
  labels:
    app.kubernetes.io/name: app-health
    app.kubernetes.io/version: 1.0.0-SNAPSHOT
    app.kubernetes.io/managed-by: quarkus
  name: app-health
spec:
  replicas: 1
  selector:
    matchLabels:
      app.kubernetes.io/name: app-health
      app.kubernetes.io/version: 1.0.0-SNAPSHOT
  template:
    metadata:
      annotations:
        app.quarkus.io/quarkus-version: 3.13.3
        app.quarkus.io/build-timestamp: 2024-08-27 - 14:38:39 +0000
      labels:
        app.kubernetes.io/managed-by: quarkus
        app.kubernetes.io/name: app-health
        app.kubernetes.io/version: 1.0.0-SNAPSHOT
    spec:
      containers:
        - env:
            - name: KUBERNETES_NAMESPACE
              valueFrom:
                fieldRef:
                  fieldPath: metadata.namespace
          image: registry.hub.docker.com/cch0124/app-health:1.0.0-SNAPSHOT
          imagePullPolicy: Always
          livenessProbe:
            failureThreshold: 3
            httpGet:
              path: /q/health/live
              port: 8080
              scheme: HTTP
            initialDelaySeconds: 5
            periodSeconds: 10
            successThreshold: 1
            timeoutSeconds: 10
          name: app-health
          ports:
            - containerPort: 8080
              name: http
              protocol: TCP
          readinessProbe:
            failureThreshold: 3
            httpGet:
              path: /q/health/ready
              port: 8080
              scheme: HTTP
            initialDelaySeconds: 5
            periodSeconds: 10
            successThreshold: 1
            timeoutSeconds: 10
          startupProbe:
            failureThreshold: 3
            httpGet:
              path: /q/health/started
              port: 8080
              scheme: HTTP
            initialDelaySeconds: 5
            periodSeconds: 10
            successThreshold: 1
            timeoutSeconds: 10

下表整理上述所提的內容。

Health check endpoints HTTP status JSON payload status
/q/health/live and /q/health/ready 200 UP
/q/health/live and /q/health/ready 503 DOWN
/q/health/live and /q/health/ready 500 Undetermined *

從本範例中我們可以大致如下圖模擬 liveness 檢查流程

https://ithelp.ithome.com.tw/upload/images/20240828/201046888gpsu4FkID.png

  1. liveness 檢查和應用程式接收流量正程執行
  2. liveness 檢查失敗
  3. 應用程式無正常運行；HTTP 回應 Error
  4. 三次嘗試失敗後，容器重新啟動。在重啟期間流量被重定向到另一個實例
  5. 同 1

從本範例中我們可以大致如下圖模擬 readiness 檢查流程

https://ithelp.ithome.com.tw/upload/images/20240828/20104688X6T1Egq8AV.png

  1. readiness 檢查和應用程式接收流量正程執行
  2. readiness 檢查失敗，因為 DB 無法正常連線
  3. 應用程式無正常運行；HTTP 回應 Error，流量被重定向到另一個實例
  4. DB 恢復連線，readiness` 檢查回應為 UP
  5. 同 1

嘗試將 EMQX 服務停止。

docker stop emqx

此時去看 Pod 狀態，發現 Ready 變 False，且是 Readiness 探針是 503 屬於非成功。因此會不斷的嘗試


$ kubectl describe pods app-health-7bc94b5cdf-zlqwk
Name:             app-health-7bc94b5cdf-zlqwk
Namespace:        default
Priority:         0
...
Conditions:
  Type              Status
  Initialized       True
  Ready             False
  ContainersReady   False
  PodScheduled      True
Events:
  Type     Reason     Age                 From               Message
  ----     ------     ----                ----               -------
  Normal   Scheduled  56m                 default-scheduler  Successfully assigned default/app-health-7bc94b5cdf-zlqwk to k3d-ithome-lab-cluster-agent-1
  Normal   Pulling    56m                 kubelet            Pulling image "registry.hub.docker.com/cch0124/app-health:1.0.0-SNAPSHOT"
  Normal   Pulled     56m                 kubelet            Successfully pulled image "registry.hub.docker.com/cch0124/app-health:1.0.0-SNAPSHOT" in 7.466872458s (7.466893449s including waiting)
  Normal   Created    56m                 kubelet            Created container app-health
  Normal   Started    56m                 kubelet            Started container app-health
  Warning  Unhealthy  5s (x21 over 3m5s)  kubelet            Readiness probe failed: HTTP probe failed with statuscode: 503

且 Service 對應的 Endpoints 會將 Pod 地址移除，如下。其最短移除時間可以這樣計算 (failureThreshold - 1) * periodSeconds + timeoutSeconds。

$ kubectl get endpoints
NAME            ENDPOINTS         AGE
...
app-health                        80m

如果將 emqx 給啟用則 Service 將其 Pod 位置加入至 Endpoints 資源上。

$ kubectl get endpoints -w
NAME            ENDPOINTS         AGE
app-health      10.42.1.13:8080   113m
 kubectl get pods -w -owide
NAME                                  READY   STATUS    RESTARTS       AGE     IP           NODE                              NOMINATED NODE   READINESS GATES
app-health-7bc94b5cdf-zlqwk           1/1     Running   0              114m    10.42.1.13   k3d-ithome-lab-cluster-agent-1    <none>           <none>

可以從上面結果得到以下結論:

  1. initialDelaySeconds: Pod 啟動後需要 5 秒的初始化時間
  2. Pod 的是否就緒接收對外請求健康狀態是透過檢查 /q/health/ready 端點的 HTTP 狀態碼來判斷
  3. 如果 Pod Readiness 探針持續錯誤，Kubernetes 會將其從 Endpoint 移除，以提供可用性，前提是副本數量要有
  4. periodSeconds: 每 10 秒執行一次 Readiness Probe
  5. successThreshold: 只需要一次成功的檢查，Kubernetes 就認為 Pod 就緒，即可接收外部請求
  6. timeoutSeconds: 每次檢查的超時時間為 10 秒，10 秒內沒有收到回應，則此次檢查視為失敗

如果將 liveness 探針的目標端點指向為存在的路徑，其會被 kubelet 殺掉並重啟，如下。重啟時間週期是

第一次探針：失敗（因為 /q/health/live 不存在）
第二次探針：失敗（因為 /q/health/live 不存在）
第三次探針：失敗（因為 /q/health/live 不存在）

由於每次探針的間隔是 10 秒，加上有 3 次失敗機會(failureThreshold)。所以最短在 30 秒後（10 秒 * 2 + 10 秒），Kubernetes 就會判定 Pod 不健康，並觸發重啟，計算上是 (failureThreshold - 1) * periodSeconds + timeoutSeconds。

$ kubectl get pods -o wide -w
app-health-7bc94b5cdf-zlqwk           0/1     Running   0               127m    10.42.1.13   k3d-ithome-lab-cluster-agent-1    <none>           <none>
app-health-6496d8dbc4-qgcdn           0/1     Running   2 (21s ago)     29s     10.42.0.9    k3d-ithome-lab-cluster-agent-0    <none>           <none>
app-health-6496d8dbc4-qgcdn           0/1     Running   2 (22s ago)     30s     10.42.0.9    k3d-ithome-lab-cluster-agent-0    <none>           <none>
app-health-7bc94b5cdf-zlqwk           1/1     Running   0               127m    10.42.1.13   k3d-ithome-lab-cluster-agent-1    <none>           <none>
app-health-6496d8dbc4-qgcdn           1/1     Running   2 (24s ago)     32s     10.42.0.9    k3d-ithome-lab-cluster-agent-0    <none>           <none>
app-health-7bc94b5cdf-zlqwk           1/1     Terminating   0               127m    10.42.1.13   k3d-ithome-lab-cluster-agent-1    <none>           <none>
app-health-7bc94b5cdf-zlqwk           0/1     Terminating   0               127m    <none>       k3d-ithome-lab-cluster-agent-1    <none>           <none>
app-health-7bc94b5cdf-zlqwk           0/1     Terminating   0               127m    10.42.1.13   k3d-ithome-lab-cluster-agent-1    <none>           <none>
app-health-7bc94b5cdf-zlqwk           0/1     Terminating   0               127m    10.42.1.13   k3d-ithome-lab-cluster-agent-1    <none>           <none>
app-health-7bc94b5cdf-zlqwk           0/1     Terminating   0               127m    10.42.1.13   k3d-ithome-lab-cluster-agent-1    <none>           <none>
app-health-6496d8dbc4-qgcdn           0/1     Running       3 (2s ago)      63s     10.42.0.9    k3d-ithome-lab-cluster-agent-0    <none>           <none>
app-health-6496d8dbc4-qgcdn           0/1     Running       3 (9s ago)      70s     10.42.0.9    k3d-ithome-lab-cluster-agent-0    <none>           <none>
app-health-6496d8dbc4-qgcdn           1/1     Running       3 (11s ago)     72s     10.42.0.9    k3d-ithome-lab-cluster-agent-0    <none>           <none>
app-health-6496d8dbc4-qgcdn           0/1     Running       4 (2s ago)      103s    10.42.0.9    k3d-ithome-lab-cluster-agent-0    <none>           <none>
app-health-6496d8dbc4-qgcdn           0/1     Running       4 (9s ago)      110s    10.42.0.9    k3d-ithome-lab-cluster-agent-0    <none>           <none>
app-health-6496d8dbc4-qgcdn           1/1     Running       4 (11s ago)     112s    10.42.0.9    k3d-ithome-lab-cluster-agent-0    <none>           <none>

從 events 可以清楚知道原因其其顯示在 Message 欄位，這對於除錯無可厚非是個好資源。

$  kubectl get events --sort-by='.lastTimestamp'
LAST SEEN   TYPE      REASON              OBJECT                             MESSAGE
7m46s       Normal    Scheduled           pod/app-health-6496d8dbc4-qgcdn    Successfully assigned default/app-health-6496d8dbc4-qgcdn to k3d-ithome-lab-cluster-agent-0
11m         Warning   Unhealthy           pod/app-health-7bc94b5cdf-zlqwk    Readiness probe failed: HTTP probe failed with statuscode: 503
7m47s       Normal    ScalingReplicaSet   deployment/app-health              Scaled up replica set app-health-6496d8dbc4 to 1
7m47s       Normal    SuccessfulCreate    replicaset/app-health-6496d8dbc4   Created pod: app-health-6496d8dbc4-qgcdn
7m41s       Normal    Pulled              pod/app-health-6496d8dbc4-qgcdn    Successfully pulled image "registry.hub.docker.com/cch0124/app-health:1.0.0-SNAPSHOT" in 5.506520701s (5.506540622s including waiting)
7m39s       Normal    Pulled              pod/app-health-6496d8dbc4-qgcdn    Successfully pulled image "registry.hub.docker.com/cch0124/app-health:1.0.0-SNAPSHOT" in 1.49692412s (1.49693049s including waiting)
7m23s       Normal    Pulled              pod/app-health-6496d8dbc4-qgcdn    Successfully pulled image "registry.hub.docker.com/cch0124/app-health:1.0.0-SNAPSHOT" in 1.619209349s (1.619233429s including waiting)
7m15s       Normal    SuccessfulDelete    replicaset/app-health-7bc94b5cdf   Deleted pod: app-health-7bc94b5cdf-zlqwk
7m15s       Normal    ScalingReplicaSet   deployment/app-health              Scaled down replica set app-health-7bc94b5cdf to 0 from 1
6m47s       Warning   Unhealthy           pod/app-health-6496d8dbc4-qgcdn    Liveness probe failed: HTTP probe failed with statuscode: 404
6m47s       Normal    Killing             pod/app-health-6496d8dbc4-qgcdn    Container app-health failed liveness probe, will be restarted
6m47s       Warning   Unhealthy           pod/app-health-6496d8dbc4-qgcdn    Readiness probe failed: Get "http://10.42.0.9:8080/q/health/ready": EOF
6m46s       Normal    Pulling             pod/app-health-6496d8dbc4-qgcdn    Pulling image "registry.hub.docker.com/cch0124/app-health:1.0.0-SNAPSHOT"
6m44s       Normal    Pulled              pod/app-health-6496d8dbc4-qgcdn    Successfully pulled image "registry.hub.docker.com/cch0124/app-health:1.0.0-SNAPSHOT" in 1.530334886s (1.530354226s including waiting)
6m44s       Normal    Created             pod/app-health-6496d8dbc4-qgcdn    Created container app-health
6m44s       Normal    Started             pod/app-health-6496d8dbc4-qgcdn    Started container app-health
2m40s       Warning   BackOff             pod/app-health-6496d8dbc4-qgcdn    Back-off restarting failed container app-health in pod app-health-6496d8dbc4-qgcdn_default(cc9614a0-0583-40b0-9d3b-85e944c47172)

liveness 探針觀察到的行為是

  1. initialDelaySeconds: 當 Pod 啟動後，Kubernetes 會等待 5 秒。
  2. periodSeconds: 每 10 秒執行探針，向 Pod 的 8080 端口發送一個 HTTP GET 請求，請求 /q/health/live。
  3. failureThreshold: 如果收到成功的 HTTP 響應（通常是 200），則認為 Pod 是健康的。如果連續 3 次檢查都失敗，Kubernetes 就會認為這個 Pod 已經死亡，並重新啟動它。
  4. 重啟 Pod，如果 Pod 被判定為死亡，Kubernetes 會殺死這個 Pod，並根據 Pod 的配置重新創建一個新的 Pod。

若整題來看，檢康檢查可以帶來以下優勢

  1. 自動化健康檢查：Kubernetes 會定期檢查 Pod 的健康狀況，無需手動干預
  2. 高可用：一旦發現 Pod 不健康，Kubernetes 會迅速採取行動，重新啟動 Pod，以保證服務的可用性
  3. 穩定性：透過及時發現處理故障，提高整個系統的穩定性
  4. 人為干預少：自動化的健康檢查可以減少人為干預，提高運維效率

下圖為探針的執行順序，執行完 startupProbe 後就會往後交給 liveness 和 readiness 執行。


From https://blog.devgenius.io/k8s-for-de-probes-b598a1adeecf


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當 Quarkus 想要騎乘駱駝並用8腳章魚掌控舵手 共 31 篇
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  2. 28
    Argo CD - notification
  3. 29
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    Argo CD - Git strategies
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