Seminar FoundationDB – Intensivseminar Kubernetes, Skalierung und Multi-Region

Das Intensivseminar vermittelt Operatorbetrieb, Storage und Netzwerk, Skalierung, Upgrades, Observability, Performance, Fault Domains, Regionskonfiguration, Tenants und Metacluster. Die Themen werden von der fachlichen Einordnung über die Konfiguration beziehungsweise Implementierung bis zur kontrollierten Prüfung in einer zusammenhängenden Laborumgebung bearbeitet.

Jeder Themenblock enthält eine eigene Inhaltsübersicht, konkrete Arbeitsschritte und Prüfpunkte. Konfigurationen, Datenmodelle und Betriebsentscheidungen werden so dokumentiert, dass sie in Projekt- und Betriebsstandards übernommen werden können.

Verdichtete Themenfelder: Kubernetes Operator und Cloud-Betrieb; Performance, Skalierung und Lasttests; Hochverfügbarkeit und Multi-Region-Architekturen; Mandanten, Tenant Groups und Metacluster; Monitoring-Anteile für Kubernetes- und Datenbankebene; Upgrade-Anteile für Operator- und Clusteränderungen.

Inhaltsübersicht

1. 1. Operator-Architektur und Reconciliation
2. 2. FoundationDBCluster-CRD und Basiskonfiguration
3. 3. Persistenter Speicher, Netzwerk und Podverteilung
4. 4. Skalierung, Ersetzungen und Wartungsoperationen
5. 5. Operator- und FoundationDB-Upgrades
6. 6. Kubernetes- und Datenbank-Observability
7. 7. Workloadprofil und Messbaseline
8. 8. Schlüsselverteilung und Partitionierbarkeit
9. 9. Fault Domains, Localities und Ausfallmodell
10. 10. Regionskonfiguration und Datenfluss
11. 11. Tenant-Modell und Transaktionsdomänen
12. 12. Metacluster-Architektur und Managementcluster

1. Operator-Architektur und Reconciliation

Kapitelinhaltsverzeichnis

1. 1.1 Einordnung und Zielsetzung
2. 1.2 Fachthemen
3. 1.3 Schritt-für-Schritt-Übung
4. 1.4 Prüfpunkte

Einordnung und Zielsetzung

Der Operator übersetzt deklarative Custom Resources in FoundationDB-Prozesse und Betriebsaktionen. Reconciliation, Status und Sperrmechanismen werden als zusammenhängendes Steuerungssystem betrachtet.

Fachthemen

• Custom Resources
• Controller und gewünschter Zustand
• Locking und globale Operationen

Schritt-für-Schritt-Übung: einen Reconciliation-Ablauf analysieren

1. Schritt 1: FoundationDBCluster-Ressource und erzeugte Kubernetes-Ressourcen erfassen.
2. Schritt 2: Gewünschten Zustand, beobachteten Zustand und Statusbedingungen vergleichen.
3. Schritt 3: Subreconciler beziehungsweise Operationsphasen einer Änderung zuordnen.
4. Schritt 4: Globale Sperren und Verhalten bei fehlender Datenbankverfügbarkeit prüfen.
5. Schritt 5: Eine sichere Diagnosefolge für festhängende Reconciliation dokumentieren.

Prüfpunkte

• Die Umsetzung berücksichtigt Custom Resources und ist reproduzierbar dokumentiert.
• Das Verhalten von Controller und gewünschter Zustand ist mit einem positiven und einem negativen Testfall geprüft.
• Abbruch-, Rückfall- und Eskalationskriterien sind eindeutig benannt.

2. FoundationDBCluster-CRD und Basiskonfiguration

Kapitelinhaltsverzeichnis

1. 2.1 Einordnung und Zielsetzung
2. 2.2 Fachthemen
3. 2.3 Schritt-für-Schritt-Übung
4. 2.4 Prüfpunkte

Einordnung und Zielsetzung

Die Cluster-CRD ist der zentrale Betriebsvertrag. Änderungen an Version, Prozesszahlen und Podvorlagen werden mit Validierung, Diff und Rollback verwaltet.

Fachthemen

• Version, Prozessanzahl und Redundanz
• Labels, Ressourcen und Pod Template
• Seed Connection String

Schritt-für-Schritt-Übung: eine Cluster-CRD produktionsnah erstellen

1. Schritt 1: Namespace, Version und Clustername festlegen.
2. Schritt 2: Prozesszahlen, Klassen und Redundanz aus dem Kapazitätsmodell ableiten.
3. Schritt 3: Ressourcen, Volumes, Sicherheitskontext und Podverteilung definieren.
4. Schritt 4: CRD anwenden und Statusbedingungen bis zur vollständigen Reconciliation beobachten.
5. Schritt 5: Manifest, Status und resultierende Datenbankkonfiguration gegeneinander prüfen.

Prüfpunkte

• Die Umsetzung berücksichtigt Version, Prozessanzahl und Redundanz und ist reproduzierbar dokumentiert.
• Das Verhalten von Labels, Ressourcen und Pod Template ist mit einem positiven und einem negativen Testfall geprüft.
• Abbruch-, Rückfall- und Eskalationskriterien sind eindeutig benannt.

3. Persistenter Speicher, Netzwerk und Podverteilung

Kapitelinhaltsverzeichnis

1. 3.1 Einordnung und Zielsetzung
2. 3.2 Fachthemen
3. 3.3 Schritt-für-Schritt-Übung
4. 3.4 Prüfpunkte

Einordnung und Zielsetzung

FoundationDB benötigt vorhersehbare I/O- und Fehlerdomänen. Kubernetes-Topologie, Volumes und Netzwerkidentität werden so ausgerichtet, dass Pod-Neustarts nicht zu unkontrollierten Daten- oder Coordinator-Problemen führen.

Fachthemen

• Persistent Volumes und I/O
• Pod-Anti-Affinity und Topology
• Clusterdatei und Serviceerreichbarkeit

Schritt-für-Schritt-Übung: Infrastrukturvoraussetzungen validieren

1. Schritt 1: Storage Class, IOPS, Latenz und Volume-Bindung prüfen.
2. Schritt 2: Zonen-, Host- und Racklabels als FoundationDB-Localities abbilden.
3. Schritt 3: Pod-Anti-Affinity und Verteilungsregeln für stateful Rollen definieren.
4. Schritt 4: DNS, Pod-IP-Änderungen und Clusterdateiverteilung testen.
5. Schritt 5: Knoten- und Zonenverlust mit Volume-Reattachment und Recovery beobachten.

Prüfpunkte

• Die Umsetzung berücksichtigt Persistent Volumes und I/O und ist reproduzierbar dokumentiert.
• Das Verhalten von Pod-Anti-Affinity und Topology ist mit einem positiven und einem negativen Testfall geprüft.
• Abbruch-, Rückfall- und Eskalationskriterien sind eindeutig benannt.

4. Skalierung, Ersetzungen und Wartungsoperationen

Kapitelinhaltsverzeichnis

1. 4.1 Einordnung und Zielsetzung
2. 4.2 Fachthemen
3. 4.3 Schritt-für-Schritt-Übung
4. 4.4 Prüfpunkte

Einordnung und Zielsetzung

Skalierung und Ersetzung werden vom Operator koordiniert, bleiben aber an Datenbewegung und Redundanz gebunden. Automatisierung ersetzt nicht die Vorprüfung des gewünschten Zustands.

Fachthemen

• Prozessanzahl ändern
• Exclusion und Removal
• Maintenance Mode und Automation Options

Schritt-für-Schritt-Übung: einen Cluster sicher skalieren

1. Schritt 1: Zielkapazität und zusätzliche Fault-Domain-Verteilung bestimmen.
2. Schritt 2: CRD mit einer kleinen, nachvollziehbaren Prozessänderung aktualisieren.
3. Schritt 3: Reconciliation, Exclusion und Datenbewegung beobachten.
4. Schritt 4: Stabilen Datenbankstatus vor der nächsten Änderung abwarten.
5. Schritt 5: Ressourcenverbrauch und gewünschte Prozessanzahl abschließend abgleichen.

Prüfpunkte

• Die Umsetzung berücksichtigt Prozessanzahl ändern und ist reproduzierbar dokumentiert.
• Das Verhalten von Exclusion und Removal ist mit einem positiven und einem negativen Testfall geprüft.
• Abbruch-, Rückfall- und Eskalationskriterien sind eindeutig benannt.

5. Operator- und FoundationDB-Upgrades

Kapitelinhaltsverzeichnis

1. 5.1 Einordnung und Zielsetzung
2. 5.2 Fachthemen
3. 5.3 Schritt-für-Schritt-Übung
4. 5.4 Prüfpunkte

Einordnung und Zielsetzung

Upgradepfade hängen von Operator-, Server- und Clientversionen ab. Die Reihenfolge wird mit Kompatibilitätsprüfung, Backup und gestuften Änderungen abgesichert.

Fachthemen

• Kompatibilitätsmatrix
• Patch- und Minor-Upgrade
• Clientkompatibilität und Rollback

Schritt-für-Schritt-Übung: ein Kubernetes-basiertes Upgrade planen

1. Schritt 1: Ist-Versionen von CRD, Operator, Server, Client und Sidecar erfassen.
2. Schritt 2: Unterstützte Upgradepfade und notwendige Zwischenschritte festlegen.
3. Schritt 3: Backup, Restore-Nachweis und Kapazitätsreserve bestätigen.
4. Schritt 4: Operator beziehungsweise Images gestuft aktualisieren und Reconciliation überwachen.
5. Schritt 5: Clientkompatibilität, Datenbankstatus und Rollbackkriterien prüfen.

Prüfpunkte

• Die Umsetzung berücksichtigt Kompatibilitätsmatrix und ist reproduzierbar dokumentiert.
• Das Verhalten von Patch- und Minor-Upgrade ist mit einem positiven und einem negativen Testfall geprüft.
• Abbruch-, Rückfall- und Eskalationskriterien sind eindeutig benannt.

6. Kubernetes- und Datenbank-Observability

Kapitelinhaltsverzeichnis

1. 6.1 Einordnung und Zielsetzung
2. 6.2 Fachthemen
3. 6.3 Schritt-für-Schritt-Übung
4. 6.4 Prüfpunkte

Einordnung und Zielsetzung

Kubernetes-Zustand und Datenbankzustand sind getrennte, aber korrelierte Ebenen. Eine vollständige Diagnose verbindet Reconciliation, Pods, Prozesse und FoundationDB-Status.

Fachthemen

• CR-Status und Events
• Pod- und Containerlogs
• Fdbcli status json und Metriken

Schritt-für-Schritt-Übung: eine mehrschichtige Diagnose durchführen

1. Schritt 1: Custom-Resource-Status, Conditions und Kubernetes Events sichern.
2. Schritt 2: Operator- und Podlogs nach Zeit und Process Group korrelieren.
3. Schritt 3: Datenbankstatus in maschinenlesbarer Form erfassen.
4. Schritt 4: Abweichung zwischen gewünschter Podlage und tatsächlicher Datenbankrolle bestimmen.
5. Schritt 5: Einen Befund mit genau einer nächsten sicheren Aktion formulieren.

Prüfpunkte

• Die Umsetzung berücksichtigt CR-Status und Events und ist reproduzierbar dokumentiert.
• Das Verhalten von Pod- und Containerlogs ist mit einem positiven und einem negativen Testfall geprüft.
• Abbruch-, Rückfall- und Eskalationskriterien sind eindeutig benannt.

7. Workloadprofil und Messbaseline

Kapitelinhaltsverzeichnis

1. 7.1 Einordnung und Zielsetzung
2. 7.2 Fachthemen
3. 7.3 Schritt-für-Schritt-Übung
4. 7.4 Prüfpunkte

Einordnung und Zielsetzung

Optimierung beginnt mit einer belastbaren Baseline. Operationen werden nach Schlüsselbereichen, Transaktionsgröße, Konflikten und Parallelität klassifiziert.

Fachthemen

• Transaktionstypen
• Lese- und Schreibmengen
• Latenz- und Durchsatzziele

Schritt-für-Schritt-Übung: ein messbares Workloadprofil erstellen

1. Schritt 1: Repräsentative fachliche Operationen und Lastanteile bestimmen.
2. Schritt 2: Reads, Writes, Ranges und betroffene Byte-Mengen erfassen.
3. Schritt 3: Parallelität, Konfliktrate und Retry-Verteilung messen.
4. Schritt 4: Latenzperzentile und Durchsatz im Normalbetrieb festhalten.
5. Schritt 5: Zielwerte und akzeptierte Ressourcenreserven definieren.

Prüfpunkte

• Die Umsetzung berücksichtigt Transaktionstypen und ist reproduzierbar dokumentiert.
• Das Verhalten von Lese- und Schreibmengen ist mit einem positiven und einem negativen Testfall geprüft.
• Abbruch-, Rückfall- und Eskalationskriterien sind eindeutig benannt.

8. Schlüsselverteilung und Partitionierbarkeit

Kapitelinhaltsverzeichnis

1. 8.1 Einordnung und Zielsetzung
2. 8.2 Fachthemen
3. 8.3 Schritt-für-Schritt-Übung
4. 8.4 Prüfpunkte

Einordnung und Zielsetzung

Gleichmäßige Last benötigt Schlüssel, die Daten und Zugriff auf ausreichende Bereiche verteilen. Fachlich monotone Reihenfolgen können durch Partitionierung oder zusätzliche Präfixelemente entschärft werden.

Fachthemen

• Präfixkonzentration
• Monotone Schlüssel
• Shard- und Storage-Verteilung

Schritt-für-Schritt-Übung: einen Hotspot im Schlüsselraum beseitigen

1. Schritt 1: Lastintensive Schlüsselpräfixe und Schreibreihenfolge erfassen.
2. Schritt 2: Monotone oder singleton-basierte Strukturen identifizieren.
3. Schritt 3: Geeigneten Partitionierungs- oder Bucket-Schlüssel auswählen.
4. Schritt 4: Lesepfade für mehrere Buckets effizient zusammenführen.
5. Schritt 5: Verteilung und Konfliktrate unter identischer Last erneut messen.

Prüfpunkte

• Die Umsetzung berücksichtigt Präfixkonzentration und ist reproduzierbar dokumentiert.
• Das Verhalten von monotone Schlüssel ist mit einem positiven und einem negativen Testfall geprüft.
• Abbruch-, Rückfall- und Eskalationskriterien sind eindeutig benannt.

9. Fault Domains, Localities und Ausfallmodell

Kapitelinhaltsverzeichnis

1. 9.1 Einordnung und Zielsetzung
2. 9.2 Fachthemen
3. 9.3 Schritt-für-Schritt-Übung
4. 9.4 Prüfpunkte

Einordnung und Zielsetzung

Hochverfügbarkeit beginnt mit einem realistischen Ausfallmodell. Localities müssen reale Grenzen wie Strom, Netzwerk, Virtualisierung und Standort abbilden.

Fachthemen

• Zone, Machine, Data Hall und Datacenter
• Unabhängigkeit der Infrastruktur
• Gemeinsame Fehlerursachen

Schritt-für-Schritt-Übung: ein Ausfallmodell erstellen

1. Schritt 1: Hosts, Racks, Zonen, Hallen und Regionen als reale Abhängigkeiten erfassen.
2. Schritt 2: Locality-Werte mit der Infrastrukturzuordnung abgleichen.
3. Schritt 3: Gemeinsame Strom-, Netzwerk- und Storage-Abhängigkeiten markieren.
4. Schritt 4: Zulässige gleichzeitige Ausfälle je Schutzziel festlegen.
5. Schritt 5: Konfiguration und Testfälle aus diesem Modell ableiten.

Prüfpunkte

• Die Umsetzung berücksichtigt Zone, Machine, Data Hall und Datacenter und ist reproduzierbar dokumentiert.
• Das Verhalten von Unabhängigkeit der Infrastruktur ist mit einem positiven und einem negativen Testfall geprüft.
• Abbruch-, Rückfall- und Eskalationskriterien sind eindeutig benannt.

10. Regionskonfiguration und Datenfluss

Kapitelinhaltsverzeichnis

1. 10.1 Einordnung und Zielsetzung
2. 10.2 Fachthemen
3. 10.3 Schritt-für-Schritt-Übung
4. 10.4 Prüfpunkte

Einordnung und Zielsetzung

Eine Multi-Region-Konfiguration verbindet Latenz, Log-Replikation und Failover. Änderungen an Prioritäten und Regionsnutzung werden als kritische Changes behandelt.

Fachthemen

• Primary und Satellite
• Datacenter-Prioritäten
• Usable_regions und Replikationspfade

Schritt-für-Schritt-Übung: eine Regionskonfiguration entwerfen

1. Schritt 1: Standorte, Latenzen und unabhängige Fehlergrenzen erfassen.
2. Schritt 2: Primary, Remote und gegebenenfalls Satellite-Rollen zuordnen.
3. Schritt 3: Log-, Router- und Storage-Anforderungen pro Region planen.
4. Schritt 4: Konfiguration zunächst in einer repräsentativen Testumgebung anwenden.
5. Schritt 5: Status, Commit-Latenz und Verhalten bei Standortverlust messen.

Prüfpunkte

• Die Umsetzung berücksichtigt Primary und Satellite und ist reproduzierbar dokumentiert.
• Das Verhalten von Datacenter-Prioritäten ist mit einem positiven und einem negativen Testfall geprüft.
• Abbruch-, Rückfall- und Eskalationskriterien sind eindeutig benannt.

11. Tenant-Modell und Transaktionsdomänen

Kapitelinhaltsverzeichnis

1. 11.1 Einordnung und Zielsetzung
2. 11.2 Fachthemen
3. 11.3 Schritt-für-Schritt-Übung
4. 11.4 Prüfpunkte

Einordnung und Zielsetzung

Tenants teilen den Schlüsselraum in benannte Transaktionsdomänen. Anwendung, Kapazitätsplanung und Sicherheitsarchitektur müssen jedoch zusätzlich berücksichtigen, dass Tenant-Isolation keine vollständige Benutzerautorisierung ersetzt.

Fachthemen

• Benannte Schlüsselraumdomänen
• Tenant-Präfix und API-Zugriff
• Isolation und Grenzen

Schritt-für-Schritt-Übung: einen Tenant-fähigen Anwendungszugriff entwerfen

1. Schritt 1: Fachliche Mandanten und benötigte Transaktionsgrenzen erfassen.
2. Schritt 2: Tenant-Namen, Lebenszyklus und Eigentümer festlegen.
3. Schritt 3: Anwendung ausschließlich über Tenant-Handles auf Mandantendaten zugreifen lassen.
4. Schritt 4: Globale Metadaten außerhalb der Tenants bewusst begrenzen.
5. Schritt 5: Fehlzugriffe, Löschung und leere Tenant-Prüfung testen.

Prüfpunkte

• Die Umsetzung berücksichtigt benannte Schlüsselraumdomänen und ist reproduzierbar dokumentiert.
• Das Verhalten von Tenant-Präfix und API-Zugriff ist mit einem positiven und einem negativen Testfall geprüft.
• Abbruch-, Rückfall- und Eskalationskriterien sind eindeutig benannt.

12. Metacluster-Architektur und Managementcluster

Kapitelinhaltsverzeichnis

1. 12.1 Einordnung und Zielsetzung
2. 12.2 Fachthemen
3. 12.3 Schritt-für-Schritt-Übung
4. 12.4 Prüfpunkte

Einordnung und Zielsetzung

Ein Metacluster verwaltet Tenants über mehrere Datencluster. Managementebene, Datenebene und Anwendungsrouting werden klar getrennt und versionsbezogen freigegeben.

Fachthemen

• Managementcluster
• Data Clusters
• Tenant-Metadaten und Platzierung

Schritt-für-Schritt-Übung: ein Metacluster-Zielbild entwickeln

1. Schritt 1: Skalierungs- und Mandantenanforderungen für mehrere Datencluster erfassen.
2. Schritt 2: Managementcluster und Data Clusters mit unabhängigen Schutzzielen planen.
3. Schritt 3: Tenant-Platzierungs- und Routinginformationen modellieren.
4. Schritt 4: Feature-Reife, unterstützte Operationen und Ausfallgrenzen prüfen.
5. Schritt 5: Pilot mit repräsentativen Tenants und vollständigem Recovery-Test durchführen.

Prüfpunkte

• Die Umsetzung berücksichtigt Managementcluster und ist reproduzierbar dokumentiert.
• Das Verhalten von Data Clusters ist mit einem positiven und einem negativen Testfall geprüft.
• Abbruch-, Rückfall- und Eskalationskriterien sind eindeutig benannt.