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[系统运维]Kubernetes——Kubernetes基础+部署Kubernetes集群

Kubernetes介绍

1.1 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

在这里插入图片描述

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—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

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1.2 Kubernetes简介

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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。它的目的就是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

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1.3 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

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

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

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部署一个nginx服务来说明kubernetes系统各个组件调用关系：
- 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
- 一个nginx服务的安装请求会首先被发送到master节点的apiServer组件
- 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
- apiServer调用controller-manager去调度Node节点安装nginx服务
- 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
- 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（部署程序 > 容器 > pod）
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

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集群环境搭建

2.1 环境规划

2.1.1 集群类型

kubernetes集群大体上分为两类：一主多从和多主多从
- 一主多从：一台Master节点和多台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：多台Master节点和多台Node节点，搭建麻烦，安全性高，适合用于生产环境

在这里插入图片描述

说明：为了测试简单，本次搭建的是一主两从类型的集群

2.1.2 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kubernetes的工具
- Kubeadm：一个用于快速搭建kubernetes集群的工具
- 二进制包∶从官网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

说明：现在需要安装kubernetes的集群环境，但是又不想过于麻烦，所以选择使用kubeadm方式

2.1.3 主机规划

作用	IP地址	操作系统	配置
k8s-master	192.168.100.20	CentOS 7.5 基础设施服务器	2颗CPU 2G内存
Node1	192.168.100.30	CentOS 7.5 基础设施服务器	2颗CPU 2G内存
Node2	192.168.100.31	CentOS 7.5 基础设施服务器	2颗CPU 2G内存

2.2 环境初始化

检查操作系统版本

#此方式下安装kubernetes集群要求centos版本要在7.5或之上
[root@k8s-master ~]# cat /etc/redhat-release 
CentOS Linux release 7.5.1804 (Core)

主机名解析
- 为了方便后面集群节点间的直接调用，在这配置一下主机名解析，企业中推荐使用内部DNS服务器

#主机名成解析编辑三台服务器的/etc/hosts文件，添加下面内容
#使用Xsell发送键到所有会话

[root@k8s-master ~]# vim /etc/hosts
192.168.100.20 k8s-master
192.168.100.30 k8s-node1
192.168.100.31 k8s-node2

时间同步
- kubernetes要求集群中的节点时间必须精确一致，这里直接使用chronyd服务从网络同步时间。
- 企业中建议配置内部的时间同步服务器

#查看是否安装
rpm -qa |grep chrony
#安装,使用Xshell发送键到所有会话
yum install -y chrony
#启动chrony服务并设置开机自启
systemctl start chronyd && systemctl enable chronyd

#设置完成后查看时间是否同步
[root@k8s-master ~]# date

禁用iptables和firewalld服务
- kubernetes和docker在运行中会产生大量的iptables规则，为了不让系统规则跟它们混淆，直接关闭系统的规则

#关闭防火墙并设置开机不启动
systemctl stop firewalld && systemctl disable firewalld
#当前版本没有iptables,这一步就算完成

禁用Selinux
- selinux是linux系统下的一个安全服务，如果不关闭它，在安装集群中会产生各种各样的奇葩问题

sed -i 's/SELINUX=enforcing/SELINUX=disabled/g' /etc/selinux/config
setenforce 0
getenforce

禁用swap交换分区
- swap分区指的是虚拟内存分区，它的作用是在物理内存使用完之后，将磁盘空间虚拟成内存来使用
- 启用swap设备会对系统的性能产生非常负面的影响，因此kubernetes要求每个节点都要禁用swap设备
- 但是如果因为某些原因确实不能关闭swap分区，就需要在集群安装过程中通过明确的参数进行配置说明

#编辑分区配置文件/etc/fstab，注释掉swap分区一行
#修改完毕之后需要重启linux服务
vim /etc/fstab
#/dev/mapper/centos-swap swap                    swap    defaults        0 0

修改Linux内核参数

#修改linux的内核参数,添加网桥过滤和地址转发功能
#编辑/etc/sysctl.d/kubernetes.conf文件，添加如下配置:
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

#重新加载配置
[root@k8s-master ~]# sysctl -p

#加载网桥过滤模块
[root@k8s-master ~]# modprobe br_netfilter

#查看网桥过滤模块是否加载成功
[root@k8s-master ~]# lsmod | grep br_netfilter
br_netfilter           22256  0

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
[root@k8s-master ~]# yum -y install ipset ipvsadmin

#添加需要加载的模块写入脚本文件
cat <<EOF > /etc/sysconfig/modules/ipvs.modules
#!/bin/bash
modprobe -- ip_vs
modprobe -- ip_vs_rr
modprobe -- ip_vs_wrr
modprobe -- ip_vs_sh
modprobe -- nf_conntrack_ipv4
EOF

#为脚本添加执行权限
chmod +x /etc/sysconfig/modules/ipvs.modules

#执行脚本文件
/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

重启服务器

#重启
shutdown -r now
#重启后查看交换分区是否关闭成功
free -h

2.2.1 安装Docker

#切换镜像源
wget https://mirrors.aliyun.com/docker-ce/linux/centos/docker-ce.repo -O /etc/yum.repos.d/docker-ce.repo

#查看当前镜像源中支持的docker版本
yum list docker-ce --showduplicates

#安装特定版本的docker-ce
#必须指定--setopt=obsoletes=0，否则yum会自动安装更高版本,稳定
yum install --setopt=obsoletes=0 docker-ce-18.06.3.ce-3.el7 -y

#添加一个配置文件
# 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
[root@k8s-master ~]# mkdir /etc/docker
[root@k8s-master ~]# cat <<EOF > /etc/docker/daemon.json
 {
"exec-opts": ["native.cgroupdriver=systemd"],
"registry-mirrors":["https://kn0t2bca.mirror.aliyuncs.com"]
 }
 EOF
 
#启动并设置开机启动docker
[root@k8s-master ~]# systemctl enable docker --now

#检查docker版本和状态
[root@k8s-master ~]# docker version

2.2.2 安装kubernetes组件

#由于kubernetes的镜像源在国外，速度比较慢，这里切换成国内的镜像源

#编辑/etc/yum.repos.d/kubernetes.repo，添加下面的配置
[root@k8s-master ~]# vim /etc/yum.repos.d/kubernetes.repo
[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

#安装kubeadm、kubelet和kubectl
[root@k8s-master ~]# yum install --setopt=obsoletes=0 kubeadm-1.17.4-0 kubelet-1.17.4-0 kubectl-1.17.4-0 -y

#配置kubelet的cgroup
#编辑/etc/sysconfig/kubelet，添加下面的配器
[root@k8s-master ~]# vim /etc/sysconfig/kubelet
KUBELET_EXTRA_ARGS="--cgroup-driver=systemd"
KUBE_PROXY_MODE="ipvs"

#设置kubelet开机自启,不用手动启动,在集群启动中会自动启动
[root@k8s-master ~]# systemctl enable kubelet

2.2.3 准备集群镜像

#在安装kubernetes集群之前，必须要提前准备好集群需要的镜像，所需镜像可以通过下面命令查看
[root@k8s-master ~]# kubeadm config images list

#下载镜像
#定义下载镜像的列表,三台机器同时操作
[root@k8s-master ~]# images=(
kube-apiserver:v1.17.4
kube-controller-manager:v1.17.4
kube-scheduler:v1.17.4
kube-proxy:v1.17.4
pause:3.1
etcd:3.4.3-0
coredns:1.6.5
)

[root@k8s-master ~]# for imageName in ${images[@]} ;do
#从阿里云仓库拉取镜像
	docker pull registry.cn-hangzhou.aliyuncs.com/google_containers/$imageName
#拉取完成之后该为k8s官方仓库的名字
	docker tag registry.cn-hangzhou.aliyuncs.com/google_containers/$imageName k8s.gcr.io/$imageName
#修改完成之后再移除以阿里开头的镜像
	docker rmi registry.cn-hangzhou.aliyuncs.com/google_containers/$imageName
done

#下载完成后查看下载的镜像
[root@k8s-master ~]# docker images

2.2.4 集群初始化

对集群进行初始化，并将node节点加入到集群中

下面的操作只需要在master节点上执行即可

#创建集群
[root@k8s-master ~]# kubeadm init \
--kubernetes-version=v1.17.4 \
--pod-network-cidr=10.244.0.0/16 \
--service-cidr=10.96.0.0/12 \
--apiserver-advertise-address=192.168.100.20  #定义master节点IP地址

#你的Kubernetes控制平面已成功初始化!
Your Kubernetes control-plane has initialized successfully! 

#根据提示创建必要文件
[root@k8s-master ~]# mkdir -p $HOME/.kube
[root@k8s-master ~]# sudo cp -i /etc/kubernetes/admin.conf $HOME/.kube/config
[root@k8s-master ~]# sudo chown $(id -u):$(id -g) $HOME/.kube/config

下面的操作只需要在node节点上执行即可

#将node节点加入集群

#通过在每个根节点上运行以下命令，可以加入任意数量的工作节点
Then you can join any number of worker nodes by running the following on each as root:

[root@k8s-node1 ~]# kubeadm join 192.168.100.20:6443 --token djgeak.55d6k3ukq74yi7bp \
    --discovery-token-ca-cert-hash sha256:d0eff06868f22d0214eeab738166e26e85d0ce31d47e4c8effe4c84279ba2fcc
[root@k8s-node2 ~]# kubeadm join 192.168.100.20:6443 --token djgeak.55d6k3ukq74yi7bp \
    --discovery-token-ca-cert-hash sha256:d0eff06868f22d0214eeab738166e26e85d0ce31d47e4c8effe4c84279ba2fcc

#在控制平面上运行"kubectl get nodes"以查看此节点是否加入集群
Run 'kubectl get nodes' on the control-plane to see this node join the cluster.

#在master节点查看,此时状态为NotReady,需要安装网络插件
[root@k8s-master ~]# kubectl get nodes
NAME         STATUS     ROLES    AGE     VERSION
k8s-master   NotReady   master   4m30s   v1.17.4
k8s-node1    NotReady   <none>   110s    v1.17.4
k8s-node2    NotReady   <none>   106s    v1.17.4

2.2.5 安装网络插件

kubernetes支持多种网络插件，比如flannel、calico、canal等等，任选一种使用即可，本次选择flannel

下面操作依旧只在master节点执行即可，插件使用的是DaemonSet的控制器，它会在每个节点上都运行

#获取fannel的配置文件
[root@k8s-master ~]# wget https://github.com/mrlxxx/kube-flannel.yml/archive/refs/heads/master.zip
[root@k8s-master ~]# unzip master.zip
[root@k8s-master ~]# find kube-flannel.yml-master/ -name kube-flannel.yml -exec mv {} . \;
[root@k8s-master ~]# rm -rf kube-flannel.yml-master master.zip
[root@k8s-master ~]# vim kube-flannel.yml
#修改文件中的quay.io仓库为quay-mirror.qiniu.com

#每个节点都需要拉取镜像
[root@k8s-master ~]# docker pull lwolf/flannel:v0.12.0
# 为什么要打tag，因为kube-flannel.yaml文件里面的镜像名称就是quay.io/coreos/flannel:v0.12.0-amd64
[root@k8s-master ~]# docker tag lwolf/flannel:v0.12.0 quay-mirror.qiniu.com/coreos/flannel:v0.12.0-amd64

#使用配置文件启动fannel
[root@k8s-master ~]# kubectl apply -f kube-flannel.yml

#再次查看集群节点的状态
[root@k8s-master ~]# kubectl get nodes
NAME         STATUS   ROLES    AGE    VERSION
k8s-master   Ready    master   12m   v1.17.4
k8s-node1    Ready    <none>   13m   v1.17.4
k8s-node2    Ready    <none>   13m   v1.17.4
#至此，kubernetes的集群环境搭建完成

2.3 服务部署

接下来在kubernetes集群中部署一个nginx程序，测试下集群是否在正常工作。

下面操作依旧只在master节点执行即可

#部署nginx
[root@k8s-master ~]# kubectl create deployment nginx --image=nginx:1.14-alpine
deployment.apps/nginx created

#暴露端口,NodePort:让集群之外的人访问
[root@k8s-master ~]# kubectl expose deployment nginx --port=80 --type=NodePort
service/nginx exposed

#查看服务状态
[root@k8s-master ~]# kubectl get pods,service
NAME                         READY   STATUS    RESTARTS   AGE
pod/nginx-6867cdf567-z57cw   1/1     Running   0          2m59s

NAME                 TYPE        CLUSTER-IP       EXTERNAL-IP   PORT(S)        AGE
service/kubernetes   ClusterIP   10.96.0.1        <none>        443/TCP        133m
service/nginx        NodePort    10.100.110.227   <none>        80:32461/TCP   32s

#最后在电脑上访问部署的nginx服务