Kubernetes集群部署笔记

本作品由Galen Suen采用知识共享署名-非商业性使用-禁止演绎 4.0 国际许可协议进行许可。由原作者转载自个人站点。

概述

本文用于整理基于Debian操作系统使用kubeadm工具部署Kubernetes集群的操作过程。该集群部署于一组本地虚拟服务器上，用于学习Kubernetes的基础概念和基本操作，并作为今后其他学习内容的实践部署提供环境。

考虑到不同的网络环境，本文中一些步骤会记录两种操作方式，通过镜像等方式加快部署效率、避免部署错误。有关镜像同步的方案，可参考附件内容中的同步所需镜像。

随着操作系统和各相关组件版本的更新，笔者将在验证通过后对本文进行补充和更新。

服务器

受限于本地物理服务器的配置，虚拟服务器配置规划如下表。

Host	OS	IP	CPU	RAM	K8s	Roles
k8s-n0	Debian 10.10	10.0.0.50	2 vCPUs	4 GB	v1.22.1	control-plane, master
k8s-n1	Debian 10.10	10.0.0.51	4 vCPUs	6 GB	v1.22.1
k8s-n2	Debian 10.10	10.0.0.52	4 vCPUs	6 GB	v1.22.1
k8s-n3	Debian 10.10	10.0.0.53	4 vCPUs	6 GB	v1.22.1

所有虚拟服务器CPU均为amd64架构。

截止本文发布时，笔者基于最新Debian 11 ("bullseye")部署的集群仍然存在一些问题，故暂且发布基于Debian 10 ("buster")的笔记。

网络环境

本地网络IP地址范围为10.0.0.0/24，其中：

• 10.0.0.2-10.0.0.99为静态分配，供虚拟服务器使用
• 10.0.0.100-10.0.0.200用于DHCP自动分配
• 10.0.0.201-10.0.0.254为静态分配，供负载均衡器使用

其他组件

• 容器运行时
  
  containerd v1.4.9

• Pod网络组件
  
  flannel v0.14.0

• 负载均衡器
  
  metallb v0.10.2

• 持久卷供应
  
  local-path-provisioner v0.0.20

准备工作

服务器配置

本文假设服务器硬件和操作系统已经配置完毕，所有服务器上都已经正确配置了ssh服务和sudo权限。

作为参考，这里记录笔者配置sudo权限和ssh服务的过程。

• 配置sudo权限

  如操作人员的登录用户已经被正确配置了sudo权限，可跳过此步骤。

  本示例中，操作人员的登录用户名为tiscs，需要实际环境情况进行替换。

  # 使用root用户登录系统
  # 安装sudo，并配置sudo权限
  apt update
  apt install sudo
  echo "tiscs ALL=(ALL) NOPASSWD: ALL" | tee /etc/sudoers.d/tiscs # 这在生产环境绝不是个好主意，仅仅是为了演练环境操作方便
  

• 配置ssh服务

  # 安装openssh-server，并配置ssh服务为自动启动
  sudo apt update
  sudo apt install openssh-server
  sudo systemctl enable ssh --now
  

配置过程

安装容器运行时

本文配置的集群选择containerd作为容器运行时。

在所有节点上执行如下操作。

• 配置模块加载

  cat <<EOF | sudo tee /etc/modules-load.d/containerd.conf
  overlay
  br_netfilter
  EOF
  
  sudo modprobe overlay
  sudo modprobe br_netfilter
  

• 配置sysctl参数

  cat <<EOF | sudo tee /etc/sysctl.d/99-kubernetes-cri.conf
  net.bridge.bridge-nf-call-iptables  = 1
  net.ipv4.ip_forward                 = 1
  net.bridge.bridge-nf-call-ip6tables = 1
  EOF
  
  sudo sysctl --system
  

• 配置APT源

  # 安装依赖项
  sudo apt install -y apt-transport-https ca-certificates curl gnupg lsb-release
  

  # 根据网络环境选择官方源或镜像源
  
  # 1. 配置Docker官方源
  curl -fsSL https://download.docker.com/linux/debian/gpg \
    | sudo gpg --dearmor -o /etc/apt/trusted.gpg.d/docker-archive-keyring.gpg
  echo "deb [arch=amd64] https://download.docker.com/linux/debian $(lsb_release -cs) stable" \
    | sudo tee /etc/apt/sources.list.d/docker.list > /dev/null
  
  # 2. 配置Aliyun镜像源
  curl -fsSL https://mirrors.aliyun.com/docker-ce/linux/debian/gpg \
    | sudo gpg --dearmor -o /etc/apt/trusted.gpg.d/docker-archive-keyring.gpg
  echo "deb [arch=amd64] https://mirrors.aliyun.com/docker-ce/linux/debian $(lsb_release -cs) stable" \
    | sudo tee /etc/apt/sources.list.d/docker.list > /dev/null
  

• 安装containerd

  sudo apt update
  sudo apt install -y containerd.io
  

• 初始化配置

  sudo mkdir -p /etc/containerd
  containerd config default | sudo tee /etc/containerd/config.toml
  

  # 配置systemd cgroup驱动
  sudo sed -i 's|\(\s\+\)\[plugins."io.containerd.grpc.v1.cri".containerd.runtimes.runc.options\]|\1\[plugins."io.containerd.grpc.v1.cri".containerd.runtimes.runc.options\]\n\1  SystemdCgroup = true|g' /etc/containerd/config.toml
  

  # （可选）配置阿里云容器镜像源
  sudo sed -i 's/registry-1.docker.io/xrb7j2ja.mirror.aliyuncs.com/g' /etc/containerd/config.toml
  # （可选）配置sandbox image地址
  # 为了方便，这里配置为与kubelet所需相同的版本（可以使用kubeadm config images list命令查看）
  sudo sed -i 's|k8s.gcr.io/pause:.\+|registry.cn-beijing.aliyuncs.com/choral-k8s/pause:3.5|g' /etc/containerd/config.toml
  

  # 重启containerd服务
  sudo systemctl restart containerd
  

安装kubeadm

在所有节点上执行如下操作。

• 配置APT源

  # 根据网络环境选择官方源或镜像源
  
  # 1. 配置Docker官方源
  curl -fsSL https://packages.cloud.google.com/apt/doc/apt-key.gpg \
    | sudo gpg --dearmor -o /etc/apt/trusted.gpg.d/kubernetes-archive-keyring.gpg
  echo "deb https://apt.kubernetes.io/ kubernetes-xenial main" \
    | sudo tee /etc/apt/sources.list.d/kubernetes.list
  
  # 2. 配置Aliyun镜像源
  curl -fsSL https://mirrors.aliyun.com/docker-ce/linux/debian/gpg \
    | sudo gpg --dearmor -o /etc/apt/trusted.gpg.d/kubernetes-archive-keyring.gpg
  echo "deb https://mirrors.aliyun.com/kubernetes/apt/ kubernetes-xenial main" \
    | sudo tee /etc/apt/sources.list.d/kubernetes.list
  

• 安装kubeadm、kubelet和kubectl

  sudo apt install -y kubelet=1.22.1-00 kubeadm=1.22.1-00 kubectl=1.22.1-00
  sudo apt-mark hold kubelet kubeadm kubectl
  

• 安装并配置crictl（可选）

  可以安装并配置crictl，便于在k8s节点上管理容器运行时。

  # 安装crictl工具
  sudo apt install -y cri-tools
  
  # 配置crictl使用containerd运行时
  cat <<EOF | sudo tee /etc/crictl.yaml
  runtime-endpoint: unix:///run/containerd/containerd.sock
  image-endpoint: unix:///run/containerd/containerd.sock
  timeout: 10
  debug: false
  EOF
  
  # 验证crictl配置
  sudo crictl images # 列出所有镜像
  

配置控制平面节点

在k8s-n0节点上执行如下操作。

• 预先下载所需镜像

  # 查看所需的镜像列表
  kubeadm config images list --kubernetes-version=v1.22.1 # --image-repository registry.cn-beijing.aliyuncs.com/choral-k8s
  
  # 1. 使用默认容器镜像仓库
  sudo kubeadm config images pull --kubernetes-version=v1.22.1
  
  # 2. 使用自建容器镜像仓库
  sudo kubeadm config images pull --kubernetes-version=v1.22.1 \
    --image-repository registry.cn-beijing.aliyuncs.com/choral-k8s
  

• 初始化控制平面节点

  # --apiserver-advertise-address: 当前节点IP地址
  # --pod-network-cidr           : Pod网络地址段（CIDR: https://datatracker.ietf.org/doc/html/rfc4632）
  
  # 1. 使用默认容器镜像仓库
  sudo kubeadm init --apiserver-advertise-address 10.0.0.50 \
    --pod-network-cidr=10.244.0.0/16 --kubernetes-version=v1.22.1 
  
  # 2. 使用自建容器镜像仓库
  sudo kubeadm init --apiserver-advertise-address 10.0.0.50 \
    --pod-network-cidr=10.244.0.0/16 --kubernetes-version=v1.22.1 \
    --image-repository registry.cn-beijing.aliyuncs.com/choral-k8s
  

  执行完上述操作后，kubeadm init命令会输出用于添加节点到集群中的说明，请保存该说明中的内容。示例如下：

  sudo kubeadm join 10.0.0.50:6443 \
    --token vafq03.5dl6j1cbcd1yzf3c \
    --discovery-token-ca-cert-hash sha256:6a725d98e0f6bda713c9f93b8441a735cc60e8ec7454fbe960c74ab80683f938
  

• 添加kubectl配置（可选）

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

• 安装网络组件

  # 1. 使用默认镜像仓库（quay.io/coreos）安装
  kubectl apply -f https://raw.githubusercontent.com/coreos/flannel/master/Documentation/kube-flannel.yml
  
  # 2. 使用给自定义镜像仓库安装
  kubectl apply -f https://raw.githubusercontent.com/coreos/flannel/master/Documentation/kube-flannel.yml \
    | sed -e 's|quay.io/coreos|registry.cn-beijing.aliyuncs.com/choral-k8s|g' | kubectl apply -f -
  
  #   2.1 如果访问raw.githubusercontent.com上的文件存在网络问题
  #       可以使用jsdelivr提供的GitHub CDN地址（https://www.jsdelivr.com/github）
  curl -s https://cdn.jsdelivr.net/gh/coreos/flannel@master/Documentation/kube-flannel.yml \
    | sed -e 's|quay.io/coreos|registry.cn-beijing.aliyuncs.com/choral-k8s|g' | kubectl apply -f -
  

添加工作节点

在k8s-n1、k8s-n2和k8s-n3节点上执行如下操作。该操作中需要的token值和hash值通过上述步骤中的kubeadm init操作获取。

• 添加工作节点

  sudo kubeadm join 10.0.0.50:6443 \
    --token vafq03.5dl6j1cbcd1yzf3c \
    --discovery-token-ca-cert-hash sha256:6a725d98e0f6bda713c9f93b8441a735cc60e8ec7454fbe960c74ab80683f938
  

• 查看节点状态

  在k8s-n0节点上执行如下操作。

  kubectl get nodes
  kubectl top nodes
  

安装Helm工具（可选）

本文暂不涉及使用helm执行的操作，该步骤可选。

• 安装Helm工具

  # 下载并安装
  curl -sL https://get.helm.sh/helm-v3.6.3-linux-amd64.tar.gz | tar xzf - linux-amd64/helm
  sudo cp ./linux-amd64/helm /usr/local/bin/helm
  rm -rf ./linux-amd64
  sudo chown root:root /usr/local/bin/helm
  sudo chmod 755 /usr/local/bin/helm
  
  # 验证helm安装
  helm version
  

安装Metrics Server（可选）

部署metrics server以启用指标服务，未安装metrics server前，kubectl top命令无法正常执行。

在k8s-n0节点上执行如下操作。

• 执行清单文件

  这里需要注意，为解决证书错误，需要添加metrics-server容器的参数--kubelet-insecure-tls，这里选择通过sed命令修改清单文件后再使用kubectl执行。

  # 1. 使用官方镜像地址直接安装
  curl -sL https://github.com/kubernetes-sigs/metrics-server/releases/latest/download/components.yaml \
    | sed -e "s|\(\s\+\)- args:|\1- args:\n\1  - --kubelet-insecure-tls|" | kubectl apply -f -
  #   1.1 为避免特殊网络环境中的清单文件加载问题，可以使用FastGit提供的加速方案
  curl -sL https://endpoint.fastgit.org/https://github.com/kubernetes-sigs/metrics-server/releases/latest/download/components.yaml \
    | sed -e "s|\(\s\+\)- args:|\1- args:\n\1  - --kubelet-insecure-tls|" | kubectl apply -f -
  
  # 2. 使用自定义镜像地址安装
  curl -sL https://endpoint.fastgit.org/https://github.com/kubernetes-sigs/metrics-server/releases/latest/download/components.yaml \
    | sed \
      -e "s|\(\s\+\)- args:|\1- args:\n\1  - --kubelet-insecure-tls|" \
      -e "s|k8s.gcr.io/metrics-server|registry.cn-beijing.aliyuncs.com/choral-k8s|g" \
    | kubectl apply -f -
  

  #
  

安装负载均衡组件

由云服务商提供的Kubernetes服务，通常会提供内置的负载均衡实现。而笔者部署环境为私有环境，需要一个轻量的负载均衡实现以支撑LoadBalancer类型的服务。

笔者选择MetalLB作为负载均衡实现，配置为二层网络模式。LoadBalancer地址范围配置为10.0.0.201-10.0.0.254，需根据具体网络环境进行修改。

在k8s-n0节点上执行如下操作。

• 安装MetalLB

  # 创建用于部署MetalLB的命名空间
  kubectl create namespace metallb-system
  
  # 创建必须的配置文件
  cat <<EOF | kubectl apply -f - --dry-run=client
  apiVersion: v1
  kind: ConfigMap
  metadata:
    namespace: metallb-system
    name: config
  data:
    config: |
      address-pools:
      - name: default
      protocol: layer2
      addresses:
      - 10.0.0.201-10.0.0.254
  EOF
  
  # 1. 直接执行清单文件
  kubectl apply -f https://raw.githubusercontent.com/metallb/metallb/v0.10.2/manifests/metallb.yaml
  #   1.1 为避免特殊网络环境中的清单文件加载问题，可以使用jsdelivr提供的加速方案加速地址
  kubectl apply -f https://cdn.jsdelivr.net/gh/metallb/metallb@v0.10.2/manifests/metallb.yaml
  
  # 2. 替换命名空间。命名空间需要与刚刚创建的ConfigMap相同。
  curl -sL https://cdn.jsdelivr.net/gh/metallb/metallb@v0.10.2/manifests/metallb.yaml \
    | sed -e "s|namespace: metallb-system|namespace: kube-system|g" | kubectl apply -f -
  

安装持久卷供应程序

Kubernetes内置的local-storage存储类无法动态供应卷，为便于基于该环境演练时自动创建持久卷，选择使用local-path-provisioner作为持久卷供应程序。

• 创建所需的目录

  在所有节点上执行如下操作。

  sudo mkdir -p /opt/local-path-provisioner
  

• 安装local-path-provisioner

  在k8s-n0节点上执行如下操作。

  # 1. 使用官方清单文件地址直接安装
  kubectl apply -f https://raw.githubusercontent.com/rancher/local-path-provisioner/master/deploy/local-path-storage.yaml
  #   1.1 同样可以使用jsdelivr提供的加速方案
  kubectl apply -f https://cdn.jsdelivr.net/gh/rancher/local-path-provisioner@master/deploy/local-path-storage.yaml
  
  # 2. 替换命名空间
  curl -s https://cdn.jsdelivr.net/gh/rancher/local-path-provisioner@master/deploy/local-path-storage.yaml \
    | sed \
      -e "1,6d" \
      -e "s/local-path-storage/kube-system/" \
    | kubectl apply -f -
  

• 配置默认存储类

  kubectl patch storageclass local-path -p '{"metadata": {"annotations":{"storageclass.kubernetes.io/is-default-class":"true"}}}'
  

检查集群工作状态

在k8s-n0节点上执行如下操作。

• 查看节点状态

  kubectl get nodes
  

  kubectl top nodes
  

• 查看Pod状态

  kubectl get pods -A
  

  kubectl top pods -A
  

附加内容

同步所需镜像

由于特殊网络环境问题，需要同步kubelet所需镜像至其他镜像仓库的，可参考如下操作。

笔者开发环境中使用podman管理容器和镜像，已将docker设置为podman的别名（alias docker=podman）。

• 同步kubelet所需镜像

  首先，需要创建私有镜像仓库认证凭据。

  # 根据需要将`registry.cn-beijing.aliyuncs.com`替换为私有镜像仓库地址
  docker login registry.cn-beijing.aliyuncs.com
  

  创建一个脚本gcr_mirror_sync.sh，内容如下。

  # gcr_mirror_sync.sh
  # 根据需要将`registry.cn-beijing.aliyuncs.com/choral-k8s/`替换为私有镜像仓库地址
  while read o
    do {
        t=$(echo $o | sed 's|k8s.gcr.io.*/|registry.cn-beijing.aliyuncs.com/choral-k8s/|g')
        docker pull $o
        docker tag $o $t
        docker push $t
        docker rmi $o
        docker rmi $t
    }
  done < "${1:-/dev/stdin}"
  

  该脚本有两种使用方法。

  kubeadm config images list --kubernetes-version=v1.22.1 | bash gcr_mirror_sync.sh
  

  # 列出所需镜像列表并保存到文件
  kubeadm config images list --kubernetes-version=v1.22.1 > gcr-image-list
  # 拷贝该文件至gcr_mirror_sync.sh所在主机，然后执行该脚本
  bash gcr_mirror_sync.sh gcr-image-list
  

• 同步附加组件镜像

  # 根据需要将`registry.cn-beijing.aliyuncs.com/choral-k8s/`替换为私有镜像仓库地址。
  
  # 同步metrics server所需镜像
  docker pull k8s.gcr.io/metrics-server/metrics-server:v0.5.0
  docker tag k8s.gcr.io/metrics-server/metrics-server:v0.5.0 registry.cn-beijing.aliyuncs.com/choral-k8s/metrics-server:v0.5.0
  docker push registry.cn-beijing.aliyuncs.com/choral-k8s/metrics-server:v0.5.0
  docker rmi k8s.gcr.io/metrics-server/metrics-server:v0.5.0
  docker rmi registry.cn-beijing.aliyuncs.com/choral-k8s/metrics-server:v0.5.0
  
  # 同步flannel所需镜像
  docker pull quay.io/coreos/flannel:v0.14.0
  docker tag quay.io/coreos/flannel:v0.14.0 registry.cn-beijing.aliyuncs.com/choral-k8s/flannel:v0.14.0
  docker push registry.cn-beijing.aliyuncs.com/choral-k8s/flannel:v0.14.0
  docker rmi quay.io/coreos/flannel:v0.14.0
  docker rmi registry.cn-beijing.aliyuncs.com/choral-k8s/flannel:v0.14.0
  

参考资料

• https://kubernetes.io/docs/setup/production-environment/tools/kubeadm/install-kubeadm/

• https://kubernetes.io/docs/setup/production-environment/tools/kubeadm/create-cluster-kubeadm/

• https://github.com/flannel-io/flannel/blob/master/Documentation/kubernetes.md

• https://helm.sh/docs/intro/install/

• https://metallb.org/installation/

• https://github.com/rancher/local-path-provisioner