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VirtualBox+Ubuntu16搭建Kubernetes集群的實現

關于 Kubernetes

下面是一段來自維基百科的關于 Kubernetes 的解釋：

Kubernetes（常簡稱為 K8s）是用于自動部署、擴展和管理「容器化（containerized）應用程序」的開源系統。該系統由 Google 設計并捐贈給 Cloud Native Computing Foundation（今屬 Linux 基金會）來使用。
它旨在提供“跨主機集群的自動部署、擴展以及運行應用程序容器的平臺”。它支持一系列容器工具，包括Docker等。

Kubernetes 可以為我們提供服務發現和負載均衡、存儲編排、自動部署和回滾、自動完成裝箱計算、自我修復和密鑰與配置管理的能力。

基礎環境準備

安裝 VirtualBox

VirtualBox 是一種功能強大的虛擬機軟件，而且是開源免費的，這是下載地址，安裝 VirtualBox 非常簡單，這里我就不贅述了。

下載 Ubuntu 16 系統鏡像

這里我選擇了 Ubuntu 16 作為系統鏡像，當然你也可以使用其他系統，比如 CentOS 等，Ubuntu 16 的下載地址。

虛擬機 x3

安裝好了 VirtualBox，下載了 Ubuntu 16 的鏡像后，我們首先需要搭建三臺 Ubuntu 16 的虛擬機。這個新建虛擬機的過程也是比較簡單的，一步一步往下走就可以了。新建完成后，我們需要對每臺虛擬機進行相應的配置，配置時使用的用戶應該是 root 用戶。

虛擬機 IP

由于我們使用的是虛擬機，我們會給每臺虛擬機配置網卡，讓每臺虛擬機都可以上網的，這里有兩種方式：

使用橋接網卡，每臺虛擬機的 IP 將會是宿主機網段的，支持虛擬機上網
使用 NAT 網絡 + 端口轉發，網段自行設置，支持虛擬機上網

大家可以使用其中任意一種方式給虛擬機配置網卡，從而讓虛擬機可以上網。

需要注意的是，在集群搭建完成后，集群中的每個節點的 IP 要求保持不變，否則節點需要重新加入。

簡單的方式就是讓虛擬機不關機，而是進入睡眠狀態，下次只需喚醒即可。

在集群中，我們使用的是內網地址，可以通過 ifconfig 或者 ip addr 找到每臺虛擬機對應的內網地址：

> ifconfig

enp0s3    Link encap:Ethernet  HWaddr 08:00:27:6f:23:2a  
          inet addr:10.0.2.4  Bcast:10.0.2.255  Mask:255.255.255.0
          inet6 addr: fe80::a00:27ff:fe6f:232a/64 Scope:Link
          UP BROADCAST RUNNING MULTICAST  MTU:1500  Metric:1
          RX packets:3277016 errors:0 dropped:0 overruns:0 frame:0
          TX packets:3385793 errors:0 dropped:0 overruns:0 carrier:0
          collisions:0 txqueuelen:1000 
          RX bytes:1084480916 (1.0 GB)  TX bytes:2079122979 (2.0 GB)

這臺虛擬機（master）的地址就是 10.0.2.4。

配置主機名

Kubernetes 的節點名稱是由主機名決定的，所以我們可以分別設置三臺虛擬機的主機名為 master、node1 和 node2，通過修改 /etc/hosts 文件來修改主機名，需要重啟虛擬機：

# /etc/hosts
10.0.2.4 master
10.0.2.5 node1
10.0.2.6 node2

SSH 無密連接

在虛擬機運行起來后，我們要做的第一件事就是要連通這三臺虛擬機，即配置 SSH 無密連接。
首先在其中的一臺虛擬機上生成 SSH 的公私鑰：

ssh-keygen -t rsa -C 'k8scat@gmail.com' -f ~/.ssh/id_rsa -q -N ''

關于 ssh-keygen 的參數說明：

-t rsa 指定加密算法為 RSA
-C 'k8scat@gmail.com' 用于提供一個備注，表明私鑰的生成者
-f ~/.ssh/id_rsa 指定私鑰生成的位置
-q -N '' 表示不對私鑰加密碼，以及使用靜默的方式

將公私鑰分發給另外兩臺虛擬機，并在三臺虛擬機上都將公鑰（~/.ssh/id_rsa.pub）的內容寫進 ~/.ssh/authorized_keys 文件中，同時設置 ~/.ssh/authorized_keys 文件的權限為 400：

cat ~/.ssh/id_rsa.pub >> ~/.ssh/authorized_keys
chmod 400 ~/.ssh/authorized_keys

配置完成后，我們將可以通過以下方式在其中一個虛擬機上連接另一臺虛擬機了：

# 在 master 節點上
ssh root@node1

Kubernetes 集群搭建

在弄好三臺虛擬機后，我們便可以開始搭建一個擁有三個節點的 Kubernetes 的集群了。

安裝 Docker

apt-get update -y
apt-get install -y \

  apt-transport-https \

  ca-certificates \

  curl \

  gnupg \

  lsb-release
curl -fsSL https://download.docker.com/linux/ubuntu/gpg | sudo gpg --dearmor -o /usr/share/keyrings/docker-archive-keyring.gpg
echo \

  "deb [arch=amd64 signed-by=/usr/share/keyrings/docker-archive-keyring.gpg] https://download.docker.com/linux/ubuntu \

  $(lsb_release -cs) stable" | sudo tee /etc/apt/sources.list.d/docker.list > /dev/null

# INSTALL DOCKER ENGINE
apt-get update -y
apt-get install -y docker-ce docker-ce-cli containerd.io

# Configure Docker to start on boot
systemctl enable docker.service
systemctl enable containerd.service

# Start Docker
systemctl start docker

安裝 kubeadm、kubelet 和 kubectl

這里使用的是阿里云的鏡像源：

# 更新 apt 包索引并安裝使用 Kubernetes apt 倉庫所需要的包
apt-get update -y
apt-get install -y apt-transport-https ca-certificates curl

# 下載 Google Cloud 公開簽名秘鑰
# curl -fsSLo /usr/share/keyrings/kubernetes-archive-keyring.gpg https://packages.cloud.google.com/apt/doc/apt-key.gpg
curl https://mirrors.aliyun.com/kubernetes/apt/doc/apt-key.gpg | apt-key add -

# 添加 Kubernetes apt 倉庫
# echo "deb [signed-by=/usr/share/keyrings/kubernetes-archive-keyring.gpg] https://apt.kubernetes.io/ kubernetes-xenial main" | sudo tee /etc/apt/sources.list.d/kubernetes.list
echo "deb https://mirrors.aliyun.com/kubernetes/apt/ kubernetes-xenial main" | sudo tee /etc/apt/sources.list.d/kubernetes.list

# 更新 apt 包索引，安裝 kubelet、kubeadm 和 kubectl，并鎖定其版本
apt-get update -y
apt-get install -y kubelet kubeadm kubectl
apt-mark hold kubelet kubeadm kubectl

關閉 SWAP

編輯 /etc/fstab 文件并注釋掉 swap 分區的配置：

#/dev/mapper/master--vg-swap_1 none            swap    sw              0       0

預先下載鏡像

獲取 kubeadm init 需要使用到的鏡像列表：

> kubeadm config images list

k8s.gcr.io/kube-apiserver:v1.21.1
k8s.gcr.io/kube-controller-manager:v1.21.1
k8s.gcr.io/kube-scheduler:v1.21.1
k8s.gcr.io/kube-proxy:v1.21.1
k8s.gcr.io/pause:3.4.1
k8s.gcr.io/etcd:3.4.13-0
k8s.gcr.io/coredns/coredns:v1.8.0

k8s 的鏡像源對于國內用戶是可望而不可即的，但我們可以先拉到國內的鏡像倉或者可以使用的鏡像倉，比如阿里云的容器鏡像服務 ACR 和 Docker 的官方鏡像倉 DockerHub。

我們可以新建一個 GitHub 代碼倉，里面只有一個 Dockerfile，其內容如下：

FROM k8s.gcr.io/kube-apiserver:v1.21.0

然后在阿里云的容器鏡像服務 ACR 中新建一個鏡像，并關聯這個 GitHub 代碼倉，構建出來的鏡像就是我們要的 k8s 鏡像，比如上面的 k8s.gcr.io/kube-apiserver:v1.21.1，但在使用的時候需要重新給鏡像打標簽。

在 ACR 中構建好了所有需要的鏡像后，使用下面這個腳本可以快速處理給鏡像打標簽的任務：

# Pull images from aliyun registry
kubeadm config images list | sed -e 's/^/docker pull /g' -e 's#k8s.gcr.io#registry.cn-shenzhen.aliyuncs.com/k8scat#g' -e 's#/coredns/coredns#/coredns#g' | sh -x

# Tag images
docker images | grep k8scat | awk '{print "docker tag",$1":"$2,$1":"$2}' | sed -e 's#registry.cn-shenzhen.aliyuncs.com/k8scat#k8s.gcr.io#2' | sh -x
docker tag k8s.gcr.io/coredns:v1.8.0 k8s.gcr.io/coredns/coredns:v1.8.0

# Remove images
docker images | grep k8scat | awk '{print "docker rmi",$1":"$2}' | sh -x

初始化 master 節點

10.0.2.4 是 master 節點的 IP 地址，設置 pod 網段為 192.168.16.0/20：

> kubeadm init --apiserver-advertise-address=10.0.2.4 --pod-network-cidr=192.168.16.0/20

kubeadm join 10.0.2.4:6443 --token ioshf8.40n8i0rjsehpigcl \

    --discovery-token-ca-cert-hash sha256:085d36848b2ee8ae9032d27a444795bc0e459f54ba043500d19d2c6fb044b065

加入 node 節點

kubeadm join 10.0.2.4:6443 --token ioshf8.40n8i0rjsehpigcl \

    --discovery-token-ca-cert-hash sha256:085d36848b2ee8ae9032d27a444795bc0e459f54ba043500d19d2c6fb044b065

分發 kubectl 配置文件

scp master:/etc/kubernetes/admin.conf /etc/kubernetes/admin.conf
echo 'export KUBECONFIG="/etc/kubernetes/admin.conf"' >> /etc/profile
source /etc/profile

安裝網絡插件

這里我們使用的是 Weave Net：

# curl -L "https://cloud.weave.works/k8s/net?k8s-version=$(kubectl version | base64 | tr -d '\n')" > weave-net.yaml

# With IPALLOC_RANGE
kubectl apply -f https://gist.githubusercontent.com/k8scat/c6a1aa5a1bdcb8c220368dd2db69bedf/raw/da1410eea6771c56e93f191df82206be8e722112/k8s-weave-net.yaml

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