一、Kubernetes介绍

1、背景

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

可以看到：Kubernetes 的市场比例有绝对的领先优势。

关于云计算：

• 基础设施即服务：Infrastructure as a Service，代表厂商阿里云
• 平台即服务：Platform as a Service，如新浪云
• 软件设施即服务：Software as a Service，如Office365

2、kubernetes简介

Kubernetes 这个单词来自于希腊语，含义是舵手或领航员。K8S是它的缩写，用“8”字替代了“ubernete”这8个字符。

和Docker不同，K8S的创造者，是众人皆知的行业巨头——Google。

然而，K8S并不是一件全新的发明。它的前身，是Google自己捣鼓了十多年的Borg系统。

K8S是2014年6月由Google公司正式公布出来并宣布开源的。

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

3、组件说明

先看看k8s前生：Borg

再此基础上进行改良与演变，得到K8s：

一个kubernetes集群主要是由控制节点(master)、工作节点(node)构成。

master：集群的控制平面，负责集群的决策 ( 做决策和管理的 )

• 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

etcd 的官方将它定位成一个可信赖的分布式键值存储服务，它能够为整个分布式集群存储一些关键数据，协助分布式集群的正常运转。

其中，etcd的v2版本是将数据存在内存，v3版本则进行了持久化，推荐在 Kubernetes 集群中使用 Etcd v3，v2 版本已在 Kubernetes v1.11 中弃用。

node：集群的数据平面，负责为容器提供运行环境 ( 干活的 )

• 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

4、示例：部署nginx说明各组件的协作

• 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

5、kubernetes核心概念

• 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

二、kubernetes集群环境搭建

1、部署方式

目前生产部署Kubernetes 集群主要有两种方式：

方式一：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。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>

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

方式二：二进制包

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。

2、安装要求和最终目标

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

最终目标是：

- 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

3、环境准备

关于集群的结构，有一主多从和多主多从。多主多从用于生产环境，一主多从用于测试环境，这里我选择一主多从：

最终效果图架构示意：

三台节点的信息如下：

角色	IP地址	组件
master1	192.168.90.100	docker，kubectl，kubeadm，kubelet
node1	192.168.90.101	docker，kubectl，kubeadm，kubelet
node2	192.168.90.102	docker，kubectl，kubeadm，kubelet

4、环境初始化

检查操作系统的版本

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

主机名解析：为了方便集群节点间的直接调用，在这个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
192.168.90.100 master
192.168.90.106 node1
192.168.90.107 node2

时间同步：kubernetes要求集群中的节点时间必须精确一直，这里使用chronyd服务从网络同步时间

# 企业中建议配置内部的会见同步服务器
# 启动chronyd服务
[root@master ~] systemctl start chronyd
[root@master ~] systemctl enable chronyd
[root@master ~] date

禁用iptable和firewalld服务：kubernetes和docker 在运行的中会产生大量的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

# 1 关闭firewalld服务
[root@master ~] systemctl stop firewalld
[root@master ~] systemctl disable firewalld
# 2 关闭iptables服务
[root@master ~] systemctl stop iptables
[root@master ~] systemctl disable iptables

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

# 编辑 /etc/selinux/config 文件，修改SELINUX的值为disable
# 注意修改完毕之后需要重启linux服务，等到最后统一重启
SELINUX=disabled

禁用swap分区：swap分区指的是虚拟内存分区，它的作用是物理内存使用完，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
# 注意修改完毕之后需要重启linux服务
vim /etc/fstab
注释掉 /dev/mapper/centos-swap swap
# /dev/mapper/centos-swap swap

修改linux的内核参数

# 修改linux的内核采纳数，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：
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@master ~]# sysctl -p
# 加载网桥过滤模块
[root@master ~]# modprobe br_netfilter
# 查看网桥过滤模块是否加载成功
[root@master ~]# lsmod | grep br_netfilter

配置ipvs功能：在Kubernetes中Service有两种带来模型，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

# 1.安装ipset和ipvsadm
[root@master ~]# yum install ipset ipvsadm -y
# 2.添加需要加载的模块写入脚本文件
[root@master ~]# 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
# 3.为脚本添加执行权限
[root@master ~]# chmod +x /etc/sysconfig/modules/ipvs.modules
# 4.执行脚本文件
[root@master ~]# /bin/bash /etc/sysconfig/modules/ipvs.modules
# 5.查看对应的模块是否加载成功
[root@master ~]# lsmod | grep -e ip_vs -e nf_conntrack_ipv4

安装docker

# 1、切换镜像源
[root@master ~]# wget https://mirrors.aliyun.com/docker-ce/linux/centos/docker-ce.repo -O /etc/yum.repos.d/docker-ce.repo

# 2、查看当前镜像源中支持的docker版本
[root@master ~]# yum list docker-ce --showduplicates

# 3、安装特定版本的docker-ce
# 必须制定--setopt=obsoletes=0，否则yum会自动安装更高版本
[root@master ~]# yum install --setopt=obsoletes=0 docker-ce-18.06.3.ce-3.el7 -y

# 4、添加一个配置文件
#Docker 在默认情况下使用Vgroup Driver为cgroupfs，而Kubernetes推荐使用systemd来替代cgroupfs
[root@master ~]# mkdir /etc/docker
[root@master ~]# cat <<EOF> /etc/docker/daemon.json
{
	"exec-opts": ["native.cgroupdriver=systemd"],
	"registry-mirrors": ["https://kn0t2bca.mirror.aliyuncs.com"]
}
EOF

# 5、启动dokcer
[root@master ~]# systemctl restart docker
[root@master ~]# systemctl enable docker

安装Kubernetes组件

# 1、由于kubernetes的镜像在国外，速度比较慢，这里切换成国内的镜像源
# 2、编辑/etc/yum.repos.d/kubernetes.repo,添加下面的配置
[kubernetes]
name=Kubernetes
baseurl=http://mirrors.aliyun.com/kubernetes/yum/repos/kubernetes-el7-x86_64
enabled=1
gpgchech=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

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

# 4、配置kubelet的cgroup
#编辑/etc/sysconfig/kubelet, 添加下面的配置
KUBELET_CGROUP_ARGS="--cgroup-driver=systemd"
KUBE_PROXY_MODE="ipvs"

# 5、设置kubelet开机自启
[root@master ~]# systemctl enable kubelet

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@master ~]# kubeadm config images list

# 下载镜像
# 此镜像kubernetes的仓库中，由于网络原因，无法连接，下面提供了一种替换方案
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
)

for imageName in ${images[@]};do
	docker pull registry.cn-hangzhou.aliyuncs.com/google_containers/$imageName
	docker tag registry.cn-hangzhou.aliyuncs.com/google_containers/$imageName k8s.gcr.io/$imageName
	docker rmi registry.cn-hangzhou.aliyuncs.com/google_containers/$imageName 
done

集群初始化：下面的操作只需要在master节点上执行即可

# 创建集群
[root@master ~]# kubeadm init \
	--apiserver-advertise-address=192.168.90.100 \
	--image-repository registry.aliyuncs.com/google_containers \
	--kubernetes-version=v1.17.4 \
	--service-cidr=10.96.0.0/12 \
	--pod-network-cidr=10.244.0.0/16
# 创建必要文件
[root@master ~]# mkdir -p $HOME/.kube
[root@master ~]# sudo cp -i /etc/kubernetes/admin.conf $HOME/.kube/config
[root@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

kubeadm join 192.168.0.100:6443 --token awk15p.t6bamck54w69u4s8 \
    --discovery-token-ca-cert-hash sha256:a94fa09562466d32d29523ab6cff122186f1127599fa4dcd5fa0152694f17117 
在master上查看节点信息

[root@master ~]# kubectl get nodes
NAME    STATUS   ROLES     AGE   VERSION
master  NotReady  master   6m    v1.17.4
node1   NotReady   <none>  22s   v1.17.4
node2   NotReady   <none>  19s   v1.17.4

安装网络插件，只在master节点操作即可：

wget https://raw.githubusercontent.com/coreos/flannel/master/Documentation/kube-flannel.yml

由于外网不好访问，如果出现无法访问的情况，可以直接用下面的 记得文件名是kube-flannel.yml，位置：/root/kube-flannel.yml内容：

https://github.com/flannel-io/flannel/tree/master/Documentation/kube-flannel.yml

也可手动拉取指定版本 docker pull quay.io/coreos/flannel:v0.14.0 #拉取flannel网络，三台主机 docker images #查看仓库是否拉去下来

个人笔记 若是集群状态一直是 notready,用下面语句查看原因， journalctl -f -u kubelet.service 若原因是： cni.go:237] Unable to update cni config: no networks found in /etc/cni/net.d mkdir -p /etc/cni/net.d #创建目录给flannel做配置文件 vim /etc/cni/net.d/10-flannel.conf #编写配置文件


{
 "name":"cbr0",
 "cniVersion":"0.3.1",
 "type":"flannel",
 "deledate":{
    "hairpinMode":true,
    "isDefaultGateway":true
  }

}

使用kubeadm reset重置集群

#在master节点之外的节点进行操作
kubeadm reset
systemctl stop kubelet
systemctl stop docker
rm -rf /var/lib/cni/
rm -rf /var/lib/kubelet/*
rm -rf /etc/cni/
ifconfig cni0 down
ifconfig flannel.1 down
ifconfig docker0 down
ip link delete cni0
ip link delete flannel.1
##重启kubelet
systemctl restart kubelet
##重启docker
systemctl restart docker

重启kubelet和docker

# 重启kubelet
systemctl restart kubelet
# 重启docker
systemctl restart docker

使用配置文件启动fannel

kubectl apply -f kube-flannel.yml

等待它安装完毕 发现已经是 集群的状态已经是Ready

kubeadm中的命令

# 生成 新的token
[root@master ~]# kubeadm token create --print-join-command

5、集群测试

创建一个nginx服务

kubectl create deployment nginx  --image=nginx:1.14-alpine

暴露端口

kubectl expose deploy nginx  --port=80 --target-port=80  --type=NodePort

查看服务

kubectl get pod,svc

查看pod

浏览器测试结果：

部署成功。