Kubernetes實戰：高可用集群的搭建和部署
摘要：官方只提到了一句「使用負載均衡器將 apiserver 暴露給工作節點」，而這恰恰是部署過程中需要解決的重點問題。
本文分享自華為雲社區《Kubernetes 高可用集群落地二三事》，作者：zuozewei。
一、高可用拓撲
可以設置 HA 集群：
- 使用堆疊（stacked）控制平面節點，其中 etcd 節點與控制平面節點共存；
- 使用外部 etcd 節點，其中 etcd 在與控制平面不同的節點上運行；
在設置 HA 集群之前，應該仔細考慮每種拓撲的優缺點。
1、堆疊（Stacked） etcd 拓撲
主要特點：
- etcd 分佈式數據存儲集群堆疊在 kubeadm 管理的控制平面節點上，作為控制平面的一個組件運行。
- 每個控制平面節點運行 kube-apiserver，kube-scheduler 和 kube-controller-manager 實例。
- kube-apiserver 使用 LB 暴露給工作節點。
- 每個控制平面節點創建一個本地 etcd 成員（member），這個 etcd 成員只與該節點的 kube-apiserver 通信。這同樣適用於本地 kube-controller-manager 和 kube-scheduler 實例。
- 簡單概況：每個 master 節點上運行一個 apiserver 和 etcd, etcd 只與本節點 apiserver 通信。
- 這種拓撲將控制平面和 etcd 成員耦合在同一節點上。相對使用外部 etcd 集群，設置起來更簡單，而且更易於副本管理。
- 然而堆疊集群存在耦合失敗的風險。如果一個節點發生故障，則 etcd 成員和控制平面實例都將丟失，並且冗餘會受到影響。可以通過添加更多控制平面節點來降低此風險。應該為 HA 集群運行至少三個堆疊的控制平面節點（防止腦裂）。
- 這是 kubeadm 中的默認拓撲。當使用 kubeadm init 和 kubeadm join –control-plane 時，在控制平面節點上會自動創建本地 etcd 成員。
2、外部 etcd 拓撲
主要特點：
- 具有外部 etcd 的 HA 集群是一種這樣的拓撲，其中 etcd 分佈式數據存儲集群在獨立於控制平面節點的其他節點上運行。
- 就像堆疊的 etcd 拓撲一樣，外部 etcd 拓撲中的每個控制平面節點都運行 kube-apiserver，kube-scheduler 和 kube-controller-manager 實例。
- 同樣 kube-apiserver 使用負載均衡器暴露給工作節點。但是，etcd 成員在不同的主機上運行，每個 etcd 主機與每個控制平面節點的 kube-apiserver 通信。
- 簡單概況： etcd 集群運行在單獨的主機上，每個 etcd 都與 apiserver 節點通信。
- 這種拓撲結構解耦了控制平面和 etcd 成員。因此，它提供了一種 HA 設置，其中失去控制平面實例或者 etcd 成員的影響較小，並且不會像堆疊的 HA 拓撲那樣影響集群冗餘。
- 但是，此拓撲需要兩倍於堆疊 HA 拓撲的主機數量。具有此拓撲的 HA 集群至少需要三個用於控制平面節點的主機和三個用於 etcd 節點的主機。
- 需要單獨設置外部 etcd 集群。
3、小結
官方這裡主要是解決了高可用場景下 apiserver 與 etcd 集群的關係，以及控制平面節點防止單點故障。但是集群對外訪問接口不可能將三個 apiserver 都暴露出去，一個節點掛掉時還是不能自動切換到其他節點。官方只提到了一句「使用負載均衡器將 apiserver 暴露給工作節點」，而這恰恰是部署過程中需要解決的重點問題。
Notes: 此處的負載均衡器並不是 kube-proxy，此處的 Load Balancer 是針對 apiserver 的。
最後，我們總結一下兩種拓撲：
- 堆疊（Stacked） etcd 拓撲：設置簡單，易於副本管理 ，不過存在耦合失敗風險。如果節點發生故障，則 etcd 成員和控制平面實例有丟失的可能，推薦測試開發環境；
- 外部 etcd 拓撲：解耦了控制平面和 etcd 成員，不會像堆疊的 HA 拓撲那樣有影響集群冗餘的風險，不過需要兩倍於堆疊 HA 拓撲的主機數量，設置相對複雜，推薦生產環境。
二、部署架構
以下是我們在測試環境所用的部署架構：
這裡採用 kubeadm 方式搭建高可用 k8s 集群，k8s 集群的高可用實際是 k8s 各核心組件的高可用，這裡使用主備模式：
- apiserver 通過 keepalived+haproxy 實現高可用，當某個節點故障時觸發 keepalived vip 轉移，haproxy 負責將流量負載到 apiserver 節點；
- controller-manager k8s 內部通過選舉方式產生領導者(由 –leader-elect 選型控制，默認為 true)，同一時刻集群內只有一個 controller-manager 組件運行，其餘處於 backup 狀態；
- scheduler k8s 內部通過選舉方式產生領導者(由 –leader-elect 選型控制，默認為 true)，同一時刻集群內只有一個scheduler組件運行，其餘處於 backup 狀態；
- etcd 通過運行 kubeadm 方式自動創建集群來實現高可用，部署的節點數為奇數，3節點方式最多容忍一台機器宕機。
三、環境示例
主機列表：
這裡共有 12 台主機，3 台 control plane，9 台 worker。
四、核心組件
1、haproxy
haproxy提供高可用性，負載均衡，基於 TCP 和 HTTP 的代理，支持數以萬記的並發連接。
haproxy 可安裝在主機上，也可使用 docker 容器實現。文本採用第一種。
創建配置文件 /etc/haproxy/haproxy.cfg，重要配置以中文注釋標出：
#--------------------------------------------------------------------- # Example configuration for a possible web application. See the # full configuration options online. # # https://www.haproxy.org/download/2.1/doc/configuration.txt # https://cbonte.github.io/haproxy-dconv/2.1/configuration.html # #--------------------------------------------------------------------- #--------------------------------------------------------------------- # Global settings #--------------------------------------------------------------------- global # to have these messages end up in /var/log/haproxy.log you will # need to: # # 1) configure syslog to accept network log events. This is done # by adding the '-r' option to the SYSLOGD_OPTIONS in # /etc/sysconfig/syslog # # 2) configure local2 events to go to the /var/log/haproxy.log # file. A line like the following can be added to # /etc/sysconfig/syslog # # local2.* /var/log/haproxy.log # log 127.0.0.1 local2 # chroot /var/lib/haproxy pidfile /var/run/haproxy.pid maxconn 4000 # user haproxy # group haproxy # daemon # turn on stats unix socket stats socket /var/lib/haproxy/stats #--------------------------------------------------------------------- # common defaults that all the 'listen' and 'backend' sections will # use if not designated in their block #--------------------------------------------------------------------- defaults mode http log global option httplog option dontlognull option http-server-close option forwardfor except 127.0.0.0/8 option redispatch retries 3 timeout http-request 10s timeout queue 1m timeout connect 10s timeout client 1m timeout server 1m timeout http-keep-alive 10s timeout check 10s maxconn 3000 #--------------------------------------------------------------------- # main frontend which proxys to the backends #--------------------------------------------------------------------- frontend kubernetes-apiserver mode tcp bind *:9443 ## 監聽9443端口 # bind *:443 ssl # To be completed .... acl url_static path_beg -i /static /images /javascript /stylesheets acl url_static path_end -i .jpg .gif .png .css .js default_backend kubernetes-apiserver #--------------------------------------------------------------------- # round robin balancing between the various backends #--------------------------------------------------------------------- backend kubernetes-apiserver mode tcp # 模式tcp balance roundrobin # 採用輪詢的負載算法 # k8s-apiservers backend # 配置apiserver，端口6443 server k8s-master-1 xxx.16.106.208:6443 check server k8s-master-2 xxx.16.106.80:6443 check server k8s-master-3 xxx.16.106.14:6443 check
分別在三個 master 節點啟動 haproxy。
2、keepalived
keepalived 是以 VRRP(虛擬路由冗餘協議)協議為基礎, 包括一個 master 和多個 backup。 master 劫持 vip 對外提供服務。master 發送組播，backup 節點收不到 vrrp 包時認為 master 宕機，此時選出剩餘優先級最高的節點作為新的 master, 劫持 vip。keepalived 是保證高可用的重要組件。
keepalived 可安裝在主機上，也可使用 docker 容器實現。文本採用第一種。
配置 keepalived.conf, 重要部分以中文注釋標出：
! Configuration File for keepalived global_defs { router_id k8s-master-1 } vrrp_script chk_haproxy { script "/bin/bash -c 'if [[ $(netstat -nlp | grep 9443) ]]; then exit 0; else exit 1; fi'" # haproxy 檢測 interval 2 # 每2秒執行一次檢測 weight 11 # 權重變化 } vrrp_instance VI_1 { state MASTER # backup節點設為BACKUP interface eth0 virtual_router_id 50 # id設為相同，表示是同一個虛擬路由組 priority 100 # 初始權重 authentication { auth_type PASS auth_pass 1111 } virtual_ipaddress { 172.16.106.187 # vip } track_script { chk_haproxy } }
- vrrp_script 用於檢測 haproxy 是否正常。如果本機的 haproxy 掛掉，即使 keepalived 劫持vip，也無法將流量負載到 apiserver。
- 我所查閱的網絡教程全部為檢測進程, 類似 killall -0 haproxy。這種方式用在主機部署上可以，但容器部署時，在 keepalived 容器中無法知道另一個容器 haproxy 的活躍情況，因此我在此處通過檢測端口號來判斷 haproxy 的健康狀況。
- weight 可正可負。為正時檢測成功 +weight，相當與節點檢測失敗時本身 priority 不變，但其他檢測成功節點 priority 增加。為負時檢測失敗本身 priority 減少。
- 另外很多文章中沒有強調 nopreempt 參數，意為不可搶佔，此時 master 節點失敗後，backup 節點也不能接管 vip，因此我將此配置刪去。
分別在三台節點啟動 keepalived，查看 keepalived master 日誌：
Dec 25 15:52:45 k8s-master-1 Keepalived_vrrp[12562]: VRRP_Script(chk_haproxy) succeeded # haproxy檢測成功 Dec 25 15:52:46 k8s-master-1 Keepalived_vrrp[12562]: VRRP_Instance(VI_1) Changing effective priority from 100 to 111 # priority增加 Dec 25 15:54:06 k8s-master-1 Keepalived_vrrp[12562]: VRRP_Instance(VI_1) Transition to MASTER STATE Dec 25 15:54:06 k8s-master-1 Keepalived_vrrp[12562]: VRRP_Instance(VI_1) Received advert with lower priority 111, ours 111, forcing new election Dec 25 15:54:07 k8s-master-1 Keepalived_vrrp[12562]: VRRP_Instance(VI_1) Entering MASTER STATE Dec 25 15:54:07 k8s-master-1 Keepalived_vrrp[12562]: VRRP_Instance(VI_1) setting protocol VIPs. # 設置vip Dec 25 15:54:07 k8s-master-1 Keepalived_vrrp[12562]: Sending gratuitous ARP on eth0 for 172.16.106.187 Dec 25 15:54:07 k8s-master-1 Keepalived_vrrp[12562]: VRRP_Instance(VI_1) Sending/queueing gratuitous ARPs on eth0 for 172.16.106.187 Dec 25 15:54:07 k8s-master-1 Keepalived_vrrp[12562]: Sending gratuitous ARP on eth0 for 172.16.106.187 Dec 25 15:54:07 k8s-master-1 Keepalived_vrrp[12562]: Sending gratuitous ARP on eth0 for 172.16.106.187 Dec 25 15:54:07 k8s-master-1 Keepalived_vrrp[12562]: Sending gratuitous ARP on eth0 for 172.16.106.187 Dec 25 15:54:07 k8s-master-1 Keepalived_vrrp[12562]: Sending gratuitous ARP on eth0 for 172.16.106.187 Dec 25 15:54:07 k8s-master-1 avahi-daemon[756]: Registering new address record for 172.16.106.187 on eth0.IPv4. Dec 25 15:54:10 k8s-master-1 kubelet: E1225 15:54:09.999466 1047 kubelet_node_status.go:442] Error updating node status, will retry: failed to patch status "{\"status\":{\"$setElementOrder/conditions\":[{\"type\":\"NetworkUnavailable\"},{\"type\":\"MemoryPressure\"},{\"type\":\"DiskPressure\"},{\"type\":\"PIDPressure\"},{\"type\":\"Ready\"}],\"addresses\":[{\"address\":\"172.16.106.187\",\"type\":\"InternalIP\"},{\"address\":\"k8s-master-1\",\"type\":\"Hostname\"},{\"$patch\":\"replace\"}],\"conditions\":[{\"lastHeartbeatTime\":\"2020-12-25T07:54:09Z\",\"type\":\"MemoryPressure\"},{\"lastHeartbeatTime\":\"2020-12-25T07:54:09Z\",\"type\":\"DiskPressure\"},{\"lastHeartbeatTime\":\"2020-12-25T07:54:09Z\",\"type\":\"PIDPressure\"},{\"lastHeartbeatTime\":\"2020-12-25T07:54:09Z\",\"type\":\"Ready\"}]}}" for node "k8s-master-1": Patch "//apiserver.demo:6443/api/v1/nodes/k8s-master-1/status?timeout=10s": write tcp 172.16.106.208:46566->172.16.106.187:6443: write: connection reset by peer Dec 25 15:54:11 k8s-master-1 Keepalived_vrrp[12562]: Sending gratuitous ARP on eth0 for 172.16.106.187 Dec 25 15:54:11 k8s-master-1 Keepalived_vrrp[12562]: VRRP_Instance(VI_1) Sending/queueing gratuitous ARPs on eth0 for 172.16.106.187 Dec 25 15:54:11 k8s-master-1 Keepalived_vrrp[12562]: Sending gratuitous ARP on eth0 for 172.16.106.187 Dec 25 15:54:11 k8s-master-1 Keepalived_vrrp[12562]: Sending gratuitous ARP on eth0 for 172.16.106.187 Dec 25 15:54:11 k8s-master-1 Keepalived_vrrp[12562]: Sending gratuitous ARP on eth0 for 172.16.106.187 Dec 25 15:54:11 k8s-master-1 Keepalived_vrrp[12562]: Sending gratuitous ARP on eth0 for 172.16.106.187 Dec 25 15:54:12 k8s-master-1 Keepalived_vrrp[12562]: Sending gratuitous ARP on eth0 for 172.16.106.187
查看 master vip:
[root@k8s-master-1 ~]# ip a|grep eth0 2: eth0: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc mq state UP group default qlen 1000 inet 172.16.106.208/24 brd 172.16.106.255 scope global noprefixroute dynamic eth0 inet 172.16.106.187/32 scope global eth0
可以看到 vip 已綁定到 keepalived master
下面進行破壞性測試：
暫停 keepalived master 節點 haproxy:
[root@k8s-master-1 ~]# service haproxy stop Redirecting to /bin/systemctl stop haproxy.service
查看 keepalived k8s-master-1 節點日誌:
Dec 25 15:58:31 k8s-master-1 Keepalived_vrrp[12562]: /bin/bash -c 'if [[ $(netstat -nlp | grep 9443) ]]; then exit 0; else exit 1; fi' exited with status 1 Dec 25 15:58:31 k8s-master-1 Keepalived_vrrp[12562]: VRRP_Script(chk_haproxy) failed Dec 25 15:58:31 k8s-master-1 Keepalived_vrrp[12562]: VRRP_Instance(VI_1) Changing effective priority from 111 to 100 Dec 25 15:58:32 k8s-master-1 Keepalived_vrrp[12562]: VRRP_Instance(VI_1) Received advert with higher priority 111, ours 100 Dec 25 15:58:32 k8s-master-1 Keepalived_vrrp[12562]: VRRP_Instance(VI_1) Entering BACKUP STATE Dec 25 15:58:32 k8s-master-1 Keepalived_vrrp[12562]: VRRP_Instance(VI_1) removing protocol VIPs.
可以看到 haproxy 檢測失敗，priority 降低，同時另一節點 priority 比 k8s-master-1 節點高， k8s-master-1 置為 backup
查看 k8s-master-2 節點 keepalived日誌：
Dec 25 15:58:35 k8s-master-2 Keepalived_vrrp[3661]: VRRP_Instance(VI_1) Transition to MASTER STATE Dec 25 15:58:35 k8s-master-2 Keepalived_vrrp[3661]: VRRP_Instance(VI_1) Received advert with lower priority 111, ours 111, forcing new election Dec 25 15:58:36 k8s-master-2 Keepalived_vrrp[3661]: VRRP_Instance(VI_1) Entering MASTER STATE Dec 25 15:58:36 k8s-master-2 Keepalived_vrrp[3661]: VRRP_Instance(VI_1) setting protocol VIPs. Dec 25 15:58:36 k8s-master-2 Keepalived_vrrp[3661]: Sending gratuitous ARP on eth0 for 172.16.106.187 Dec 25 15:58:36 k8s-master-2 avahi-daemon[740]: Registering new address record for 172.16.106.187 on eth0.IPv4.
可以看到 k8s-master-2 被選舉為新的 master。
五、安裝部署
1、安裝 docker / kubelet
參考上文 使用 kubeadm 安裝單master kubernetes 集群（腳本版）
2、初始化第一個 master
kubeadm.conf 為初始化的配置文件：
[root@master01 ~]# more kubeadm-config.yaml apiVersion: kubeadm.k8s.io/v1beta2 kind: ClusterConfiguration kubernetesVersion: v1.16.4 apiServer: certSANs: #填寫所有kube-apiserver節點的hostname、IP、VIP - k8s-master-1 - k8s-master-2 - k8s-master-3 - k8s-worker-1 - apiserver.demo ..... controlPlaneEndpoint: "172.27.34.130:6443" networking: podSubnet: "10.244.0.0/16"
初始化 k8s-master-1：
# kubeadm init # 根據您服務器網速的情況，您需要等候 3 - 10 分鐘 kubeadm init --config=kubeadm-config.yaml --upload-certs # 配置 kubectl rm -rf /root/.kube/ mkdir /root/.kube/ cp -i /etc/kubernetes/admin.conf /root/.kube/config # 安裝 calico 網絡插件 # 參考文檔 https://docs.projectcalico.org/v3.13/getting-started/kubernetes/self-managed-onprem/onpremises echo "安裝calico-3.13.1" kubectl apply -f calico-3.13.1.yaml
3、初始化第二、三個 master 節點
可以和第一個Master節點一起初始化第二、三個Master節點，也可以從單Master節點調整過來，只需要：
- 增加 Master 的 LoadBalancer
- 將所有節點的 /etc/hosts 文件中 apiserver.demo 解析為 LoadBalancer 的地址
- 添加第二、三個Master節點
- 初始化 master 節點的 token 有效時間為 2 小時
這裡我們演示第一個Master節點初始化2個小時後再初始化：
# 只在 第一個 master 上執行 [root@k8s-master-1 ~]# kubeadm init phase upload-certs --upload-certs I1225 16:25:00.247925 19101 version.go:252] remote version is much newer: v1.20.1; falling back to: stable-1.19 W1225 16:25:01.120802 19101 configset.go:348] WARNING: kubeadm cannot validate component configs for API groups [kubelet.config.k8s.io kubeproxy.config.k8s.io] [upload-certs] Storing the certificates in Secret "kubeadm-certs" in the "kube-system" Namespace [upload-certs] Using certificate key: 5c120930eae91fc19819f1cbe71a6986a78782446437778cc0777062142ef1e6
獲得 join 命令：
# 只在 第一個 master 節點上執行 [root@k8s-master-1 ~]# kubeadm token create --print-join-command W1225 16:26:27.642047 20949 configset.go:348] WARNING: kubeadm cannot validate component configs for API groups [kubelet.config.k8s.io kubeproxy.config.k8s.io] kubeadm join apiserver.demo:6443 --token kab883.kyw62ylnclbf3mi6 --discovery-token-ca-cert-hash sha256:566a7142ed059ab5dee403dd4ef6d52cdc6692fae9c05432e240bbc08420b7f0
則，第二、三個 master 節點的 join 命令如下：
# 命令行中，前面為獲得的 join 命令，control-plane 指定的為獲得的 certificate key kubeadm join apiserver.demo:6443 --token kab883.kyw62ylnclbf3mi6 \ --discovery-token-ca-cert-hash sha256:566a7142ed059ab5dee403dd4ef6d52cdc6692fae9c05432e240bbc08420b7f0 \ --control-plane --certificate-key 5c120930eae91fc19819f1cbe71a6986a78782446437778cc0777062142ef1e6
檢查 master 初始化結果:
[root@k8s-master-1 ~]# kubectl get nodes NAME STATUS ROLES AGE VERSION k8s-master-1 Ready master 2d v1.19.2 k8s-master-2 Ready master 2d v1.19.2 k8s-master-3 Ready master 2d v1.19.2
4、初始化 worker節點
針對所有的 worker 節點執行:
# 只在 worker 節點執行 # 替換 x.x.x.x 為 ApiServer LoadBalancer 的 IP 地址 export MASTER_IP=x.x.x.x # 替換 apiserver.demo 為初始化 master 節點時所使用的 APISERVER_NAME export APISERVER_NAME=apiserver.demo echo "${MASTER_IP} ${APISERVER_NAME}" >> /etc/hosts # 替換為前面 kubeadm token create --print-join-command 的輸出結果 kubeadm join apiserver.demo:6443 --token kab883.kyw62ylnclbf3mi6 --discovery-token-ca-cert-hash sha256:566a7142ed059ab5dee403dd4ef6d52cdc6692fae9c05432e240bbc08420b7f0
檢查 worker 初始化結果:
[root@k8s-master-1 ~]# kubectl get nodes NAME STATUS ROLES AGE VERSION k8s-master-1 Ready master 2d v1.19.2 k8s-master-2 Ready master 2d v1.19.2 k8s-master-3 Ready master 2d v1.19.2 k8s-worker-1 Ready <none> 2d v1.19.2 k8s-worker-2 Ready <none> 2d v1.19.2 k8s-worker-3 Ready <none> 2d v1.19.2 k8s-worker-4 Ready <none> 2d v1.19.2 k8s-worker-5 Ready <none> 2d v1.19.2 k8s-worker-6 Ready <none> 2d v1.19.2 k8s-worker-7 Ready <none> 2d v1.19.2 k8s-worker-8 Ready <none> 2d v1.19.2 k8s-worker-9 Ready <none> 2d v1.19.2
本文資料：
參考資料：
- [1]：//www.kuboard.cn/install/install-kubernetes.html
- [2]：//github.com/loong576/Centos7.6-install-k8s-v1.16.4-HA-cluster
- [3]：//kubernetes.io/zh/docs/setup/production-environment/tools/kubeadm/ha-topology/
- [4]：//www.kubernetes.org.cn/6964.html
