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k8s 高可用 Nginx+Keepalived 生产部署

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k8s 高可用 Nginx+Keepalived生产部署

1.前置知识点

1.1 生产环境可部署Kubernetes集群的两种方式

目前生产部署Kubernetes集群主要有两种方式：

  • 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。

这里采用kubeadm搭建集群。

  • 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。

kubeadm工具功能：

• ****kubeadm init：****初始化一个Master节点

• ****kubeadm join：****将工作节点加入集群

• ****kubeadm upgrade：****升级K8s版本

• ****kubeadm token：****管理 kubeadm join 使用的令牌

• ****kubeadm reset：****清空 kubeadm init 或者 kubeadm join 对主机所做的任何更改

• ****kubeadm version：****打印 kubeadm 版本

• ****kubeadm alpha：****预览可用的新功能

.

1.2 准备环境

软件环境：

软件 版本
操作系统 CentOS7.8_x64 （mini）
Docker 19-ce
Kubernetes 1.23

服务器整体规划：

角色 IP 其他单装组件
k8s-master1 192.168.31.71 docker，etcd
k8s-master2 192.168.31.72 docker，etcd
k8s-maste3 192.168.31.73 docker，etcd
nginx1 192.168.31.81 nginx，keepalived
nginx2 192.168.31.82 nginx，keepalived
负载均衡器对外IP 192.168.31.88 (VIP)

架构图：

k8s

.

1.3 操作系统初始化配置

基础配置

# 关闭防火墙
systemctl stop firewalld
systemctl disable firewalld

# 关闭selinux
sed -i 's/enforcing/disabled/' /etc/selinux/config  # 永久
setenforce 0  # 临时

# 关闭swap
swapoff -a  # 临时
sed -ri 's/.*swap.*/#&/' /etc/fstab    # 永久

# 根据规划设置主机名
hostnamectl set-hostname <hostname>

# 在master添加hosts
cat >> /etc/hosts << EOF
192.168.31.71 k8s-master1
192.168.31.72 k8s-master2
192.168.31.73 k8s-node1
EOF

# 将桥接的IPv4流量传递到iptables的链
cat > /etc/sysctl.d/k8s.conf << EOF
net.bridge.bridge-nf-call-ip6tables = 1
net.bridge.bridge-nf-call-iptables = 1
EOF
sysctl --system  # 生效

# 时间同步
yum install ntpdate -y
ntpdate time.windows.com

2.部署Nginx+Keepalived高可用负载均衡器

Kubernetes作为容器集群系统，通过健康检查+重启策略实现了Pod故障自我修复能力，通过调度算法实现将Pod分布式部署，并保持预期副本数，根据Node失效状态自动在其他Node拉起Pod，实现了应用层的高可用性。

针对Kubernetes集群，高可用性还应包含以下两个层面的考虑：Etcd数据库的高可用性和Kubernetes Master组件的高可用性。 而kubeadm搭建的K8s集群，Etcd只起了一个，存在单点，所以我们这里会独立搭建一个Etcd集群。

Master节点扮演着总控中心的角色，通过不断与工作节点上的Kubelet和kube-proxy进行通信来维护整个集群的健康工作状态。如果Master节点故障，将无法使用kubectl工具或者API做任何集群管理。

Master节点主要有三个服务kube-apiserver、kube-controller-manager和kube-scheduler，其中kube-controller-manager和kube-scheduler组件自身通过选举机制已经实现了高可用，所以Master高可用主要针对kube-apiserver组件，而该组件是以HTTP API提供服务，因此对他高可用与Web服务器类似，增加负载均衡器对其负载均衡即可，并且可水平扩容。

kube-apiserver高可用架构图：

• Nginx是一个主流Web服务和反向代理服务器，这里用四层实现对apiserver实现负载均衡。

• Keepalived是一个主流高可用软件，基于VIP绑定实现服务器双机热备，在上述拓扑中，Keepalived主要根据Nginx运行状态判断是否需要故障转移（偏移VIP），例如当Nginx主节点挂掉，VIP会自动绑定在Nginx备节点，从而保证VIP一直可用，实现Nginx高可用。

2.1 安装软件包（主/备）

安装nginx keepalived

yum install epel-release -y
yum install nginx  nginx-mod-stream keepalived -y

Nginx配置文件（主/备一样）

cat > /etc/nginx/nginx.conf << "EOF"
user nginx;
worker_processes auto;
error_log /var/log/nginx/error.log;
pid /run/nginx.pid;

include /usr/share/nginx/modules/*.conf;

events {
    worker_connections 1024;
}

# 四层负载均衡，为3台Master apiserver组件提供负载均衡
stream {

    log_format  main  '$remote_addr $upstream_addr - [$time_local] $status $upstream_bytes_sent';

    access_log  /var/log/nginx/k8s-access.log  main;

    upstream k8s-apiserver {
       server 192.168.122.71:6443;   # Master1 APISERVER IP:PORT
       server 192.168.122.72:6443;   # Master2 APISERVER IP:PORT
       server 192.168.122.73:6443;   # Master3 APISERVER IP:PORT
    }
    
    server {
       listen 6443;
       # listen 16443;  # 由于nginx与master节点复用，这个监听端口不能是6443，否则会冲突
       proxy_pass k8s-apiserver;
    }
}

http {
    log_format  main  '$remote_addr - $remote_user [$time_local] "$request" '
                      '$status $body_bytes_sent "$http_referer" '
                      '"$http_user_agent" "$http_x_forwarded_for"';

    access_log  /var/log/nginx/access.log  main;

    sendfile            on;
    tcp_nopush          on;
    tcp_nodelay         on;
    keepalive_timeout   65;
    types_hash_max_size 2048;

    include             /etc/nginx/mime.types;
    default_type        application/octet-stream;
}
EOF
2.2 keepalived配置文件
Nginx Master
cat > /etc/keepalived/keepalived.conf << EOF
global_defs { 
   notification_email { 
     [email protected] 
     [email protected] 
     [email protected] 
   } 
   notification_email_from [email protected]  
   smtp_server 127.0.0.1 
   smtp_connect_timeout 30 
   router_id NGINX_MASTER
} 

vrrp_script check_nginx {
    script "/etc/keepalived/check_nginx.sh" # 判断返回状态码
}

vrrp_instance VI_1 { 
    state MASTER 
    interface eth0  # 修改为实际网卡名
    virtual_router_id 51 # VRRP 路由 ID实例，每个实例是唯一的 
    priority 100    # 优先级，备服务器设置 90 
    advert_int 1    # 指定VRRP 心跳包通告间隔时间，默认1秒 
    authentication { 
        auth_type PASS      
        auth_pass 1111 
    }  
    # 虚拟IP
    virtual_ipaddress { 
        192.168.122.88/24
    } 
    track_script {
        check_nginx
    } 
}
EOF
  • vrrp_script：指定检查nginx工作状态脚本（根据nginx状态判断是否故障转移）
  • virtual_ipaddress：虚拟IP（VIP）

准备上述配置文件中检查nginx运行状态的脚本：

cat > /etc/keepalived/check_nginx.sh  << "EOF"
#!/bin/bash
code=$(curl -k https://127.0.0.1:6443/version -s -o /dev/null -w %{http_code})

if [ "$code" -ne 200 ];then
    exit 1
else
    exit 0
fi
EOF
chmod +x /etc/keepalived/check_nginx.sh
Nginx Backup
cat > /etc/keepalived/keepalived.conf << EOF
global_defs { 
   notification_email { 
     [email protected] 
     [email protected] 
     [email protected] 
   } 
   notification_email_from [email protected]  
   smtp_server 127.0.0.1 
   smtp_connect_timeout 30 
   router_id NGINX_BACKUP
} 

vrrp_script check_nginx {
    script "/etc/keepalived/check_nginx.sh"
}

vrrp_instance VI_1 { 
    state BACKUP 
    interface eth0
    virtual_router_id 51 # VRRP 路由 ID实例，每个实例是唯一的 
    priority 90
    advert_int 1
    authentication { 
        auth_type PASS      
        auth_pass 1111 
    }  
    virtual_ipaddress { 
        192.168.122.88/24
    } 
    track_script {
        check_nginx
    } 
}
EOF

准备上述配置文件中检查nginx运行状态的脚本：

cat > /etc/keepalived/check_nginx.sh  << "EOF"
#!/bin/bash
code=$(curl -k https://127.0.0.1:6443/version -s -o /dev/null -w %{http_code})

if [ "$code" -ne 200 ];then
    exit 1
else
    exit 0
fi
EOF
chmod +x /etc/keepalived/check_nginx.sh

注：keepalived根据脚本返回状态码（0为工作正常，非0不正常）判断是否故障转移。

2.3 启动并设置开机启动

启动

systemctl daemon-reload
systemctl enable nginx --now
systemctl enable keepalived --now

查看keepalived工作状态

#ip a |  grep 192
    inet 192.168.122.81/24 brd 192.168.122.255 scope global noprefixroute eth0
    inet 192.168.122.88/32 scope global eth0
    inet 192.168.124.1/24 brd 192.168.124.255 scope global virbr0

可以看到，在ens33网卡绑定了192.168.31.88 虚拟IP，说明工作正常。

2.4 Nginx+Keepalived高可用测试

关闭主节点Nginx，测试VIP是否漂移到备节点服务器。

在Nginx Master执行 pkill nginx
在Nginx Backup，ip addr命令查看已成功绑定VIP。

3.部署Etcd集群

参考：https://www.opsxdev.com/articles/2022/05/04/1651635325707

4.安装Docker/kubeadm/kubelet【所有节点】

这里使用Docker作为容器引擎，也可以换成别的，例如containerd

4.1 安装Docker

wget https://mirrors.aliyun.com/docker-ce/linux/centos/docker-ce.repo -O /etc/yum.repos.d/docker-ce.repo
yum -y install docker-ce
systemctl enable docker && systemctl start docker

配置镜像下载加速器：

cat > /etc/docker/daemon.json << EOF
{
  "registry-mirrors": ["https://b9pmyelo.mirror.aliyuncs.com"],
  "exec-opts": ["native.cgroupdriver=systemd"]
}
EOF

systemctl restart docker
docker info

4.2 添加阿里云YUM软件源

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

4.3 安装kubeadm，kubelet和kubectl

yum install -y kubelet-1.23.0 kubeadm-1.23.0 kubectl-1.23.0
systemctl enable kubelet

5.部署Kubernetes Master

初始化Master1

1.生成标准配置文件

kubeadm config print init-defaults > kubeadm-config.yaml

2.修改配置文件

cat > kubeadm-config.yaml << EOF
apiVersion: kubeadm.k8s.io/v1beta2
bootstrapTokens:
- groups:
  - system:bootstrappers:kubeadm:default-node-token
  token: 9037x2.tcaqnpaqkra9vsbw
  ttl: 24h0m0s
  usages:
  - signing
  - authentication
kind: InitConfiguration
localAPIEndpoint:
  advertiseAddress: 192.168.31.71
  bindPort: 6443
nodeRegistration:
  criSocket: /var/run/dockershim.sock
  name: k8s-master1
  taints:
  - effect: NoSchedule
    key: node-role.kubernetes.io/master
---
apiServer:
  certSANs:  # 包含所有Master/LB/VIP IP，一个都不能少！为了方便后期扩容可以多写几个预留的IP。
  - k8s-master1
  - k8s-master2
  - 192.168.31.71
  - 192.168.31.72
  - 192.168.31.73
  - 192.168.31.88
  - 127.0.0.1
  extraArgs:
    authorization-mode: Node,RBAC
  timeoutForControlPlane: 4m0s
apiVersion: kubeadm.k8s.io/v1beta2
certificatesDir: /etc/kubernetes/pki
clusterName: kubernetes
controlPlaneEndpoint: 192.168.31.88:16443 # 负载均衡虚拟IP（VIP）和端口
controllerManager: {}
dns:
  type: CoreDNS
etcd:
  external:  # 使用外部etcd
    endpoints:
    - https://192.168.31.71:2379 # etcd集群3个节点
    - https://192.168.31.72:2379
    - https://192.168.31.73:2379
    caFile: /opt/etcd/ssl/ca.pem # 连接etcd所需证书
    certFile: /opt/etcd/ssl/server.pem
    keyFile: /opt/etcd/ssl/server-key.pem
imageRepository: registry.aliyuncs.com/google_containers # 由于默认拉取镜像地址k8s.gcr.io国内无法访问，这里指定阿里云镜像仓库地址
kind: ClusterConfiguration
kubernetesVersion: v1.23.0 # K8s版本，与上面安装的一致
networking:
  dnsDomain: cluster.local
  podSubnet: 10.244.0.0/16  # Pod网络，与下面部署的CNI网络组件yaml中保持一致
  serviceSubnet: 10.96.0.0/12  # 集群内部虚拟网络，Pod统一访问入口
scheduler: {}
EOF

使用配置文件引导： kubeadm init --config kubeadm-config.yaml

kubeadm init --config kubeadm-config.yaml
...
Your Kubernetes control-plane has initialized successfully!

To start using your cluster, you need to run the following as a regular user:

  mkdir -p $HOME/.kube
  sudo cp -i /etc/kubernetes/admin.conf $HOME/.kube/config
  sudo chown $(id -u):$(id -g) $HOME/.kube/config

Alternatively, if you are the root user, you can run:

  export KUBECONFIG=/etc/kubernetes/admin.conf

You should now deploy a pod network to the cluster.
Run "kubectl apply -f [podnetwork].yaml" with one of the options listed at:
  https://kubernetes.io/docs/concepts/cluster-administration/addons/

You can now join any number of control-plane nodes by copying certificate authorities
and service account keys on each node and then running the following as root:

  kubeadm join 192.168.31.88:16443 --token 9037x2.tcaqnpaqkra9vsbw \
    --discovery-token-ca-cert-hash sha256:b1e726042cdd5df3ce62e60a2f86168cd2e64bff856e061e465df10cd36295b8 \
    --control-plane 

Then you can join any number of worker nodes by running the following on each as root:

kubeadm join 192.168.31.88:16443 --token 9037x2.tcaqnpaqkra9vsbw \
    --discovery-token-ca-cert-hash sha256:b1e726042cdd5df3ce62e60a2f86168cd2e64bff856e061e465df10cd36295b8

初始化完成后，会有两个join的命令，带有 --control-plane 是用于加入组建多master集群的，不带的是加入节点的。

拷贝kubectl使用的连接k8s认证文件到默认路径：

mkdir -p $HOME/.kube
sudo cp -i /etc/kubernetes/admin.conf $HOME/.kube/config
sudo chown $(id -u):$(id -g) $HOME/.kube/config
kubectl get node
NAME          STATUS     ROLES                  AGE     VERSION
k8s-master1   NotReady   control-plane,master   6m42s   v1.23.0

默认 token 有效期为 24 小时，当过期之后，该 token 就不可用了。这时就需要重新创建 token，可以直接使用命令快捷生成：

kubeadm token create --print-join-command

参考资料：https://kubernetes.io/docs/reference/setup-tools/kubeadm/kubeadm-join/

6.初始化Master2和Master3

将Master1节点生成的证书拷贝到Master2和Master3

scp -r /etc/kubernetes/pki/ 192.168.31.72:/etc/kubernetes/
scp -r /etc/kubernetes/pki/ 192.168.31.73:/etc/kubernetes/

复制加入master join命令在master2执行：

 kubeadm join 192.168.31.88:16443 --token 9037x2.tcaqnpaqkra9vsbw \
    --discovery-token-ca-cert-hash sha256:b1e726042cdd5df3ce62e60a2f86168cd2e64bff856e061e465df10cd36295b8 \
    --control-plane

拷贝kubectl使用的连接k8s认证文件到默认路径：

mkdir -p $HOME/.kube
sudo cp -i /etc/kubernetes/admin.conf $HOME/.kube/config
sudo chown $(id -u):$(id -g) $HOME/.kube/config

kubectl get node
NAME          STATUS     ROLES                  AGE     VERSION
k8s-master1   NotReady   control-plane,master   28m     v1.23.0
k8s-master2   NotReady   control-plane,master   2m12s   v1.23.0

注：由于网络插件还没有部署，还没有准备就绪 NotReady

访问负载均衡器测试

找K8s集群中任意一个节点，使用curl查看K8s版本测试，使用VIP访问：

curl -k https://192.168.31.88:16443/version
{
  "major": "1",
  "minor": "20",
  "gitVersion": "v1.23.0",
  "gitCommit": "e87da0bd6e03ec3fea7933c4b5263d151aafd07c",
  "gitTreeState": "clean",
  "buildDate": "2021-02-18T16:03:00Z",
  "goVersion": "go1.15.8",
  "compiler": "gc",
  "platform": "linux/amd64"
}

可以正确获取到K8s版本信息，说明负载均衡器搭建正常。该请求数据流程：curl -> vip(nginx) -> apiserver

通过查看Nginx日志也可以看到转发apiserver IP：

tail /var/log/nginx/k8s-access.log -f
192.168.31.71 192.168.31.71:6443 - [02/Apr/2021:19:17:57 +0800] 200 423
192.168.31.71 192.168.31.72:6443 - [02/Apr/2021:19:18:50 +0800] 200 423

7.网络组件和Kubernetes Node

在192.168.31.74（Node）执行。

向集群添加新节点，执行在kubeadm init输出的kubeadm join命令：

kubeadm join 192.168.31.88:16443 --token 9037x2.tcaqnpaqkra9vsbw \
    --discovery-token-ca-cert-hash sha256:e6a724bb7ef8bb363762fbaa088f6eb5975e0c654db038560199a7063735a697

后续其他节点也是这样加入。

注：默认token有效期为24小时，当过期之后，该token就不可用了。这时就需要重新创建token，可以直接使用命令快捷生成：

kubeadm token create --print-join-command
部署网络组件

Calico是一个纯三层的数据中心网络方案，是目前Kubernetes主流的网络方案。

部署Calico：

kubectl apply -f calico.yaml
kubectl get pods -n kube-system

等Calico Pod都Running，节点也会准备就绪：

kubectl get node
NAME          STATUS   ROLES                  AGE   VERSION
k8s-master1    Ready    control-plane,master   50m   v1.23.0
k8s-master2    Ready    control-plane,master   24m   v1.23.0
k8s-node1     Ready    <none>            20m   v1.23.0

8. 官方Dashboard

Dashboard是官方提供的一个UI，可用于基本管理K8s资源。

kubectl apply -f kubernetes-dashboard.yaml
# 查看部署
kubectl get pods -n kubernetes-dashboard

访问地址：https://NodeIP:30001

创建service account并绑定默认cluster-admin管理员集群角色：

kubectl create serviceaccount dashboard-admin -n kube-system
kubectl create clusterrolebinding dashboard-admin --clusterrole=cluster-admin --serviceaccount=kube-system:dashboard-admin
kubectl describe secrets -n kube-system $(kubectl -n kube-system get secret | awk '/dashboard-admin/{print $1}')

使用输出的token登录Dashboard。

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