Kubernetes——两万字超细致集群搭建平台规划

前言——常见的K8S安装部署方式

一、Kubernetes平台规划

1.单Master集群架构

2.多Master集群架构

二、集群规划

1.服务器硬件配置推荐

2.操作系统初始化

2.1关闭防火墙

2.2关闭SElinux

2.3关闭Swap

2.4添加Hosts

2.5调整内核参数

2.5同步时间

三、集群搭建——Node节点部署Docker引擎

四、集群搭建——部署Etcd集群

1.ETCD特点

2.自签证书

1.1K8s证书

1.2准备cfssl工具

3.自签Etcd SSL证书——Master1操作

4.Node1节点操作

5.Node2节点操作

6.查看ETCD集群状态

五、部署Master组件

1.上传脚本文件并修改其配置

2.生成Master证书

3.安装Master-K8S服务端

3.1部署API-Server组件

3.2部署Scheduler组件

3.3部署Controller-Manager组件

3.4部署Kubectl组件

六、部署Work-Node组件

1.在所有Node节点上操作

2.在Master1节点上操作

3.在Node1节点上操作

4.在Master1节点上操作通过CSR请求

5.在Node1节点上操作

七、部署 CNI 网络组件

1.部署Flannel

1.1K8S 中 Pod 网络通信

1.2Overlay Network

1.3VXLAN：

1.4Flannel:

1.4.1Flannel UDP 模式的工作原理

1.4.2ETCD 之 Flannel 提供说明

1.5VXLAN 模式

1.5.1Flannel VXLAN 模式跨主机的工作原理：

1.6在Node1节点上操作

1.7在Master1节点上操作

2.部署Calico

2.1k8s 组网方案对比

2.1.1Flannel方案

2.1.2Calico方案

2.2Calico 主要由三个部分组成

2.3Calico 工作原理

2.4在Master1节点上操作

3.Node2节点部署

3.1在Node1节点上操作

3.2在Node2节点上操作

3.3在Master1节点上操作

3.4在Node2节点上操作

八、部署CoreDNS

1.在所有Node节点上操作

2.在Master1节点上操作

九、Master2节点部署

1.拷贝Master1的文件到Master2

2.修改Master2的Kube-APIServer配置

3.启动Master2节点的服务

十、负载均衡部署

1.在LB1和LB2节点上操作

1.1配置Nginx

1.2配置Keepalived

1.3启动Keepalived服务

1.4修改Node节点的配置文件

1.5查看Nginx、Node和Master连接状态

1.6在Master1节点上操作

1.7测试

1.8在Master1节点上查看Nginx日志

十一、部署Dashboard

1.Dashboard介绍

2.在Master1节点上操作

3.验证

前言——常见的K8S安装部署方式

Minikube：Minikube是一个工具，可以在本地快速运行一个单节点微型K8S，仅用于学习、预览K8S的一些特性使用。

部署地址：https://kubernetes.io/docs/setup/minikube

Kubeadmin：Kubeadmin也是一个工具，提供kubeadm init和kubeadm join，用于快速部署K8S集群，相对简单。

部署地址：https://kubernetes.io/docs/reference/setup-tools/kubeadm/kubeadm/

二进制安装部署：生产首选，从官方下载发行版的二进制包，手动部署每个组件和自签TLS证书，组成K8S集群，新手推荐。

部署地址：https://github.com/kubernetes/kubernetes/releases

一、Kubernetes平台规划

K8S 环境有两种架构方式，单 Master 集群和多 Master 集群，将先搭建起单 Master 集群，再扩展为多 Master 集群。开发、测试环境可以部署单 Master 集群，生产环境为了保证高可用需部署多 Master 集群。

1.单Master集群架构

单 Master 集群架构相比于多 Master 集群架构无法保证集群的高可用，因为 master 节点一旦宕机就无法进行集群的管理工作了。单 master 集群主要包含一台 Master 节点，及多个 Node 工作节点、多个 Etcd 数据库节点。

Etcd 是 K8S 集群的数据库，可以安装在任何地方，也可以与 Master 节点在同一台机器上，只要 K8S 能连通 Etcd。

2.多Master集群架构

多 Master 集群能保证集群的高可用，相比单 Master 架构，需要一个额外的负载均衡器来负载多个 Master 节点，Node 节点从连接 Master 改成连接 LB 负载均衡器。

二、集群规划

K8S 集群规划如下：

生产环境建议至少两台 Master 节点，LB 主备各一个节点；至少两台以上 Node 节点，根据实际运行的容器数量调整；Etcd 数据库可直接部署在 Master 和 Node 的节点，机器比较充足的话，可以部署在单独的节点上。

角色	IP	主机名	组件
K8s-Master-1	192.168.241.11	K8s-Master-1	Kube-Apiserver Kube-Controller-Manager Kube-Scheduler Etcd
K8s-Master-2	192.168.241.22	K8s-Master-2	Kube-Apiserver Kube-Controller-Manager Kube-Scheduler
K8s-Node-1	192.168.241.23	K8s-Node-1	Kubelet Kube-Proxy Docker Etcd
K8s-Node-2	192.168.241.24	K8s-Node-2	Kubelet Kube-Proxy Docker Etcd
Load Balancer（Master）	192.168.241.25	K8s-LB-Master	Nginx Keepalived
Load Balancer（Backup）	192.168.241.26	K8s-LB-Backup	Nginx Keepalived

1.服务器硬件配置推荐

测试环境与生产环境服务器配置推荐如下，本地虚拟机的配置将按照本地测试环境的配置来创建虚拟机。

环境	角色	配置推荐
本地测试环境	Master/Node	CPU	2核
		内存	4G
		硬盘	40G
测试环境	Master	CPU	2核
		内存	4G
		硬盘	40G
	Node	CPU	4核
		内存	8G
		硬盘	20G
生产环境	Master	CPU	8核
		内存	16G
		硬盘	100G
	Node	CPU	16核
		内存	64G
		硬盘	500G

2.操作系统初始化

接下来将基于二进制包的方式，手动部署每个组件，来组成 K8S 高可用集群。通过手动部署每个组件，一步步熟悉每个组件的配置、组件之间的通信等，深层次的理解和掌握 K8S。

2.1关闭防火墙

systemctl stop firewalld
systemctl disable firewalld
iptables -F && iptables -t nat -F && iptables -t mangle -F && iptables -X

2.2关闭SElinux

#临时生效
setenforce 0


#永久生效
sed -i 's/enforcing/disabled/' /etc/selinux/config

2.3关闭Swap

#临时关闭
swapoff -a


#永久生效
vim /etc/fstab
#将 [UUID=5b59fd54-eaad-41d6-90b2-ce28ac65dd81 swap    swap    defaults   0 0] 这一行注释掉

2.4添加Hosts

# vim /etc/hosts

192.168.241.11 k8s-master-1
192.168.241.22 k8s-master-2
192.168.241.23 k8s-node-1
192.168.241.24 k8s-node-2
192.168.241.25 k8s-lb-master
192.168.241.26 k8s-lb-backup

2.5调整内核参数

cat > /etc/sysctl.d/k8s.conf << EOF
#开启网桥模式，可将网桥的流量传递给iptables链
net.bridge.bridge-nf-call-ip6tables = 1
net.bridge.bridge-nf-call-iptables = 1
#关闭ipv6协议
net.ipv6.conf.all.disable_ipv6=1
net.ipv4.ip_forward=1
EOF


sysctl --system

2.5同步时间

各个节点之间需保持时间一致，因为自签证书是根据时间校验证书有效性，如果时间不一致，将校验不通过。

#联网情况可使用如下命令

timedatectl set-timezone Asia/Shanghai
#修改时区
ntpdate ntp.aliyun.com

#如果不能联外网可使用 date 命令设置时间

三、集群搭建——Node节点部署Docker引擎

yum install -y yum-utils device-mapper-persistent-data lvm2 
yum-config-manager --add-repo https://mirrors.aliyun.com/docker-ce/linux/centos/docker-ce.repo 
yum install -y docker-ce docker-ce-cli containerd.io


systemctl start docker.service
systemctl enable docker.service 
systemctl status docker.service

四、集群搭建——部署Etcd集群

ETCD是CoreOS团队于2013年6月发起的开源项目，它的目标是构建一个高可用的分布式键值（key-value）数据库。etcd内部采用raft协议作为一致性算法，etcd是go语言编写的。

1.ETCD特点

简单：安装配置简单，而且提供了HTTP API进行交互，使用也很简单
安全：支持SSL证书验证
快速：单实例支持每秒2k+读操作
可靠：采用raft算法，实现分布式系统数据的可用性和一致性

etcd 目前默认使用2379端口提供HTTP API服务， 2380端口和peer通信(这两个端口已经被IANA(互联网数字分配机构)官方预留给etcd)。即etcd默认使用2379端口对外为客户端提供通讯，使用端口2380来进行服务器间内部通讯。
etcd 在生产环境中一般推荐集群方式部署。由于etcd 的leader选举机制，要求至少为3台或以上的奇数台。

ETCD：分布式键值对的数据库，通过服务发现系统，go语言开发使用Raft一致性的算法，集群时需要三台或以上基数台组成2379对外（客户端）通信的端口，2380是对内（集群内部所有节点）的端口

2.自签证书

K8S 集群安装配置过程中，会使用各种证书，目的是为了加强集群安全性。K8S 提供了基于 CA 签名的双向数字证书认证方式和简单的基于 http base 或 token 的认证方式，其中 CA 证书方式的安全性最高。每个K8S集群都有一个集群根证书颁发机构（CA），集群中的组件通常使用CA来验证API server的证书，由API服务器验证kubelet客户端证书等。

CFSSL 是 CloudFlare 公司开源的一款 PKI/TLS 工具。 CFSSL 包含一个命令行工具和一个用于签名、验证和捆绑 TLS 证书的 HTTP API 服务。使用Go语言编写。
CFSSL 使用配置文件生成证书，因此自签之前，需要生成它识别的 json 格式的配置文件，CFSSL 提供了方便的命令行生成配置文件。

CFSSL 用来为 etcd 提供 TLS 证书，它支持签三种类型的证书：

Client 证书，服务端连接客户端时携带的证书，用于客户端验证服务端身份，如 kube-apiserver 访问 etcd；
Server 证书，客户端连接服务端时携带的证书，用于服务端验证客户端身份，如 etcd 对外提供服务；
Peer 证书，相互之间连接时使用的证书，如 etcd 节点之间进行验证和通信。

这里全部都使用同一套证书认证。

证书生成操作可以在master节点上执行，证书只需要创建一次，以后在向集群中添加新节点时只要将证书拷贝到新节点上，并做一定的配置即可。下面就在 k8s-master-1 节点上来创建证书，详细的介绍也可以参考官方文档：分发自签名-CA-证书

1.1K8s证书

组件	证书
Etcd	ca.pem server.pem server-key.pem
Flannel	ca.pem server.pem server-key.pem
Kube-Apiserver	ca.pem server.pem server-key.pem
Kubelet	ca.pem ca-key.pem
Kube-Proxy	ca.pem kube-proxy.pem kube-proxy-key.pem
Kubectl	ca.pem admin.pem admin-key.pem

1.2准备cfssl工具

使用 cfssl 工具来生成证书，首先下载 cfssl 工具。依次执行如下命令

curl -L https://pkg.cfssl.org/R1.2/cfssl_linux-amd64 -o /usr/local/bin/cfssl
curl -L https://pkg.cfssl.org/R1.2/cfssljson_linux-amd64 -o /usr/local/bin/cfssljson
curl -L https://pkg.cfssl.org/R1.2/cfssl-certinfo_linux-amd64 -o /usr/local/bin/cfssl-certinfo

chmod +x /usr/local/bin/cfssl*


cfssl：证书签发的工具命令
cfssljson：将 cfssl 生成的证书（json格式）变为文件承载式证书
cfssl-certinfo：验证证书的信息
cfssl-certinfo -cert <证书名称> #查看证书的信息

3.自签Etcd SSL证书——Master1操作

mkdir /opt/k8s
cd /opt/k8s/

上传 etcd-cert.sh 和 etcd.sh 到 /opt/k8s/ 目录中
chmod +x etcd-cert.sh etcd.sh
#要修改etcd.cer.sh脚本中的IP地址为自己的IP地址

#创建用于生成CA证书、etcd 服务器证书以及私钥的目录
mkdir /opt/k8s/etcd-cert
mv etcd-cert.sh etcd-cert/
cd /opt/k8s/etcd-cert/
./etcd-cert.sh
#生成CA证书、etcd 服务器证书以及私钥 脚本记得修改IP地址

#上传 etcd-v3.4.9-linux-amd64.tar.gz 到 /opt/k8s 目录中，启动etcd服务
https://github.com/etcd-io/etcd/releases/download/v3.4.9/etcd-v3.4.9-linux-amd64.tar.gz

cd /opt/k8s/
tar zxvf etcd-v3.4.9-linux-amd64.tar.gz
ls etcd-v3.4.9-linux-amd64/
Documentation  etcd  etcdctl  README-etcdctl.md  README.md  READMEv2-etcdctl.md
#etcd就是etcd 服务的启动命令，后面可跟各种启动参数
#etcdctl主要为etcd 服务提供了命令行操作

#创建用于存放 etcd 配置文件，命令文件，证书的目录

mkdir -p /opt/etcd/{cfg,bin,ssl}

cd /opt/k8s/etcd-v3.4.9-linux-amd64/
mv etcd etcdctl /opt/etcd/bin/
cp /opt/k8s/etcd-cert/*.pem /opt/etcd/ssl/

cd /opt/k8s/
./etcd.sh etcd01 192.168.241.11 etcd02=https://192.168.241.23:2380,etcd03=https://192.168.241.24:2380
#进入卡住状态等待其他节点加入，这里需要三台etcd服务同时启动，如果只启动其中一台后，服务会卡在那里，直到集群中所有etcd节点都已启动，可忽略这个情况

#查看etcd进程是否正常
ps -ef | grep etcd

#把etcd相关证书文件、命令文件和服务管理文件全部拷贝到另外两个etcd集群节点

scp -r /opt/etcd/ root@192.168.241.23:/opt/
scp -r /opt/etcd/ root@192.168.241.24:/opt/


scp /usr/lib/systemd/system/etcd.service root@192.168.241.23:/usr/lib/systemd/system/ 
scp /usr/lib/systemd/system/etcd.service root@192.168.241.24:/usr/lib/systemd/system/

4.Node1节点操作

vim /opt/etcd/cfg/etcd

#[Member]
ETCD_NAME="etcd02"
#修改IP
ETCD_DATA_DIR="/var/lib/etcd/default.etcd"
ETCD_LISTEN_PEER_URLS="https://192.168.241.23:2380"
#修改IP
ETCD_LISTEN_CLIENT_URLS="https://192.168.241.23:2379"
#修改IP

#[Clustering]
ETCD_INITIAL_ADVERTISE_PEER_URLS="https://192.168.241.23:2380"
#修改IP
ETCD_ADVERTISE_CLIENT_URLS="https://192.168.241.23:2379"
#修改IP
ETCD_INITIAL_CLUSTER="etcd01=https://192.168.241.11:2380,etcd02=https://192.168.241.23:2380,etcd03=https://192.168.241.24:2380"
ETCD_INITIAL_CLUSTER_TOKEN="etcd-cluster"
ETCD_INITIAL_CLUSTER_STATE="new"

#启动etcd服务
systemctl start etcd
systemctl enable etcd


#systemctl enable --now etcd
#systemctl在enable、disable、mask子命令里面增加了--now选项，可以激活同时启动服务，激活同时停止服务等。

systemctl status etcd

5.Node2节点操作

vim /opt/etcd/cfg/etcd

#[Member]
ETCD_NAME="etcd03"
ETCD_DATA_DIR="/var/lib/etcd/default.etcd"
ETCD_LISTEN_PEER_URLS="https://192.168.241.24:2380"
ETCD_LISTEN_CLIENT_URLS="https://192.168.241.24:2379"

#[Clustering]
ETCD_INITIAL_ADVERTISE_PEER_URLS="https://192.168.241.24:2380"
ETCD_ADVERTISE_CLIENT_URLS="https://192.168.241.24:2379"
ETCD_INITIAL_CLUSTER="etcd01=https://192.168.241.11:2380,etcd02=https://192.168.241.23:2380,etcd03=https://192.168.241.24:2380"
ETCD_INITIAL_CLUSTER_TOKEN="etcd-cluster"
ETCD_INITIAL_CLUSTER_STATE="new"

#启动etcd服务
systemctl start etcd
systemctl enable etcd
systemctl status etcd

6.查看ETCD集群状态

ETCDCTL_API=3   /opt/etcd/bin/etcdctl --cacert=/opt/etcd/ssl/ca.pem --cert=/opt/etcd/ssl/server.pem --key=/opt/etcd/ssl/server-key.pem --endpoints="https://192.168.241.11:2379,https://192.168.241.23:2379,https://192.168.241.24:2379" endpoint health --write-out=table



--cert-file：识别HTTPS端使用SSL证书文件
--key-file：使用此SSL密钥文件标识HTTPS客户端
--ca-file：使用此CA证书验证启用https的服务器的证书
--endpoints：集群中以逗号分隔的机器地址列表
cluster-health：检查etcd集群的运行状况
--write-out=table：以表格的形式输出

#查看etcd集群成员列表

ETCDCTL_API=3 /opt/etcd/bin/etcdctl --cacert=/opt/etcd/ssl/ca.pem --cert=/opt/etcd/ssl/server.pem --key=/opt/etcd/ssl/server-key.pem --endpoints="https://192.168.241.11:2379,https://192.168.241.23:2379,https://192.168.241.24:2379" --write-out=table member list

五、部署Master组件

1.上传脚本文件并修改其配置

#上传 master.zip 和 k8s-cert.sh 到 /opt/k8s 目录中，解压 master.zip 压缩包
cd /opt/k8s/
unzip master.zip
chmod +x *.sh

2.生成Master证书

#创建kubernetes工作目录
mkdir -p /opt/kubernetes/{bin,cfg,ssl,logs}

#创建用于生成CA证书、相关组件的证书和私钥的目录
mkdir /opt/k8s/k8s-cert
mv /opt/k8s/k8s-cert.sh /opt/k8s/k8s-cert
cd /opt/k8s/k8s-cert/
./k8s-cert.sh
#生成CA证书、相关组件的证书和私钥  记得将IP地址修改，以及将IP地址后面的注释去掉
ls *pem
admin-key.pem      apiserver.pem  kube-controller-manager-key.pem  kube-proxy.pem
admin.pem          ca-key.pem     kube-controller-manager.pem      kube-scheduler-key.pem
apiserver-key.pem  ca.pem         kube-proxy-key.pem               kube-scheduler.pem

#复制CA证书、apiserver相关证书和私钥到 kubernetes工作目录的 ssl 子目录中
cp ca*pem apiserver*json /opt/kubernetes/ssl/

3.安装Master-K8S服务端

3.1部署API-Server组件

#上传 kubernetes-server-linux-amd64.tar.gz 到 /opt/k8s/ 目录中，解压 kubernetes 压缩包
#下载地址：https://github.com/kubernetes/kubernetes/blob/release-1.20/CHANGELOG/CHANGELOG-1.20.md
#注：打开链接你会发现里面有很多包，下载一个server包就够了，包含了Master和Worker Node二进制文件。

cd /opt/k8s/
tar zxvf kubernetes-server-linux-amd64.tar.gz

#复制master组件的关键命令文件到 kubernetes工作目录的 bin 子目录中
cd /opt/k8s/kubernetes/server/bin
cp kube-apiserver kubectl kube-controller-manager kube-scheduler /opt/kubernetes/bin/
ln -s /opt/kubernetes/bin/* /usr/local/bin/

#创建 bootstrap token 认证文件，apiserver 启动时会调用，然后就相当于在集群内创建了一个这个用户，接下来就可以用 RBAC 给他授权

cd /opt/k8s/


vim token.sh


#!/bin/bash
#获取随机数前16个字节内容，以十六进制格式输出，并删除其中空格
BOOTSTRAP_TOKEN=$(head -c 16 /dev/urandom | od -An -t x | tr -d ' ') 
#t十六进制格式 x十六进制
#生成 token.csv 文件，按照 Token序列号,用户名,UID,用户组 的格式生成
cat > /opt/kubernetes/cfg/token.csv <<EOF
${BOOTSTRAP_TOKEN},kubelet-bootstrap,10001,"system:kubelet-bootstrap"
#                     生成的用户     用户ID
EOF

chmod +x token.sh
./token.sh

cat /opt/kubernetes/cfg/token.csv
#查看令牌

#二进制文件、token、证书都准备好后，开启 apiserver 服务
cd /opt/k8s/
./apiserver.sh 192.168.241.11 
https://192.168.241.11:2379,https://192.168.241.23:2379,https://192.168.241.24:2379

#检查进程是否启动成功
ps aux | grep kube-apiserver

netstat -natp | grep 6443
#安全端口6443用于接收HTTPS请求，用于基于Token文件或客户端证书等认证

3.2部署Scheduler组件

#启动 scheduler 服务
cd /opt/k8s/
./scheduler.sh
#记得修改IP
ps aux | grep kube-scheduler

3.3部署Controller-Manager组件

#启动 controller-manager 服务
./controller-manager.sh
#记得修改IP
ps aux | grep kube-controller-manager

3.4部署Kubectl组件

#生成kubectl连接集群的kubeconfig文件
./admin.sh
#记得修改IP

#通过kubectl工具查看当前集群组件状态
kubectl get cs
Warning: v1 ComponentStatus is deprecated in v1.19+
NAME                 STATUS    MESSAGE             ERROR
controller-manager   Healthy   ok                  
scheduler            Healthy   ok                  
etcd-0               Healthy   {"health":"true"}   
etcd-2               Healthy   {"health":"true"}   
etcd-1               Healthy   {"health":"true"}

kubectl version
#查看版本信息
Client Version: version.Info{Major:"1", Minor:"20", GitVersion:"v1.20.11", GitCommit:"27522a29febbcc4badac257763044d0d90c11abd", GitTreeState:"clean", BuildDate:"2021-09-15T19:21:44Z", GoVersion:"go1.15.15", Compiler:"gc", Platform:"linux/amd64"}
Server Version: version.Info{Major:"1", Minor:"20", GitVersion:"v1.20.11", GitCommit:"27522a29febbcc4badac257763044d0d90c11abd", GitTreeState:"clean", BuildDate:"2021-09-15T19:16:25Z", GoVersion:"go1.15.15", Compiler:"gc", Platform:"linux/amd64"}

六、部署Work-Node组件

1.在所有Node节点上操作

#创建kubernetes工作目录
mkdir -p /opt/kubernetes/{bin,cfg,ssl,logs}

#上传 node.zip 到 /opt 目录中，解压 node.zip 压缩包，获得kubelet.sh、proxy.sh
cd /opt/
unzip node.zip
chmod +x kubelet.sh proxy.sh

2.在Master1节点上操作

#把 kubelet、kube-proxy 拷贝到 node 节点
cd /opt/k8s/kubernetes/server/bin
scp kubelet kube-proxy root@192.168.241.23:/opt/kubernetes/bin/
scp kubelet kube-proxy root@192.168.241.24:/opt/kubernetes/bin/

#上传kubeconfig.sh文件到/opt/k8s/kubeconfig目录中，生成kubelet初次加入集群引导kubeconfig文件和kube-proxy.kubeconfig文件
#kubeconfig 文件包含集群参数（CA 证书、API Server 地址），客户端参数（上面生成的证书和私钥），集群 context 上下文参数（集群名称、用户名）。Kubenetes 组件（如 kubelet、kube-proxy）通过启动时指定不同的 kubeconfig 文件可以切换到不同的集群，连接到 apiserver。
mkdir /opt/k8s/kubeconfig

cd /opt/k8s/kubeconfig
chmod +x kubeconfig.sh
./kubeconfig.sh 192.168.241.11 /opt/k8s/k8s-cert/

#把配置文件 bootstrap.kubeconfig、kube-proxy.kubeconfig 拷贝到 node 节点
scp bootstrap.kubeconfig kube-proxy.kubeconfig root@192.168.241.23:/opt/kubernetes/cfg/
scp bootstrap.kubeconfig kube-proxy.kubeconfig root@192.168.241.24:/opt/kubernetes/cfg/

#RBAC授权，使用户 kubelet-bootstrap 能够有权限发起 CSR 请求证书
kubectl create clusterrolebinding kubelet-bootstrap --clusterrole=system:node-bootstrapper --user=kubelet-bootstrap

若执行失败，可先给kubectl绑定默认cluster-admin管理员集群角色，授权集群操作权限
kubectl create clusterrolebinding cluster-system-anonymous --clusterrole=cluster-admin --user=system:anonymous






kubelet 采用 TLS Bootstrapping 机制，自动完成到 kube-apiserver 的注册，在 node 节点量较大或者后期自动扩容时非常有用。
Master apiserver 启用 TLS 认证后，node 节点 kubelet 组件想要加入集群，必须使用CA签发的有效证书才能与 apiserver 通信，当 node 节点很多时，签署证书是一件很繁琐的事情。因此 Kubernetes 引入了 TLS bootstraping 机制来自动颁发客户端证书，kubelet 会以一个低权限用户自动向 apiserver 申请证书，kubelet 的证书由 apiserver 动态签署。

kubelet 首次启动通过加载 bootstrap.kubeconfig 中的用户 Token 和 apiserver CA 证书发起首次 CSR 请求，这个 Token 被预先内置在 apiserver 节点的 token.csv 中，其身份为 kubelet-bootstrap 用户和 system:kubelet-bootstrap 用户组；想要首次 CSR 请求能成功（即不会被 apiserver 401 拒绝），则需要先创建一个 ClusterRoleBinding，将 kubelet-bootstrap 用户和 system:node-bootstrapper 内置 ClusterRole 绑定（通过 kubectl get clusterroles 可查询），使其能够发起 CSR 认证请求。

TLS bootstrapping 时的证书实际是由 kube-controller-manager 组件来签署的，也就是说证书有效期是 kube-controller-manager 组件控制的；kube-controller-manager 组件提供了一个 --experimental-cluster-signing-duration 参数来设置签署的证书有效时间；默认为 8760h0m0s，将其改为 87600h0m0s，即 10 年后再进行 TLS bootstrapping 签署证书即可。

也就是说 kubelet 首次访问 API Server 时，是使用 token 做认证，通过后，Controller Manager 会为 kubelet 生成一个证书，以后的访问都是用证书做认证了。

3.在Node1节点上操作

#启动 kubelet 服务
cd /opt/
./kubelet.sh 192.168.241.23
ps aux | grep kubelet

4.在Master1节点上操作通过CSR请求

#检查到 node01 节点的 kubelet 发起的 CSR 请求，Pending 表示等待集群给该节点签发证书
kubectl get csr
NAME                                                   AGE   SIGNERNAME                                    REQUESTOR           CONDITION
node-csr-VtHUibzVYYxXpG0cpcI_VBfS4OBkk50N41Uaqs1oJrU   80s   kubernetes.io/kube-apiserver-client-kubelet   kubelet-bootstrap   Pending

#通过 CSR 请求
kubectl certificate approve node-csr-VtHUibzVYYxXpG0cpcI_VBfS4OBkk50N41Uaqs1oJrU
certificatesigningrequest.certificates.k8s.io/node-csr-VtHUibzVYYxXpG0cpcI_VBfS4OBkk50N41Uaqs1oJrU approved


#Approved,Issued 表示已授权 CSR 请求并签发证书
kubectl get csr
NAME                                                   AGE     SIGNERNAME                                    REQUESTOR           CONDITION
node-csr-VtHUibzVYYxXpG0cpcI_VBfS4OBkk50N41Uaqs1oJrU   4m46s   kubernetes.io/kube-apiserver-client-kubelet   kubelet-bootstrap   Approved,Issued

#查看节点，由于网络插件还没有部署，节点会没有准备就绪 NotReady
kubectl get node
NAME             STATUS     ROLES    AGE   VERSION
192.168.241.23   NotReady   <none>   20s   v1.20.11

5.在Node1节点上操作

#加载 ip_vs 模块
for i in $(ls /usr/lib/modules/$(uname -r)/kernel/net/netfilter/ipvs|grep -o "^[^.]*");do echo $i; /sbin/modinfo -F filename $i >/dev/null 2>&1 && /sbin/modprobe $i;done


#启动proxy服务
cd /opt/
./proxy.sh 192.168.241.23
ps aux | grep kube-proxy

七、部署 CNI 网络组件

1.部署Flannel

1.1K8S 中 Pod 网络通信

Pod 内容器与容器之间的通信。在同一个 Pod 内的容器（Pod 内的容器是不会跨宿主机的）共享同一个网络命名空间，相当于它们在同一台机器上一样，可以用 localhost 地址访问彼此的端口。
同一个 Node 内 Pod 之间的通信。每个 Pod 都有一个真实的全局 IP 地址，同一个 Node 内的不同 Pod 之间可以直接采用对方 Pod 的 IP 地址进行通信，Pod1 与 Pod2 都是通过 Veth 连接到同一个 docker0/cni0 网桥，网段相同，所以它们之间可以直接通信。
不同 Node 上 Pod 之间的通信。Pod 地址与 docker0 在同一网段，docker0 网段与宿主机网卡是两个不同的网段，且不同 Node 之间的通信只能通过宿主机的物理网卡进行。

要想实现不同 Node 上 Pod 之间的通信，就必须想办法通过主机的物理网卡 IP 地址进行寻址和通信。因此要满足两个条件：Pod 的 IP 不能冲突；将 Pod 的 IP 和所在的 Node 的 IP 关联起来，通过这个关联让不同 Node 上 Pod 之间直接通过内网 IP 地址通信。

1.2Overlay Network

叠加网络，在二层或者三层基础网络上叠加的一种虚拟网络技术模式，该网络中的主机通过虚拟链路隧道连接起来。
通过Overlay技术（可以理解成隧道技术），在原始报文外再包一层四层协议（UDP协议），通过主机网络进行路由转发。这种方式性能有一定损耗，主要体现在对原始报文的修改。目前Overlay主要采用VXLAN。

1.3VXLAN：

将源数据包封装到UDP中，并使用基础网络的IP/MAC作为外层报文头进行封装，然后在以太网上传输，到达目的地后由隧道端点解封装并将数据发送给目标地址。

1.4Flannel:

Flannel 的功能是让集群中的不同节点主机创建的 Docker 容器都具有全集群唯一的虚拟 IP 地址。
Flannel 是 Overlay 网络的一种，也是将 TCP 源数据包封装在另一种网络包里面进行路由转发和通信，目前支持 UDP、VXLAN、Host-gw 3种数据转发方式。

1.4.1Flannel UDP 模式的工作原理

数据从主机 A 上 Pod 的源容器中发出后，经由所在主机的 docker0/cni0 网络接口转发到 flannel0 接口，flanneld 服务监听在 flannel0 虚拟网卡的另外一端。
Flannel 通过 Etcd 服务维护了一张节点间的路由表。源主机 A 的 flanneld 服务将原本的数据内容封装到 UDP 报文中，根据自己的路由表通过物理网卡投递给目的节点主机 B 的 flanneld 服务，数据到达以后被解包，然后直接进入目的节点的 flannel0 接口，之后被转发到目的主机的 docker0/cni0 网桥，最后就像本机容器通信一样由 docker0/cni0 转发到目标容器。

1.4.2ETCD 之 Flannel 提供说明

存储管理Flannel可分配的IP地址段资源
监控 ETCD 中每个 Pod 的实际地址，并在内存中建立维护 Pod 节点路由表

由于 UDP 模式是在用户态做转发，会多一次报文隧道封装，因此性能上会比在内核态做转发的 VXLAN 模式差。

1.5VXLAN 模式

VXLAN 模式使用比较简单，flannel 会在各节点生成一个 flannel.1 的 VXLAN 网卡（VTEP设备，负责 VXLAN 封装和解封装）。
VXLAN 模式下作是由内核进行的。flannel 不转发数据，仅动态设置 ARP 表和 MAC 表项。
UDP 模式的 flannel0 网卡是三层转发，使用 flannel0 时在物理网络之上构建三层网络，属于 ip in udp ；VXLAN封包与解包的工模式是二层实现，overlay 是数据帧，属于 mac in udp 。

1.5.1Flannel VXLAN 模式跨主机的工作原理：

数据帧从主机 A 上 Pod 的源容器中发出后，经由所在主机的 docker0/cni0 网络接口转发到 flannel.1 接口
flannel.1 收到数据帧后添加 VXLAN 头部，封装在 UDP 报文中
主机 A 通过物理网卡发送封包到主机 B 的物理网卡中
主机 B 的物理网卡再通过 VXLAN 默认端口 4789 转发到 flannel.1 接口进行解封装
解封装以后，内核将数据帧发送到 cni0，最后由 cni0 发送到桥接到此接口的容器 B 中。

1.6在Node1节点上操作

#上传 cni-plugins-linux-amd64-v0.8.6.tgz 和 flannel.tar 到 /opt 目录中
cd /opt/
docker load -i flannel.tar

mkdir /opt/cni/bin
tar zxvf cni-plugins-linux-amd64-v0.8.6.tgz -C /opt/cni/bin

1.7在Master1节点上操作

#上传 kube-flannel.yml 文件到 /opt/k8s 目录中，部署 CNI 网络
cd /opt/k8s
kubectl apply -f kube-flannel.yml 

kubectl get pods -n kube-system
NAME                    READY   STATUS     RESTARTS   AGE
kube-flannel-ds-lk4t8   0/1     Init:0/1   0          8s


kubectl get nodes
NAME             STATUS     ROLES    AGE   VERSION
192.168.241.23   NotReady   <none>   21h   v1.20.11

2.部署Calico

2.1k8s 组网方案对比

2.1.1Flannel方案

需要在每个节点上把发向容器的数据包进行封装后，再用隧道将封装后的数据包发送到运行着目标Pod的node节点上。目标node节点再负责去掉封装，将去除封装的数据包发送到目标Pod上。数据通信性能则大受影响。

2.1.2Calico方案

Calico不使用隧道或NAT来实现转发，而是把Host当作Internet中的路由器，使用BGP同步路由，并使用iptables来做安全访问策略，完成跨Host转发。
采用直接路由的方式，这种方式性能损耗最低，不需要修改报文数据，但是如果网络比较复杂场景下，路由表会很复杂，对运维同事提出了较高的要求。

2.2Calico 主要由三个部分组成

Calico CNI插件：主要负责与kubernetes对接，供kubelet调用使用。
Felix：负责维护宿主机上的路由规则、FIB转发信息库等。
BIRD：负责分发路由规则，类似路由器。
Confd：配置管理组件。

2.3Calico 工作原理

Calico 是通过路由表来维护每个 pod 的通信。Calico 的 CNI 插件会为每个容器设置一个 veth pair 设备，然后把另一端接入到宿主机网络空间，由于没有网桥，CNI 插件还需要在宿主机上为每个容器的 veth pair 设备配置一条路由规则，用于接收传入的 IP 包。

有了这样的 veth pair 设备以后，容器发出的 IP 包就会通过 veth pair 设备到达宿主机，然后宿主机根据路由规则的下一跳地址，发送给正确的网关，然后到达目标宿主机，再到达目标容器。
这些路由规则都是 Felix 维护配置的，而路由信息则是 Calico BIRD 组件基于 BGP 分发而来。
calico 实际上是将集群里所有的节点都当做边界路由器来处理，他们一起组成了一个全互联的网络，彼此之间通过 BGP 交换路由，这些节点我们叫做 BGP Peer。

目前比较常用的CNI网络组件是flannel和calico，flannel的功能比较简单，不具备复杂的网络策略配置能力，calico是比较出色的网络管理插件，但具备复杂网络配置能力的同时，往往意味着本身的配置比较复杂，所以相对而言，比较小而简单的集群使用flannel，考虑到日后扩容，未来网络可能需要加入更多设备，配置更多网络策略，则使用calico更好。

2.4在Master1节点上操作

#上传 calico.yaml 文件到 /opt/k8s 目录中，部署 CNI 网络
cd /opt/k8s
vim calico.yaml
#修改里面定义 Pod 的网络（CALICO_IPV4POOL_CIDR），需与前面 kube-controller-manager 配置文件指定的 cluster-cidr 网段一样
    - name: CALICO_IPV4POOL_CIDR
      value: "10.244.0.0/16"        #Calico 默认使用的网段为 192.168.0.0/16
  
kubectl apply -f calico.yaml


kubectl get pods -n kube-system
NAME                                       READY   STATUS    RESTARTS   AGE
calico-kube-controllers-659bd7879c-5tjkw   1/1     Running   0          14m
calico-node-xz4g2                          1/1     Running   0          14m
kube-flannel-ds-lk4t8                      1/1     Running   0          39m



#等 Calico Pod 都 Running，节点也会准备就绪
kubectl get nodes
NAME             STATUS   ROLES    AGE   VERSION
192.168.241.23   Ready    <none>   22h   v1.20.11

3.Node2节点部署

3.1在Node1节点上操作

cd /opt/
scp kubelet.sh proxy.sh root@192.168.241.24:/opt/
scp -r /opt/cni root@192.168.241.24:/opt/

3.2在Node2节点上操作

#启动kubelet服务
cd /opt/
chmod +x kubelet.sh
./kubelet.sh 192.168.241.24

3.3在Master1节点上操作

kubectl get csr
NAME                                                   AGE     SIGNERNAME                                    REQUESTOR           CONDITION
node-csr-QtYNo5HHE-raOTGERfN0dAhFzLmGMFHdNu0-liIQbUI   2m54s   kubernetes.io/kube-apiserver-client-kubelet   kubelet-bootstrap   Pending

kubectl certificate approve node-csr-QtYNo5HHE-raOTGERfN0dAhFzLmGMFHdNu0-liIQbUI
#通过CSR请求
certificatesigningrequest.certificates.k8s.io/node-csr-QtYNo5HHE-raOTGERfN0dAhFzLmGMFHdNu0-liIQbUI approved


kubectl get csr
NAME                                                   AGE    SIGNERNAME                                    REQUESTOR           CONDITION
node-csr-QtYNo5HHE-raOTGERfN0dAhFzLmGMFHdNu0-liIQbUI   4m3s   kubernetes.io/kube-apiserver-client-kubelet   kubelet-bootstrap   Approved,Issued

#加载 ipvs 模块
for i in $(ls /usr/lib/modules/$(uname -r)/kernel/net/netfilter/ipvs|grep -o "^[^.]*");do echo $i; /sbin/modinfo -F filename $i >/dev/null 2>&1 && /sbin/modprobe $i;done

3.4在Node2节点上操作

#使用proxy.sh脚本启动proxy服务
cd /opt/
chmod +x proxy.sh
./proxy.sh 192.168.241.24

#查看群集中的节点状态
kubectl get nodes

#查看群集中的节点状态  在Master1
kubectl get nodes

八、部署CoreDNS

CoreDNS：可以为集群中的 service 资源创建一个域名与 IP 的对应关系解析

1.在所有Node节点上操作

#上传 coredns.tar 到 /opt 目录中
cd /opt
docker load -i coredns.tar

2.在Master1节点上操作

#上传 coredns.yaml 文件到 /opt/k8s 目录中，部署 CoreDNS 
cd /opt/k8s
kubectl apply -f coredns.yaml

kubectl get pods -n kube-system

#DNS 解析测试
kubectl run -it --rm dns-test1 --image=busybox:1.28.4 sh

但是出现如下报错

kubectl run -it --rm dns-test1 --image=busybox:1.28.4 sh
If you don't see a command prompt, try pressing enter.
Error attaching, falling back to logs: unable to upgrade connection: Forbidden (user=system:anonymous, verb=create, resource=nodes, subresource=proxy)
pod "dns-test1" deleted
Error from server (Forbidden): Forbidden (user=system:anonymous, verb=get, resource=nodes, subresource=proxy) ( pods/log dns-test1)

解决办法：需要添加 rbac的权限直接使用kubectl绑定 clusteradmin 管理员集群角色授权操作权限

kubectl create clusterrolebinding cluster-system-anonymous --clusterrole=cluster-admin --user=system:anonymous
clusterrolebinding.rbac.authorization.k8s.io/cluster-system-anonymous created

kubectl run -it --rm dns-test1 --image=busybox:1.28.4 sh
If you don't see a command prompt, try pressing enter.
/ # nslookup kubernetes
Server:    10.0.0.2
Address 1: 10.0.0.2 kube-dns.kube-system.svc.cluster.local

Name:      kubernetes
Address 1: 10.0.0.1 kubernetes.default.svc.cluster.local

/ # exit
Session ended, resume using 'kubectl attach dns-test1 -c dns-test1 -i -t' command when the pod is running
pod "dns-test1" deleted

九、Master2节点部署

1.拷贝Master1的文件到Master2

#从 master01 节点上拷贝证书文件、各master组件的配置文件和服务管理文件到 master02 节点
scp -r /opt/etcd/ root@192.168.241.22:/opt/
scp -r /opt/kubernetes/ root@192.168.241.22:/opt
scp -r /root/.kube root@192.168.241.22:/root
scp /usr/lib/systemd/system/{kube-apiserver,kube-controller-manager,kube-scheduler}.service root@192.168.241.22:/usr/lib/systemd/system/

2.修改Master2的Kube-APIServer配置

vim /opt/kubernetes/cfg/kube-apiserver
KUBE_APISERVER_OPTS="--logtostderr=true \
--v=4 \
--etcd-servers=https://192.168.241.11:2379,https://192.168.10.18:2379,https://192.168.10.19:2379 \
--bind-address=192.168.241.22 \				#修改
--secure-port=6443 \
--advertise-address=192.168.241.22 \			#修改

3.启动Master2节点的服务

在 master02 节点上启动各服务并设置开机自启
systemctl start kube-apiserver.service
systemctl enable kube-apiserver.service
systemctl start kube-controller-manager.service
systemctl enable kube-controller-manager.service
systemctl start kube-scheduler.service
systemctl enable kube-scheduler.service

#查看node节点状态
ln -s /opt/kubernetes/bin/* /usr/local/bin/

kubectl get nodes
NAME             STATUS   ROLES    AGE   VERSION
192.168.241.23   Ready    <none>   31h   v1.20.11
192.168.241.24   Ready    <none>   26m   v1.20.11

kubectl get nodes -o wide
NAME             STATUS   ROLES    AGE   VERSION    INTERNAL-IP      EXTERNAL-IP   OS-IMAGE                KERNEL-VERSION          CONTAINER-RUNTIME
192.168.241.23   Ready    <none>   31h   v1.20.11   192.168.241.23   <none>        CentOS Linux 7 (Core)   3.10.0-693.el7.x86_64   docker://26.1.2
192.168.241.24   Ready    <none>   26m   v1.20.11   192.168.241.24   <none>        CentOS Linux 7 (Core)   3.10.0-693.el7.x86_64   docker://26.1.2

#-o=wide：输出额外信息；对于Pod，将输出Pod所在的Node名
#此时在master02节点查到的node节点状态仅是从etcd查询到的信息，而此时node节点实际上并未与master02节点建立通信连接，因此需要使用一个VIP把node节点与master节点都关联起来

十、负载均衡部署

配置load balancer集群双机热备负载均衡（nginx实现负载均衡，keepalived实现双机热备）

1.在LB1和LB2节点上操作

1.1配置Nginx

#配置nginx的官方在线yum源，配置本地nginx的yum源
cat > /etc/yum.repos.d/nginx.repo << 'EOF'
[nginx]
name=nginx repo
baseurl=http://nginx.org/packages/centos/7/$basearch/
gpgcheck=0
EOF

yum install nginx -y

#修改nginx配置文件，配置四层反向代理负载均衡，指定k8s群集2台master的节点ip和6443端口
vim /etc/nginx/nginx.conf
events {
    worker_connections  1024;
}

#添加
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 192.168.241.11:6443;
        server 192.168.241.22:6443;
    }
    server {
        listen 6443;
        proxy_pass k8s-apiserver;
    }
}

#启动nginx服务，查看已监听6443端口
systemctl start nginx
systemctl enable nginx
netstat -natp | grep nginx

1.2配置Keepalived

#部署keepalived服务
yum install keepalived -y

#修改keepalived配置文件
vim /etc/keepalived/keepalived.conf
! Configuration File for keepalived

global_defs {
   # 接收邮件地址
   notification_email {
     acassen@firewall.loc
     failover@firewall.loc
     sysadmin@firewall.loc
   }
   # 邮件发送地址
   notification_email_from Alexandre.Cassen@firewall.loc
   smtp_server 127.0.0.1
   smtp_connect_timeout 30
   router_id NGINX_MASTER
   #lb01节点的为 NGINX_MASTER，lb02节点的为 NGINX_BACKUP
}

#添加一个周期性执行的脚本
vrrp_script check_nginx {
    script "/etc/nginx/check_nginx.sh"	#指定检查nginx存活的脚本路径
}

vrrp_instance VI_1 {
    state MASTER			#lb01节点的为 MASTER，lb02节点的为 BACKUP
    interface ens33			#指定网卡名称 ens33
    virtual_router_id 51	#指定vrid，两个节点要一致
    priority 100			#lb01节点的为 100，lb02节点的为 90
    advert_int 1
    authentication {
        auth_type PASS
        auth_pass 1111
    }
    virtual_ipaddress {
        192.168.241.100/24	#指定 VIP
    }
    track_script {
        check_nginx			#指定vrrp_script配置的脚本
    }
}

#创建nginx状态检查脚本 
vim /etc/nginx/check_nginx.sh
#!/bin/bash
#egrep -cv "grep|$$" 用于过滤掉包含grep 或者 $$ 表示的当前Shell进程ID，即脚本运行的当前进程ID号
count=$(ps -ef | grep nginx | egrep -cv "grep|$$")

if [ "$count" -eq 0 ];then
    systemctl stop keepalived
fi

1.3启动Keepalived服务

#启动keepalived服务（一定要先启动了nginx服务，再启动keepalived服务）
systemctl start keepalived
systemctl enable keepalived
ip a
#查看VIP是否生成

1.4修改Node节点的配置文件

#修改node节点上的bootstrap.kubeconfig,kubelet.kubeconfig配置文件为VIP
#在所有Node节点上操作
cd /opt/kubernetes/cfg/
vim bootstrap.kubeconfig 
server: https://192.168.241.100:6443
                      
vim kubelet.kubeconfig
server: https://192.168.241.100:6443
                        
vim kube-proxy.kubeconfig
server: https://192.168.241.100:6443

#重启kubelet和kube-proxy服务
systemctl restart kubelet.service 
systemctl restart kube-proxy.service

1.5查看Nginx、Node和Master连接状态

#在 lb01 上查看 nginx 和 node 、 master 节点的连接状态
netstat -natp | grep nginx

1.6在Master1节点上操作

#测试创建pod
kubectl run nginx --image=nginx
pod/nginx created

#查看Pod的状态信息
kubectl get pods
NAME       READY   STATUS              RESTARTS   AGE
dns-test   1/1     Running             0          55m
nginx      0/1     ContainerCreating   0          5s
                   #正在创建中

kubectl get pods
NAME       READY   STATUS    RESTARTS   AGE
dns-test   1/1     Running   0          57m
nginx      1/1     Running   0          80s
                   #创建完成，运行中


kubectl get pods -o wide
NAME       READY   STATUS    RESTARTS   AGE   IP               NODE             NOMINATED NODE   READINESS GATES
dns-test   1/1     Running   0          57m   172.16.243.129   192.168.241.23   <none>           <none>
nginx      1/1     Running   0          89s   172.16.243.133   192.168.241.23   <none>           <none>
#READY为1/1，表示这个Pod中有1个容器

1.7测试

#在对应网段的node节点上操作，可以直接使用浏览器或者curl命令访问
curl 172.16.243.133

ifconfig |grep 192.168.241.23|awk '{print $2}'
192.168.241.23

curl 172.16.243.133

1.8在Master1节点上查看Nginx日志

kubectl logs nginx

十一、部署Dashboard

1.Dashboard介绍

仪表板是基于Web的Kubernetes用户界面。您可以使用仪表板将容器化应用程序部署到Kubernetes集群，对容器化应用程序进行故障排除，并管理集群本身及其伴随资源。您可以使用仪表板来概述群集上运行的应用程序，以及创建或修改单个Kubernetes资源（例如deployment，job，daemonset等）。例如，您可以使用部署向导扩展部署，启动滚动更新，重新启动Pod或部署新应用程序。仪表板还提供有关群集中Kubernetes资源状态以及可能发生的任何错误的信息。

2.在Master1节点上操作

上传 recommended.yaml 文件到 /opt/k8s 目录中
cd /opt/k8s
vim recommended.yaml
#默认Dashboard只能集群内部访问，修改Service为NodePort类型，暴露到外部

kubectl apply -f recommended.yaml

#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}')

3.验证

#使用输出的token登录Dashboard
https://NodeIP:30001