Seminar FoundationDB – Kubernetes Operator und Cloud-Betrieb

Das Einzelseminar vermittelt Operator-Architektur, Custom Resources, Speicher und Netzwerk, Prozessgruppen, Skalierung, Upgrades, Backup, Observability und Multi-Datacenter-Betrieb. 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.

Inhaltsübersicht

1. 1. Operator-Architektur und Reconciliation
2. 2. FoundationDBCluster-CRD und Basiskonfiguration
3. 3. Persistenter Speicher, Netzwerk und Podverteilung
4. 4. Pod- und Prozessgruppenmodell
5. 5. Skalierung, Ersetzungen und Wartungsoperationen
6. 6. Operator- und FoundationDB-Upgrades
7. 7. Backup und Restore mit Operator-Ressourcen
8. 8. Kubernetes- und Datenbank-Observability
9. 9. Multi-Datacenter-Betrieb mit mehreren Operatorinstanzen
10. 10. Incident Response im Operatorbetrieb

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. Pod- und Prozessgruppenmodell

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

Der Operator verwaltet Prozessgruppen als langlebige Identitäten und Pods als austauschbare Ausführungseinheiten. Dieses Modell ist entscheidend für sichere Ersetzungen und Fehlersuche.

Fachthemen

• Process Groups
• Sidecar oder Monitor
• Prozessersatz und Identität

Schritt-für-Schritt-Übung: eine Prozessgruppe bis zum Datenbankprozess verfolgen

1. Schritt 1: Process Group ID in CR-Status, Podlabels und Dateipfaden identifizieren.
2. Schritt 2: Container, Sidecar beziehungsweise Monitor und gestartete Prozesse zuordnen.
3. Schritt 3: Daten- und Logpfade der Prozessgruppe prüfen.
4. Schritt 4: Eine kontrollierte Pod-Ersetzung auslösen.
5. Schritt 5: Ausschluss, Neuerstellung und Wiederaufnahme im Status nachvollziehen.

Prüfpunkte

• Die Umsetzung berücksichtigt Process Groups und ist reproduzierbar dokumentiert.
• Das Verhalten von Sidecar oder Monitor ist mit einem positiven und einem negativen Testfall geprüft.
• Abbruch-, Rückfall- und Eskalationskriterien sind eindeutig benannt.

5. Skalierung, Ersetzungen und Wartungsoperationen

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

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.

6. Operator- und FoundationDB-Upgrades

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

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.

7. Backup und Restore mit Operator-Ressourcen

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

Operatorgestützte Backups werden über eigene Ressourcen verwaltet. Da Funktionen versionsabhängig sein können, gehören Reifegradprüfung und ein echter Restore-Test zwingend zur Produktionsfreigabe.

Fachthemen

• FoundationDBBackup und FoundationDBRestore
• Backup-Modi und Tags
• Reifegrad und Betriebsgrenzen

Schritt-für-Schritt-Übung: einen operatorgestützten Backupzyklus testen

1. Schritt 1: Operator- und FoundationDB-Version auf unterstützte Backupfunktionen prüfen.
2. Schritt 2: Ziel, Credentials, Modus, Tag und Agentenkonfiguration definieren.
3. Schritt 3: FoundationDBBackup-Ressource anlegen und Restorability überwachen.
4. Schritt 4: FoundationDBRestore gegen einen separaten Zielcluster ausführen.
5. Schritt 5: Datenvalidierung, Fehlerverhalten und bekannte Betriebsgrenzen dokumentieren.

Prüfpunkte

• Die Umsetzung berücksichtigt FoundationDBBackup und FoundationDBRestore und ist reproduzierbar dokumentiert.
• Das Verhalten von Backup-Modi und Tags ist mit einem positiven und einem negativen Testfall geprüft.
• Abbruch-, Rückfall- und Eskalationskriterien sind eindeutig benannt.

8. Kubernetes- und Datenbank-Observability

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

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.

9. Multi-Datacenter-Betrieb mit mehreren Operatorinstanzen

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

Multi-Region-Umgebungen können von mehreren Operatorinstanzen verwaltet werden. Globale Aktionen, Sperren und konsistente gewünschte Zustände müssen dabei explizit koordiniert werden.

Fachthemen

• Getrennte Kubernetes-Cluster
• Globale Operationen und Locks
• CR-Synchronität

Schritt-für-Schritt-Übung: ein Multi-DC-Operator-Konzept erstellen

1. Schritt 1: Kubernetes- und FoundationDB-Regionen eindeutig zuordnen.
2. Schritt 2: Operatorinstanzen, Selektoren und Process Group Prefixes planen.
3. Schritt 3: Globale Lock- und Deny-List-Verfahren dokumentieren.
4. Schritt 4: CRD-Änderungen und Reihenfolge über Standorte koordinieren.
5. Schritt 5: Ausfall einer Operatorinstanz und Übernahme kritischer Aktionen testen.

Prüfpunkte

• Die Umsetzung berücksichtigt getrennte Kubernetes-Cluster und ist reproduzierbar dokumentiert.
• Das Verhalten von globale Operationen und Locks ist mit einem positiven und einem negativen Testfall geprüft.
• Abbruch-, Rückfall- und Eskalationskriterien sind eindeutig benannt.

10. Incident Response im Operatorbetrieb

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

In Störungen kann ein begrenzter manueller Eingriff erforderlich sein. Der gewünschte Zustand wird dabei kontrolliert eingefroren, die Abweichung dokumentiert und anschließend sauber an den Operator zurückgegeben.

Fachthemen

• Reconciliation stoppen oder überspringen
• Manuelle Eingriffe
• Rückgabe an den Operator

Schritt-für-Schritt-Übung: einen festgefahrenen Cluster stabilisieren

1. Schritt 1: Datenbankverfügbarkeit und unmittelbares Datenrisiko zuerst bewerten.
2. Schritt 2: Betroffene Reconciliation-Schritte und laufende globale Operationen identifizieren.
3. Schritt 3: Automation nur mit dokumentierter Begründung gezielt pausieren.
4. Schritt 4: Notwendige manuelle Korrektur mit minimalem Umfang durchführen.
5. Schritt 5: CRD und Ist-Zustand angleichen, Automation wieder aktivieren und vollständig beobachten.

Prüfpunkte

• Die Umsetzung berücksichtigt Reconciliation stoppen oder überspringen und ist reproduzierbar dokumentiert.
• Das Verhalten von manuelle Eingriffe ist mit einem positiven und einem negativen Testfall geprüft.
• Abbruch-, Rückfall- und Eskalationskriterien sind eindeutig benannt.