上篇：二进制搭建k8s——部署etcd集群和单master

二进制搭建k8s——部署node节点

二进制搭建k8s——部署node节点
- 环境
- 部署node节点
- - 部署网络组件
  - - 方法一：部署Flannel
    - 方法二：部署 Calico
- CNI网络插件介绍
- - Kubernetes的三种网络
  - - K8S 中 Pod 网络通信：
  - Flannel 插件
  - - Flannel UDP 模式（端口8285）
    - vxlan 模式（端口4789）
    - UDP和VXLAN的区别
- Calico 插件
- - k8s组网方案对比
  - Calico的组成和工作原理
  - flannel和calico对比

二进制搭建k8s——部署node节点

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环境

master 01：192.168.44.20 （kube-apiserver、kube-controller-manager、kube-scheduler、etcd）
node 01:192.168.44.30 （kubelet、kube-proxy、docker）
node 02:192.168.44.40

部署node节点

# 1、在所有 node 节点上操作
#创建kubernetes工作目录，并创建四个子目录cfg、bin、ssl、logs。cfg用于存放配置文件，bin用于存放执行文件，ssl用于存放证书文件，logs用于存放日志文件
cd /opt/
mkdir k8s
mkdir -p 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 k8s/
unzip node.zip 
chmod +x *.sh       #为两个脚本文件增加执行权限

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#2、在 master01 节点上操作
#把 kubelet、kube-proxy 拷贝到两个node 节点
cd /opt/k8s/kubernetes/server/bin/
scp kubelet kube-proxy node01:/opt/kubernetes/bin
scp kubelet kube-proxy node02:/opt/kubernetes/bin

#创建/opt/k8s/kubeconfig 目录，上传 kubeconfig.sh 文件到该目录中，生成 kubeconfig 的配置文件。
#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
cd /opt/k8s/
mkdir kubeconfig
cd kubeconfig/
chmod +x kubeconfig.sh 

cd /opt/k8s/kubeconfig/
./kubeconfig.sh 192.168.44.20 /opt/k8s/k8s-cert/   #运行脚本，生成 kubeconfig 的配置文件。脚本后面跟的参数是 master01的IP、证书目录
#把配置文件bootstrap.kubeconfig、kube-proxy.kubeconfig拷贝到node节点
scp bootstrap.kubeconfig kube-proxy.kubeconfig node01:/opt/kubernetes/cfg
scp bootstrap.kubeconfig kube-proxy.kubeconfig node02:/opt/kubernetes/cfg

 #RBAC授权，使用户 kubelet-bootstrap 能够有权限发起 CSR 请求
 kubectl create clusterrolebinding kubelet-bootstrap --clusterrole=system:node-bootstrapper --user=kubelet-bootstrap
 #CSR 请求就是kublet向APIserver请求证书的操作
 
 #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
 
 ----------------------- 虚线内是注释 -------------------------------------------------
 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。
 ------------------------------------------------------------------------------------


#查看node节点，由于网络插件还没有部署，节点会没有准备就绪，所以显示NotReady
kubectl get node

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TLS bootstrapping 机制

由master节点组件自动给kubelet颁发证书
kubelet首次访问apiserver，是通过token做认证的，token.cvs文件里的token序列号（token令牌）
kubelet会使用token.cvs里的kubelet-bootstrap用户向apiserver发起CSR请求申请证书
apiserver通过CSR请求时，会controller manager 生成一套证书，并通过apiserver发送给kubelet
kubelet以后在访问apiserver就会使用颁发的证书来认证

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#3、在所有node节点上操作，启动kubelet服务
#node01节点执行kubelet.sh脚本文件，启动 kubelet 服务，位置参数1为node01的ip地址。
cd k8s/
./kubelet.sh 192.168.44.30
ps aux | grep kubelet

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#4、在 master01 节点上操作，通过 CSR 请求
#检查到 node01节点和node02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

kubectl certificate approve node-csr-0LZjMjz69PbY7JbOtqe82b9Cpd9hgKqB0SiLaizMe04
kubectl certificate approve node-csr-bIFpjLtqkFfNTN417dSNLFxp3VuzEUvFmTdlVHNU4lw

kubectl get csr

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#5、在所有 node 节点上操作，启动kube-proxy服务
##node01节点操作，加载 ip_vs 模块，启动kube-proxy服务
#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

#运行脚本，启动kube-proxy服务
cd /opt/k8s/
./proxy.sh 192.168.44.30
./proxy.sh 192.168.44.40

ps aux | grep kube-proxy
systemctl status kube-proxy.service

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部署网络组件

网络插件主要两种：Flannel、Calico。安装其中任意一个即可。

我们这里使用方法二，安装Calico网络插件。

方法一：部署Flannel

 #--------------在 node01 和 node02 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
 docker images
 
 #解压
 mkdir -p /opt/cni/bin
 tar zxvf cni-plugins-linux-amd64-v0.8.6.tgz -C /opt/cni/bin
 

 
 #---------------在 master01 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
 或 kubectl get pods -A

 
 kubectl get nodes

方法二：部署 Calico

 #--------------------在 master01 节点上操作---------------------------------
 #calico.yaml 文件可以直接从网上获取，使用wget下载即可
 #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网络（CALICO_IPV4POOL_CIDR），要与前面kube-controller-manager配置文件指定的cluster-cidr网段一致
     - name: CALICO_IPV4POOL_CIDR
       value: "10.244.0.0/16"    #默认是192.168.0.0/16，需要改成和kube-controller-manager配置文件指定的cluster-cidr网段一致
 
 #通过calico.yaml资源清单，使用kubectl apply创建pod，-f指定清单文件
 kubectl apply -f calico.yaml
 
 #等待1~2分钟，查看pod状态，-n指定命名空间，默认是default命名空间。都是Running状态就OK了。
 kubectl get pods -n kube-system
 
 #再次查看集群的节点信息，都是Ready状态。
 #等 Calico Pod 都 Running，节点也会准备就绪
 kubectl get nodes
 
 
 
 #至此，单master节点k8s集群就部署成功了

CNI网络插件介绍

Kubernetes的三种网络

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K8S 中 Pod 网络通信：

（1）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）共享同一个网络命令空间，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。

（2）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 网桥，网段相同，所以它们之间可以直接通信。

（3）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。

Overlay 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（类似于VPN）。

VXLAN：
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。

Flannel 插件

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。

UDP（默认方式，基于应用转发，配置简单，性能最差）
VXLAN（基于内核转发）
Host-gw（性能最好、配置麻烦）

Flannel UDP 模式（端口8285）

udp模式的工作原理：（基于应用进行转发，Flannel提供路由表，Flannel封装、解封装）

数据从 node01 上 Pod 的源容器中发出后，经由所在主机的 docker0 虚拟网卡转发到 flannel0 虚拟网卡，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 node01 的 flanneld 服务将原本的数据内容封装到 UDP 中后根据自己的路由表通过物理网卡投递给目的节点 node02 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 虚拟网卡，之后被转发到目的主机的 docker0 虚拟网卡，最后就像本机容器通信一样由 docker0 转发到目标容器。
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ETCD 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

vxlan 模式（端口4789）

vxlan 是一种overlay（虚拟隧道通信）技术，通过三层网络搭建虚拟的二层网络，跟 udp 模式具体实现不太一样：

（1）udp模式是在用户态实现的，数据会先经过tun网卡，到应用程序，应用程序再做隧道封装，再进一次内核协议栈，而vxlan是在内核当中实现的，只经过一次协议栈，在协议栈内就把vxlan包组装好。

（2）udp模式的tun网卡是三层转发，使用tun是在物理网络之上构建三层网络，属于ip in udp，vxlan模式是二层实现， overlay是二层帧，属于mac in udp。

（3）vxlan由于采用mac in udp的方式，所以实现起来会涉及mac地址学习，arp广播等二层知识，udp模式主要关注路由

Flannel VXLAN模式跨主机的工作原理：（Flannel提供路由表，由内核封装、解封装）

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。

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UDP和VXLAN的区别

由于UDP模式是在用户态做转发（即基于应用进行转发，由应用程序进行封装和解封装），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。

UDP和VXLAN的区别：

UDP基于应用程序进行转发，由应用程序进行封装和解封装；VXLAN由内核进行封装和解封装，内核效率比应用程序要高，所以VXLAN比UDP要快。
UDP是数据包，VXLAN是数据帧。
UDP的网卡Flannel0，VXLAN的网卡Flannel.1。

Calico 插件

k8s组网方案对比

1）flannel 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）calico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转发来。

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。

Calico的组成和工作原理

基于三层路由表进行转发，不需要封装和解封装。

Calico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。

Calico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（动态路由协议，可以选路）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。

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flannel和calico对比

flannel

配置方便，功能简单，是基于overlay叠加网络实现的（在原有数据包中再封装一层），由于要进行封装和解封装的过程对性能会有一定的影响，同时不具备网络策略配置能力。
三种模式：UDP、 VXLAN、HOST-GW
默认网段是：10.244.0.0/16

calico

功能强大，基于路由表进行转发，没有封装和解封装的过程，对性能影响较小，具有网络策略配置能力，但是路由表维护起来较为复杂。
模式：BGP、IPIP
默认网段192 .168.0.0/16

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。

（flannel在封装和解封装的过程中，会有性能损耗。calico没有封装解封装过程，没有性能损耗）