Kubernetes 知识梳理及集群搭建

Kubernetes介绍

应用部署方式演变

在部署应用程序的方式上，主要经历了三个时代：

• 传统部署：互联网早期，会直接将应用程序部署在物理机上

  优点：简单，不需要其它技术的参与

  缺点：不能为应用程序定义资源使用边界，很难合理地分配计算资源，而且程序之间容易产生影响

• 虚拟化部署：可以在一台物理机上运行多个虚拟机，每个虚拟机都是独立的一个环境

  优点：程序环境不会相互产生影响，提供了一定程度的安全性

  缺点：增加了操作系统，浪费了部分资源

• 容器化部署：与虚拟化类似，但是共享了操作系统

  优点：

  可以保证每个容器拥有自己的文件系统、CPU、内存、进程空间等

  运行应用程序所需要的资源都被容器包装，并和底层基础架构解耦

  容器化的应用程序可以跨云服务商、跨Linux操作系统发行版进行部署

容器化部署方式给带来很多的便利，但是也会出现一些问题，比如说：

• 一个容器故障停机了，怎么样让另外一个容器立刻启动去替补停机的容器
• 当并发访问量变大的时候，怎么样做到横向扩展容器数量

这些容器管理的问题统称为容器编排问题，为了解决这些容器编排问题，就产生了一些容器编排的软件：

• Swarm：Docker自己的容器编排工具
• Mesos：Apache的一个资源统一管控的工具，需要和Marathon结合使用
• Kubernetes：Google开源的的容器编排工具

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，是谷歌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。目的是实现资源管理的自动化，主要提供了如下的主要功能：

• 自我修复：一旦某一个容器崩溃，能够在1秒中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：如果一个服务起动了多个容器，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

kubernetes组件

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

master：集群的控制平面，负责集群的决策 ( 管理 )

ApiServer : 资源操作的唯一入口，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、滚动更新等

Etcd ：负责存储集群中各种资源对象的信息

node：集群的数据平面，负责为容器提供运行环境 ( 干活 )

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

下面，以部署一个nginx服务来说明kubernetes系统各个组件调用关系：

1. 首先要明确，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服务的安装请求会首先被发送到master节点的apiServer组件。

3. apiServer组件会调用scheduler组件来决定到底应该把这个服务安装到哪个node节点上在此时，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apiServer。

4. apiServer调用controller-manager去调度Node节点安装nginx服务。

5. kubelet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中至此。

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。

1.4 kubernetes概念

Master：集群控制节点，每个集群需要至少一个master节点负责集群的管控

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中的，一个pod中可以有1个或者多个容器

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

Service：pod对外服务的统一入口，下面可以维护者同一类的多个pod

Label：标签，用于对pod进行分类，同一类pod会拥有相同的标签

NameSpace：命名空间，用来隔离pod的运行环境

kubernetes集群环境搭建

前置知识点

目前生产部署Kubernetes 集群主要有两种方式：

kubeadm

Kubeadm 是一个K8s 部署工具，提供kubeadm init 和kubeadm join，用于快速部署Kubernetes 集群。

官方地址：https://kubernetes.io/docs/reference/setup-tools/kubeadm/kubeadm/

二进制包

从github 下载发行版的二进制包，手动部署每个组件，组成Kubernetes 集群。

Kubeadm 降低部署门槛，但屏蔽了很多细节，遇到问题很难排查。如果想更容易可控，推荐使用二进制包部署Kubernetes 集群，虽然手动部署麻烦点，期间可以学习很多工作原理，也利于后期维护。

kubeadm 部署方式介绍

kubeadm 是官方社区推出的一个用于快速部署kubernetes 集群的工具，这个工具能通过两条指令完成一个kubernetes 集群的部署：

• 创建一个Master 节点kubeadm init
• 将Node 节点加入到当前集群中$ kubeadm join <Master 节点的IP 和端口>

安装要求

在开始之前，部署Kubernetes 集群机器需要满足以下几个条件：

• 一台或多台机器，操作系统CentOS7.x-86_x64
• 硬件配置：2GB 或更多RAM，2 个CPU 或更多CPU，硬盘30GB 或更多
• 集群中所有机器之间网络互通
• 可以访问外网，需要拉取镜像
• 禁止swap 分区

最终目标

• 在所有节点上安装Docker 和kubeadm
• 部署Kubernetes Master
• 部署容器网络插件
• 部署Kubernetes Node，将节点加入Kubernetes 集群中
• 部署Dashboard Web 页面，可视化查看Kubernetes 资源

准备环境

角色	IP地址	组件
k8s-master01	172.16.5.3	docker，kubectl，kubeadm，kubelet
k8s-node01	172.16.5.4	docker，kubectl，kubeadm，kubelet
k8s-node02	172.16.5.5	docker，kubectl，kubeadm，kubelet

系统初始化（所有节点都要操作）

# 设置系统主机名以及 Host 文件的相互解析 hostnamectl set-hostname k8s-master01 && bash hostnamectl set-hostname k8s-node01 && bash hostnamectl set-hostname k8s-node02 && bash  cat > /etc/hosts <<EOF 172.16.5.3     k8s-master01 172.16.5.4     k8s-node01 172.16.5.5     k8s-node02 EOF  scp /etc/hosts root@172.16.5.4:/etc/hosts  scp /etc/hosts root@172.16.5.5:/etc/hosts   # 安装依赖文件 yum install -y conntrack ntpdate ntp ipvsadm ipset jq iptables curl sysstat libseccomp wget vim net-tools git  # 设置防火墙为 Iptables 并设置空规则 systemctl stop firewalld && systemctl disable firewalld  yum -y install iptables-services && systemctl start iptables && systemctl enable iptables && iptables -F && service iptables save  # 关闭 SELINUX swapoff -a && sed -i '/ swap / s/^(.*)$/#1/g' /etc/fstab  setenforce 0 && sed -i 's/^SELINUX=.*/SELINUX=disabled/' /etc/selinux/config  # 调整内核参数，对于 K8S modprobe br_netfilter  cat > /etc/sysctl.d/kubernetes.conf <<EOF net.bridge.bridge-nf-call-iptables=1 net.bridge.bridge-nf-call-ip6tables=1 net.ipv4.ip_forward=1 net.ipv4.tcp_tw_recycle=0 vm.swappiness=0 # 禁止使用 swap 空间，只有当系统 OOM 时才允许使用它 vm.overcommit_memory=1 # 不检查物理内存是否够用 vm.panic_on_oom=0 # 开启 OOM fs.inotify.max_user_instances=8192 fs.inotify.max_user_watches=1048576 fs.file-max=52706963 fs.nr_open=52706963 net.ipv6.conf.all.disable_ipv6=1 net.netfilter.nf_conntrack_max=2310720 EOF  sysctl -p /etc/sysctl.d/kubernetes.conf  # 调整系统时区 # 设置系统时区为 中国/上海 timedatectl set-timezone Asia/Shanghai # 将当前的 UTC 时间写入硬件时钟 timedatectl set-local-rtc 0 # 重启依赖于系统时间的服务 systemctl restart rsyslog systemctl restart crond  # 设置 rsyslogd 和 systemd journald # 持久化保存日志的目录 mkdir /var/log/journal  mkdir /etc/systemd/journald.conf.d cat > /etc/systemd/journald.conf.d/99-prophet.conf <<EOF [Journal] # 持久化保存到磁盘 Storage=persistent  # 压缩历史日志 Compress=yes  SyncIntervalSec=5m RateLimitInterval=30s RateLimitBurst=1000  # 最大占用空间 10G SystemMaxUse=10G  # 单日志文件最大 200M SystemMaxFileSize=200M  # 日志保存时间 2 周 MaxRetentionSec=2week  # 不将日志转发到 syslog ForwardToSyslog=no EOF  systemctl restart systemd-journald   # kube-proxy开启ipvs的前置条件 cat > /etc/sysconfig/modules/ipvs.modules <<EOF #!/bin/bash modprobe -- ip_vs modprobe -- ip_vs_rr modprobe -- ip_vs_wrr modprobe -- ip_vs_sh modprobe -- nf_conntrack_ipv4 EOF  chmod 755 /etc/sysconfig/modules/ipvs.modules && bash /etc/sysconfig/modules/ipvs.modules && lsmod | grep -e ip_vs -e nf_conntrack_ipv4   # 安装 Docker 软件 yum install -y yum-utils device-mapper-persistent-data lvm2  yum-config-manager --add-repo http://mirrors.aliyun.com/docker-ce/linux/centos/docker-ce.repo  yum install -y docker-ce  ## 创建 /etc/docker 目录 mkdir /etc/docker  cat > /etc/docker/daemon.json <<EOF { "exec-opts": ["native.cgroupdriver=systemd"], "log-driver": "json-file", "log-opts": { "max-size": "100m" } } EOF  ## 配置关闭 Docker 的 cgroups，修改 /etc/docker/daemon.json，加入以下内容 "exec-opts": ["native.cgroupdriver=systemd"]  mkdir -p /etc/systemd/system/docker.service.d # 重启docker服务 systemctl daemon-reload && systemctl restart docker && systemctl enable docker   # 安装 Kubeadm  cat > /etc/yum.repos.d/kubernetes.repo <<EOF [kubernetes] name=Kubernetes baseurl=http://mirrors.aliyun.com/kubernetes/yum/repos/kubernetes-el7-x86_64 enabled=1 gpgcheck=0 repo_gpgcheck=0 gpgkey=http://mirrors.aliyun.com/kubernetes/yum/doc/yum-key.gpg http://mirrors.aliyun.com/kubernetes/yum/doc/rpm-package-key.gpg EOF  yum install -y kubelet kubeadm kubectl && systemctl enable kubelet 

部署Kubernetes Master

初始化主节点（主节点操作）

kubeadm init --apiserver-advertise-address=172.16.5.3 --image-repository registry.aliyuncs.com/google_containers --kubernetes-version v1.21.1 --service-cidr=10.96.0.0/12 --pod-network-cidr=10.244.0.0/16  mkdir -p $HOME/.kube  cp -i /etc/kubernetes/admin.conf $HOME/.kube/config  chown $(id -u):$(id -g) $HOME/.kube/config 

加入主节点以及其余工作节点

kubeadm join 172.16.5.3:6443 --token h0uelc.l46qp29nxscke7f7          --discovery-token-ca-cert-hash sha256:abc807778e24bff73362ceeb783cc7f6feec96f20b4fd707c3f8e8312294e28f   ## token 没有过期可以通过如下命令获取 kubeadm token list ## 如果 token 已经过期，就重新申请 kubeadm token create  ## 获取 --discovery-token-ca-cert-hash 值，得到值后需要在前面拼接上 sha256: openssl x509 -pubkey -in /etc/kubernetes/pki/ca.crt | openssl rsa -pubin -outform der 2>/dev/null |  openssl dgst -sha256 -hex | sed 's/^.* //' 

部署网络

kubectl apply -f https://raw.githubusercontent.com/coreos/flannel/master/Documentation/kube-flannel.yml 

下面是文件内容

--- apiVersion: policy/v1beta1 kind: PodSecurityPolicy metadata:   name: psp.flannel.unprivileged   annotations:     seccomp.security.alpha.kubernetes.io/allowedProfileNames: docker/default     seccomp.security.alpha.kubernetes.io/defaultProfileName: docker/default     apparmor.security.beta.kubernetes.io/allowedProfileNames: runtime/default     apparmor.security.beta.kubernetes.io/defaultProfileName: runtime/default spec:   privileged: false   volumes:   - configMap   - secret   - emptyDir   - hostPath   allowedHostPaths:   - pathPrefix: "/etc/cni/net.d"   - pathPrefix: "/etc/kube-flannel"   - pathPrefix: "/run/flannel"   readOnlyRootFilesystem: false   # Users and groups   runAsUser:     rule: RunAsAny   supplementalGroups:     rule: RunAsAny   fsGroup:     rule: RunAsAny   # Privilege Escalation   allowPrivilegeEscalation: false   defaultAllowPrivilegeEscalation: false   # Capabilities   allowedCapabilities: ['NET_ADMIN', 'NET_RAW']   defaultAddCapabilities: []   requiredDropCapabilities: []   # Host namespaces   hostPID: false   hostIPC: false   hostNetwork: true   hostPorts:   - min: 0     max: 65535   # SELinux   seLinux:     # SELinux is unused in CaaSP     rule: 'RunAsAny' --- kind: ClusterRole apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1 metadata:   name: flannel rules: - apiGroups: ['extensions']   resources: ['podsecuritypolicies']   verbs: ['use']   resourceNames: ['psp.flannel.unprivileged'] - apiGroups:   - ""   resources:   - pods   verbs:   - get - apiGroups:   - ""   resources:   - nodes   verbs:   - list   - watch - apiGroups:   - ""   resources:   - nodes/status   verbs:   - patch --- kind: ClusterRoleBinding apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1 metadata:   name: flannel roleRef:   apiGroup: rbac.authorization.k8s.io   kind: ClusterRole   name: flannel subjects: - kind: ServiceAccount   name: flannel   namespace: kube-system --- apiVersion: v1 kind: ServiceAccount metadata:   name: flannel   namespace: kube-system --- kind: ConfigMap apiVersion: v1 metadata:   name: kube-flannel-cfg   namespace: kube-system   labels:     tier: node     app: flannel data:   cni-conf.json: |     {       "name": "cbr0",       "cniVersion": "0.3.1",       "plugins": [         {           "type": "flannel",           "delegate": {             "hairpinMode": true,             "isDefaultGateway": true           }         },         {           "type": "portmap",           "capabilities": {             "portMappings": true           }         }       ]     }   net-conf.json: |     {       "Network": "10.244.0.0/16",       "Backend": {         "Type": "vxlan"       }     } --- apiVersion: apps/v1 kind: DaemonSet metadata:   name: kube-flannel-ds   namespace: kube-system   labels:     tier: node     app: flannel spec:   selector:     matchLabels:       app: flannel   template:     metadata:       labels:         tier: node         app: flannel     spec:       affinity:         nodeAffinity:           requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:             nodeSelectorTerms:             - matchExpressions:               - key: kubernetes.io/os                 operator: In                 values:                 - linux       hostNetwork: true       priorityClassName: system-node-critical       tolerations:       - operator: Exists         effect: NoSchedule       serviceAccountName: flannel       initContainers:       - name: install-cni         image: quay.io/coreos/flannel:v0.14.0         command:         - cp         args:         - -f         - /etc/kube-flannel/cni-conf.json         - /etc/cni/net.d/10-flannel.conflist         volumeMounts:         - name: cni           mountPath: /etc/cni/net.d         - name: flannel-cfg           mountPath: /etc/kube-flannel/       containers:       - name: kube-flannel         image: quay.io/coreos/flannel:v0.14.0         command:         - /opt/bin/flanneld         args:         - --ip-masq         - --kube-subnet-mgr         resources:           requests:             cpu: "100m"             memory: "50Mi"           limits:             cpu: "100m"             memory: "50Mi"         securityContext:           privileged: false           capabilities:             add: ["NET_ADMIN", "NET_RAW"]         env:         - name: POD_NAME           valueFrom:             fieldRef:               fieldPath: metadata.name         - name: POD_NAMESPACE           valueFrom:             fieldRef:               fieldPath: metadata.namespace         volumeMounts:         - name: run           mountPath: /run/flannel         - name: flannel-cfg           mountPath: /etc/kube-flannel/       volumes:       - name: run         hostPath:           path: /run/flannel       - name: cni         hostPath:           path: /etc/cni/net.d       - name: flannel-cfg         configMap:           name: kube-flannel-cfg 

测试kubernetes 集群

部署nginx 测试

kubectl create deployment nginx --image=nginx  kubectl expose deployment nginx --port=80 --type=NodePort  kubectl get pod,svc