Kubernetes小试牛刀

1、Kubernetes简介

Kubernetes，是一个全新的基于容器技术的分布式架构领先方案，是Google严格保密十几年的秘密武器--Borg系统的一个开源版本，于2014年9月发布第一个版本，2015年7月发布第一个正式版本。

Kubernetes的本质是一组服务器集群，它可以在集群的每个节点上运行特定的程序，来对节点中的容器进行管理。它的目的就是实现资源管理的自动化，主要提供了如下的功能：

• 自我修复：一旦某一个容器崩溃，能够在1秒左右迅速启动新的容器。

• 弹性伸缩：可以根据需要，自动对集群中正在运行的容器数量进行调整。

• 服务发现：服务可以通过自动发现的形式找到它所依赖的服务。

• 负载均衡：如果一个服务启动了多个容器，能够自动实现请求的负载均衡。

• 版本回退：如果发现新发布的程序版本有问题，可以立即回退到原来的版本。

• 存储编排：可以根据容器自身的需求自动创建存储卷。

2、Kubernetes组件

2.1、组件介绍

一个Kubernetes集群主要由控制节点（master）、工作节点（node）构成，每个节点上都会安装不同的组件。

• 控制节点（master）：集群的控制平面，负责集群的决策。

  • API Server：集群操作的唯一入口，接收用户输入的命令，提供认证、授权、API注册和发现等机制。

  • Scheduler：负责集群资源调度，按照预定的调度策略将Pod调度到相应的node节点上。

  • ControllerManager：负责维护集群的状态，比如程序部署安排、故障检测、自动扩展和滚动更新等。

  • Etcd：负责存储集群中各种资源对象的信息。

• 工作节点（node）：集群的数据平面，负责为容器提供运行环境。

  • Kubelet：负责维护容器的生命周期，即通过控制Docker，来创建、更新、销毁容器。
  • KubeProxy：负责提供集群内部的服务发现和负载均衡。
  • Docker：负责节点上容器的各种操作。

2.3、组件概念

• Master:集群控制节点，每个集群要求至少有一个Master接地那来负责集群的管控。
• Node:工作负载节点，由Master分配容器到这些Node工作节点上，然后Node节点上的Docker负责容器的运行。
• Pod:Kubernetes的最小控制单元，容器都是运行在Pod中，一个Pod可以有一个或多个容器。
• Controller:控制器，通过它来实现对Pod的管理，比如启动Pod,停止Pod,伸缩Pod的数量等等。
• Label:标签，用于对Pod进行分类，同一类Pod会拥有相同的标签。
• NameSpace:命令空间，用来隔离Pod的运行环境。

2.3、Kubernetes组件调用关系的应用示例

以部署一个Nginx服务器来说明Kubernetes系统各个组件间的调用关系。

​ ①首先需要明确，一旦Kubernetes环境启动之后，master和node都会将自身的信息存储到ETCD数据库中。

​ ②一个Nginx服务的安装请求首先会被发送到master节点上的API Server组件。

​ ③API Server组件会调用Scheduler组件来决定到底应该把这个服务安装到那个node节点上。此时，它会从ETCD中读取各个node节点的信息，然后按照一定的算法进行选择，并将结果告知API Server。

​ ④API Server调用Controller-Manager去调用Node节点安装Nginx服务。

​ ⑤Kubelet接收到指令后，会通知Docker，然后由Docker来启动一个Nginx的Pod。Pod是Kubernetes的最小操作单元，容器必须跑在Pod中。

​ ⑥一个Nginx服务就运行了，如果需要访问Nginx，就需要通过kube-proxy来对Pod产生访问的代理，这样，外界用户就可以访问集群中的Nginx服务了。

3、集群环境的搭建

3.1、环境规划

3.1.1、集群类型

Kubernetes集群大致分为两类：一主多从和多主多从。

• 一主多从：一个Master节点和多个Node节点，搭建简单，但是有单机故障风险，适合用于测试环境。
• 多主多从：多个Master节点和多个Node节点，搭建麻烦，安全性高，适用于生产环境。

3.1.2、安装方式

Kubernetes有多种部署方式，目前主流的方式有kubeadm、minikube、二进制包。

• minikube:一个用于快速搭建单节点的Kubernetes工具。
• kubeadm:一个用于快速搭建Kubernetes集群的工具。
• 二进制包：从官网上下载每个组件的二进制包，依次去安装，此方式对于理解Kubernetes组件更加有效。

3.1.3、主机规划

角色	IP地址	操作系统	配置
Master	192.168.114.129	Centos7.8+,基础设施服务器	2核CPU,2G内存，50G硬盘
Node1	192.168.114.130	Centos7.8+,基础设施服务器	2核CPU,2G内存，50G硬盘
Node2	192.168.114.131	Centos7.8+,基础设施服务器	2核CPU,2G内存，50G硬盘

3.2、集群搭建（一主多从）

注：无特别说明，三台机器一直执行相应的命令

3.2.1、环境初始化

• 检查操作系统的版本

  cat /etc/redhat-release
  CentOS Linux release 7.9.2009 (Core)
  
  # 推荐使用7.5及以上版本
  

• 关闭防火墙和禁止防火墙开机启动

  systemctl stop firewalld
  systemctl disable firewalld
  

• 禁用iptables

  systemctl stop iptables
  systemctl disable iptables
  

• 禁用selinux

  selinux时Linux系统的一个安全服务，在集群的安装过程中可能会遇到各种奇葩问题，所以选择关闭它 。

  vim /etc/selinux/config
  
  SELINUX=disabled
  

• 禁用swap分区

  Swap分区在系统的物理内存不够用的时候，把硬盘内存中的一部分空间释放出来，以供当前运行的程序使用。那些被释放的空间可能来自一些很长时间没有什么操作的程序，这些被释放的空间被临时保存到Swap分区中，等到那些程序要运行时，再从Swap分区中恢复保存的数据到内存中。但是这样非常影响性能。

  vim /etc/fstab
  
  # 只需注释掉最后一句
  #/dev/mapper/centos-swap swap   swap    defaults  0 0
  

• 配置域名解析

  cat >> /etc/hosts << EOF
  192.168.114.129 master
  192.168.114.130 node1
  192.168.114.131 node2
  EOF
  
  # 配置完成后，可以在三台机器上互相验证
  ping master 
  ping node1
  ping node2
  

• 时间同步

  Kubernetes要求集群中的节点时间必须精确一致，所以在每个节点上添加时间同步 。（此处必须保证三台服务器的时间不然，不然会出现node连接不上master的情况）

  # 使用ntp
  yum install ntpdate -y
  ntpdate time.windows.com
  
  # 使用chronyd
  yum install chrony -y
  systemctl enable chronyd
  systemctl start chronyd
  chronyc sources
  
  210 Number of sources = 4
  MS Name/IP address         Stratum Poll Reach LastRx Last sample               
  ===============================================================================
  ^* 111.230.189.174               2   6     7     1   -179us[ -341ms] +/-   30ms
  ^? de-user.deepinid.deepin.>     3   6     1     1    -15ms[  -15ms] +/-  161ms
  ^? undefined.hostname.local>     2   6     1     4  +7969us[ -333ms] +/-  117ms
  ^? ntp8.flashdance.cx            0   6     0     -     +0ns[   +0ns] +/-    0ns
  
  

• 添加网桥过滤和地址转发

  vim /etc/sysctl.d/kubernetes.conf
  
  net.bridge.bridge-nf-call-ip6tables = 1
  net.bridge.bridge-nf-call-iptables = 1
  net.ipv4.ip_forward = 1
  
  # 加载使生效
  sysctl -p
  

• 加载网桥过滤模块

  modprobe br_netfilter
  
  # 查看是否加载
  lsmod | grep br_netfilter
  > br_netfilter           22256  0 
  > bridge                151336  1 br_netfilter
  

• 配置ipvs功能

  在Kubernetes中service有两种代理模型，一种是基于iptables的，一种是基于ipvs的两者比较的话，ipvs的性能明显要高一些，但是如果要使用它，需要手动载入ipvs模块。

  # 安装ipset和ipvsadm
  yum -y install ipset ipvsadm
  
  # 添加需要加载的模块写入脚本文件
  cat <<EOF>  /etc/sysconfig/modules/ipvs.modules
  modprobe -- ip_vs
  modprobe -- ip_vs_rr
  modprobe -- ip_vs_wrr
  modprobe -- ip_vs_sh
  modprobe -- nf_conntrack_ipv4
  EOF
  
  # 为脚本文件添加执行权限
  chmod +x /etc/sysconfig/modules/ipvs.modules
  
  # 执行
  /bin/bash /etc/sysconfig/modules/ipvs.modules
  
  # 查看对应模块是否加载成功
  lsmod | grep -e ip_vs -e nf_conntrack_ipv4
  
  > nf_conntrack_ipv4      15053  9 
  > nf_defrag_ipv4         12729  1 nf_conntrack_ipv4
  > ip_vs_sh               12688  0 
  > ip_vs_wrr              12697  0 
  > ip_vs_rr               12600  0 
  > ip_vs                 145458  6 ip_vs_rr,ip_vs_sh,ip_vs_wrr
  > nf_conntrack          139264  7 
  > ip_vs,nf_nat,nf_nat_ipv4,xt_conntrack,nf_nat_masquerade_ipv4,nf_conntrack_netlink,nf_conntra> ck_ipv4
  > libcrc32c              12644  4 xfs,ip_vs,nf_nat,nf_conntrack
  

• 重启使配置生效

  reboot
  

• 检查selinux和swap是否生效

  gentenforce  # 检查selinux 
  > disable
  
  free -m  # 检查swap
  
    total   used   free  shared  buff/cache  available
  Mem:3502  453    2180  11         869       2812
  Swap:0     0       0
  

3.2.2、Kubernetes安装

• docker 安装

  # 替换阿里源
  yum-config-manager --add-repo http://mirrors.aliyun.com/docker-ce/linux/centos/docker-ce.repo
  
  # 安装指定版本，必须指定--setopt=obsoletes=0,否则会自动安装更高版本
   yum install --setopt=obsoletes=0 docker-ce-18.06.3.ce-3.el7 -y
   
  # 设置docker加速器
  sudo mkdir -p /etc/docker
  
  # docker在默认情况下使用的Cgroup Driver为cgroupfs,而Kubernetes推荐使用systemd来代替cgroupfs
  # 我们这里修改 docker 的 cgroupdriver=systemd。如果不修改 docker 则需要修改 kubelet 的启动配置，需要保证两者一致。
  sudo tee /etc/docker/daemon.json <<-'EOF'
  {
    "exec-opts": ["native.cgroupdriver=systemd"], 
    "registry-mirrors": ["https://isch1uhg.mirror.aliyuncs.com"]
  }
  EOF
  
  # 启动docker 
  ststemctl start docker
  # 开机启动
  systemctl enable docker
  

• 安装Kubernetes组件

  # 由于Kubernetes的镜像在国外，速度比较慢，这里换成国内镜像源。
  cat > /etc/yum.repos.d/kubernetes.repo << EOF
  [kubernetes]
  name=Kubernetes
  baseurl=https://mirrors.aliyun.com/kubernetes/yum/repos/kubernetes-el7-x86_64
  enabled=1
  gpgcheck=0
  repo_gpgcheck=0
  gpgkey=https://mirrors.aliyun.com/kubernetes/yum/doc/yum-key.gpg https://mirrors.aliyun.com/kubernetes/yum/doc/rpm-package-key.gpg
  EOF
  
  # 由于版本更新频繁，这里指定版本号部署(1.18.0)
  yum install -y kubelet-1.18.0 kubeadm-1.18.0 kubectl-1.18.0
  
  # 为了实现Docker使用的cgroup drvier和kubelet使用的cgroup drver一致，建议修改"/etc/sysconfig/kubelet"文件的内容
  vim /etc/sysconfig/kubelet
  
  KUBELET_EXTRA_ARGS="--cgroup-driver=systemd"
  KUBE_PROXY_MODE="ipvs"
  
  # 设置为开机自启动即可，由于没有生成配置文件，集群初始化后自动启动
  systemctl enable kubelet
  

• 部署Master节点（192.168.114.129）

  此操作只需要在Master节点上操作。

  # 由于默认拉取镜像地址k8s.gcr.io国内无法访问，这里需要指定阿里云镜像仓库地址
  
  kubeadm init 
    --apiserver-advertise-address=192.168.114.129 
    --image-repository registry.aliyuncs.com/google_containers 
    --kubernetes-version v1.18.0 
    --service-cidr=10.96.0.0/12 
    --pod-network-cidr=10.244.0.0/16
    
  # 看到Success等字样，以及提示加入master节点命令，说明master启动成功。
  
  # 根据提示信息，在Master节点上使用Kubectl工具
  mkdir -p $HOME/.kube
  sudo cp -i /etc/kubernetes/admin.conf $HOME/.kube/config
  sudo chown $(id -u):$(id -g) $HOME/.kube/config
  
  ## 补充
  # 如要需要重启，则需要删除 $HOME/.kube/config
  rm -rf $HOME/.kube/config
  kubeadm reset 
  kubeadm init 
    --apiserver-advertise-address=192.168.114.129 
    --image-repository registry.aliyuncs.com/google_containers 
    --kubernetes-version v1.18.0 
    --service-cidr=10.96.0.0/12 
    --pod-network-cidr=10.244.0.0/16
  

• 部署Node节点

  此处操作需要在两个Node上操作

  # 根据Master节点提示信息，将Node加入Master
  
  # 如果命令忘记了，可以在master上执行下面命令重新获取
  kubeadm token create --print-join-command
  
  # 加入master命令
  kubeadm join 192.168.37.128:6443 --token j068mm.zzc2tg40yrdh3dw9 --discovery-token-ca-cert-hash sha256:fda934d79defaca0416c232022ba1ad7057648ceeb173744faacd4e7555efcee
  

• 在Master上查看节点信息

  kubectl get nodes 
  
  # 执行命令后，会发现STATUS显示NotReady,这是我们没有配置网络。节点间不能通信。
  

3.3.3、部署CNI网路插件

此处只需在Master上操作

Kubernetes支持多种网络插件，比如flannel、calico、canal等，任选一种即可，本次选择flannel 。建议使用calico。

# 注意此处可能需要KX上网
kubectl apply -f https://raw.githubusercontent.com/coreos/flannel/master/Documentation/kube-flannel.yml

# 查看部署CNI网络插件进度
kubectl get pods -n kube-system

NAME                             READY   STATUS    RESTARTS   AGE
coredns-7ff77c879f-8cjh4         1/1     Running   0          4h30m
coredns-7ff77c879f-96dh4         1/1     Running   0          4h30m
etcd-master                      1/1     Running   0          4h30m
kube-apiserver-master            1/1     Running   0          4h30m
kube-controller-manager-master   1/1     Running   0          4h30m
kube-flannel-ds-4mj76            1/1     Running   0          3h22m
kube-flannel-ds-7tz4s            1/1     Running   0          3h22m
kube-flannel-ds-mnv66            1/1     Running   0          3h22m
kube-proxy-7pv69                 1/1     Running   0          4h30m
kube-proxy-shv6g                 1/1     Running   0          4h29m
kube-proxy-xhfj7                 1/1     Running   0          4h29m
kube-scheduler-master            1/1     Running   0          4h30m

# 查看节点状态
kubectl get nodes

NAME     STATUS   ROLES    AGE     VERSION
master   Ready    master   4h31m   v1.18.0
node1    Ready    <none>   4h30m   v1.18.0
node2    Ready    <none>   4h30m   v1.18.0

# 查看集群健康状态
kubectl get cs

NAME                 STATUS    MESSAGE             ERROR
scheduler            Healthy   ok                  
controller-manager   Healthy   ok                  
etcd-0               Healthy   {"health":"true"}   

3.3.4、服务部署

在Kubernetes集群中部署一个Nginx服务，测试集群是否正常工作。

# 创建Nginx
kubectl create deployment nginx --image=nginx:1.14-alpine

# 暴露端口
kubectl expose deploy nginx --port=80 --target-port=80 --type=NodePort

# 查看服务
kubectl get svc

NAME         TYPE        CLUSTER-IP     EXTERNAL-IP   PORT(S)        AGE
kubernetes   ClusterIP   10.96.0.1      <none>        443/TCP        4h35m
nginx        NodePort    10.107.20.43   <none>        80:30073/TCP   3h21m

# 访问测试(集群中任意一个地址都可以访问)
curl http://192.168.114.131:30073