【云原生】无VIP稳定性和可扩展性更强的k8s高可用方案讲解与实战操作

一、概述

在前面我的文章里或者网上其它资料讲高可用方案，基本上大多数使用Keepalived VIP的方案，但是这种方案并不是最佳的，还有更优的高可用方案，下面将详细介绍。如果小伙伴对k8s master Keepalived VIP的方案不了解的，可以参考我这篇文章：Kubernetes（k8s）最新版最完整版环境部署+master高可用实现（k8sV1.24.1+dashboard+harbor）

二、架构

三、开始部署

1）节点信息

hostname	IP	角色
local-168-182-110	192.168.182.110	master
local-168-182-111	192.168.182.110	node
local-168-182-112	192.168.182.110	node
local-168-182-113	192.168.182.113	master
local-168-182-130	192.168.182.130	master

2）前期准备（所有节点）

1、配置hosts

192.168.182.110 local-168-182-110
192.168.182.111 local-168-182-111
192.168.182.112 local-168-182-112
192.168.182.113 local-168-182-113
192.168.182.130 local-168-182-130

2、配置互信

# 直接一直回车就行
ssh-keygen

ssh-copy-id -i ~/.ssh/id_rsa.pub root@local-168-182-110
ssh-copy-id -i ~/.ssh/id_rsa.pub root@local-168-182-111
ssh-copy-id -i ~/.ssh/id_rsa.pub root@local-168-182-112
ssh-copy-id -i ~/.ssh/id_rsa.pub root@local-168-182-113
ssh-copy-id -i ~/.ssh/id_rsa.pub root@local-168-182-130

3、时间同步

yum install chrony -y
systemctl start chronyd
systemctl enable chronyd
systemctl status chronyd
chronyc sources

4、关闭防火墙

systemctl stop firewalld
systemctl disable firewalld

5、禁用SELinux

# 临时关闭
setenforce 0
# 永久禁用
sed -i 's/^SELINUX=enforcing$/SELINUX=disabled/' /etc/selinux/config

6、关闭swap

# 临时关闭；关闭swap主要是为了性能考虑
swapoff -a
# 可以通过这个命令查看swap是否关闭了
free
# 永久关闭        
sed -ri 's/.*swap.*/#&/' /etc/fstab

7、设置bridge-nf-call-iptables

cat <<EOF | sudo tee /etc/modules-load.d/k8s.conf
overlay
br_netfilter
EOF

sudo modprobe overlay
sudo modprobe br_netfilter

# 设置所需的 sysctl 参数，参数在重新启动后保持不变
cat <<EOF | sudo tee /etc/sysctl.d/k8s.conf
net.bridge.bridge-nf-call-iptables  = 1
net.bridge.bridge-nf-call-ip6tables = 1
net.ipv4.ip_forward                 = 1
EOF

# 应用 sysctl 参数而不重新启动
sudo sysctl --system

3）安装容器docker（所有节点）

# 配置yum源
cd /etc/yum.repos.d ; mkdir bak; mv CentOS-Linux-* bak/
# centos7
wget -O /etc/yum.repos.d/CentOS-Base.repo http://mirrors.aliyun.com/repo/Centos-7.repo

# 安装yum-config-manager配置工具
yum -y install yum-utils
# 设置yum源
yum-config-manager --add-repo http://mirrors.aliyun.com/docker-ce/linux/centos/docker-ce.repo
# 安装docker-ce版本
yum install -y docker-ce
# 启动并设置开机自启
# 设置为开机自启并现在立刻启动服务 --now：立刻启动服务
systemctl enable --now docker

# 查看版本号
docker --version
# 查看版本具体信息
docker version

# Docker镜像源设置
# 修改文件 /etc/docker/daemon.json，没有这个文件就创建
# 配置docker cgroup 驱动程序systemd
# 添加以下内容后，重启docker服务：
cat >/etc/docker/daemon.json<<EOF
{
   "registry-mirrors": ["http://hub-mirror.c.163.com"],
    "exec-opts": ["native.cgroupdriver=systemd"]
}
EOF
# 加载
systemctl restart docker

# 查看
systemctl status docker

4）配置k8s yum源（所有节点）

cat > /etc/yum.repos.d/kubernetes.repo << EOF
[k8s]
name=k8s
enabled=1
gpgcheck=0
baseurl=https://mirrors.aliyun.com/kubernetes/yum/repos/kubernetes-el7-x86_64/
EOF

5）开始安装kubeadm，kubelet和kubectl（所有节点）

# 查找所有的版本，这里选择1.23.x版本
yum --showduplicates list kubelet

# disableexcludes=kubernetes：禁掉除了这个kubernetes之外的别的仓库
yum install -y kubelet-1.23.6 kubeadm-1.23.6 kubectl-1.23.6 --disableexcludes=kubernetes

# 设置为开机自启并现在立刻启动服务 --now：立刻启动服务
systemctl enable --now kubelet

# 查看状态，这里需要等待一段时间再查看服务状态，启动会有点慢
systemctl status kubelet

# 查看版本
kubectl version
yum info kubeadm

6）使用 kubeadm 初始化集群（第一个master节点）

最好提前把镜像下载好，这样安装快

docker pull registry.aliyuncs.com/google_containers/kube-apiserver:v1.23.6
docker pull registry.aliyuncs.com/google_containers/kube-controller-manager:v1.23.6
docker pull registry.aliyuncs.com/google_containers/kube-scheduler:v1.23.6
docker pull registry.aliyuncs.com/google_containers/kube-proxy:v1.23.6
docker pull registry.aliyuncs.com/google_containers/pause:3.6
docker pull registry.aliyuncs.com/google_containers/etcd:3.5.1-0
docker pull registry.aliyuncs.com/google_containers/coredns:v1.8.6

集群初始化

kubeadm init \
  --apiserver-advertise-address=192.168.182.110 \
  --image-repository registry.aliyuncs.com/google_containers \
  --kubernetes-version v1.23.6 \
  --control-plane-endpoint=192.168.182.110 \
  --service-cidr=10.1.0.0/16 \
  --pod-network-cidr=10.244.0.0/16 \
  --v=5
# –image-repository string：    这个用于指定从什么位置来拉取镜像（1.13版本才有的），默认值是k8s.gcr.io，我们将其指定为国内镜像地址：registry.aliyuncs.com/google_containers
# –kubernetes-version string：  指定kubenets版本号，默认值是stable-1，会导致从https://dl.k8s.io/release/stable-1.txt下载最新的版本号，我们可以将其指定为固定版本（v1.22.1）来跳过网络请求。
# –apiserver-advertise-address  指明用 Master 的哪个 interface 与 Cluster 的其他节点通信。如果 Master 有多个 interface，建议明确指定，如果不指定，kubeadm 会自动选择有默认网关的 interface。这里的ip为master节点ip，记得更换。
# –pod-network-cidr             指定 Pod 网络的范围。Kubernetes 支持多种网络方案，而且不同网络方案对  –pod-network-cidr有自己的要求，这里设置为10.244.0.0/16 是因为我们将使用 flannel 网络方案，必须设置成这个 CIDR。
# --control-plane-endpoint     cluster-endpoint 是映射到该 IP 的自定义 DNS 名称，这里配置hosts映射：127.0.0.1   cluster-endpoint。 这将允许你将 --control-plane-endpoint=cluster-endpoint 传递给 kubeadm init，并将相同的 DNS 名称传递给 kubeadm join。 稍后你可以修改 cluster-endpoint 以指向高可用性方案中的负载均衡器的地址。

mkdir -p $HOME/.kube
sudo cp -i /etc/kubernetes/admin.conf $HOME/.kube/config
sudo chown $(id -u):$(id -g) $HOME/.kube/config

查看节点信息

kubectl get nodes

发现节点是NotReady状态，查看日志是因为没有装CNI网络插件，接下来就开始安装Calico 网络插件，当然也可以选择其它网络插件。

7）安装Calico网络插件

wget https://docs.projectcalico.org/manifests/calico.yaml
kubectl apply -f calico.yaml

# 查看
kubectl get all -n kube-system|grep calico

# 等calico pod都正常了，再查看节点状态
kubectl get pods -A
kubectl get nodes

8）配置IPVS（所有节点）

1、加载ip_vs相关内核模块

modprobe -- ip_vs
modprobe -- ip_vs_sh
modprobe -- ip_vs_rr
modprobe -- ip_vs_wrr

所有节点验证开启了ipvs：

lsmod |grep ip_vs

2、安装ipvsadm工具

yum install ipset ipvsadm -y

3、编辑kube-proxy配置文件，mode修改成ipvs

kubectl edit  configmap -n kube-system  kube-proxy

4、重启kube-proxy

# 先查看
kubectl get pod -n kube-system | grep kube-proxy
# 再delete让它自拉起
kubectl get pod -n kube-system | grep kube-proxy |awk '{system("kubectl delete pod "$1" -n kube-system")}'
# 再查看
kubectl get pod -n kube-system | grep kube-proxy

9）master节点加入集群

【问题】

One or more conditions for hosting a new control plane instance is not satisfied. unable to add a new control plane instance to a cluster that doesn't have a stable controlPlaneEndpoint address

【解决】添加如下配置：

# controlPlaneEndpoint: 192.192.168.110
kubectl edit cm kubeadm-config -n kube-system

开始执行下面的命令将master节点加入集群

# 在第一个master节点上执行以下获取执行命令
# 证如果过期了，可以使用下面命令生成新证书上传，这里会打印出certificate key，后面会用到
CERT_KEY=`kubeadm init phase upload-certs --upload-certs|tail -1`

# 其中 --ttl=0 表示生成的 token 永不失效. 如果不带 --ttl 参数, 那么默认有效时间为24小时. 在24小时内, 可以无数量限制添加 worker.
echo `kubeadm token create --print-join-command --ttl=0` " --control-plane --certificate-key $CERT_KEY --v=5"

# 拿到上面打印的命令在需要添加的节点上执行

# --control-plane 标志通知 kubeadm join 创建一个新的控制平面。加入master必须加这个标记
# --certificate-key ... 将导致从集群中的 kubeadm-certs Secret 下载控制平面证书并使用给定的密钥进行解密。这里的值就是上面这个命令（kubeadm init phase upload-certs --upload-certs）打印出的key。

mkdir -p $HOME/.kube
sudo cp -i /etc/kubernetes/admin.conf $HOME/.kube/config
sudo chown $(id -u):$(id -g) $HOME/.kube/config

等网络插件自动安装完后，再查看节点状态

kubectl get nodes

10）修改master节点指向自己apiserver

1、修改配置

cd /etc/kubernetes
# 修改/etc/kubernetes/admin.conf，/etc/kubernetes/kubelet.conf文件中的server ip改成127.0.0.1
vi /etc/kubernetes/admin.conf
vi /etc/kubernetes/kubelet.conf

# 覆盖配置
cp /etc/kubernetes/admin.conf ~/.kube/config

2、删除旧的证书,生成新证书

cd /etc/kubernetes/pki

# 先备份
mv apiserver.key apiserver.key.bak
mv apiserver.crt apiserver.crt.bak

# 使用如下命令生成，分别在三个master节点上执行
kubeadm init phase certs apiserver --apiserver-advertise-address 192.168.182.110 --apiserver-cert-extra-sans "127.0.0.1,10.1.0.1"

kubeadm init phase certs apiserver --apiserver-advertise-address 192.168.182.113 --apiserver-cert-extra-sans "127.0.0.1,10.1.0.1"

kubeadm init phase certs apiserver --apiserver-advertise-address 192.168.182.130 --apiserver-cert-extra-sans "127.0.0.1,10.1.0.1"
#  --apiserver-cert-extra-sans "127.0.0.1"：设置了这个，之后加入节点验证证书阶段就不会报错了。

3、修改apiserver

kubectl -n kube-system edit cm kubeadm-config -o yaml

4、修改kube-prxoy配置

kubectl edit cm kube-proxy -oyaml -n kube-system

重启

kubectl delete pod -n kube-system `kubectl get pods  -n kube-system|grep kube-proxy|awk '{print $1}'`

5、重启docker和kubelet

systemctl restart docker kubelet

11）node节点上安装nginx

这里使用nginx四层代理

mv /etc/yum.repos.d/CentOS-Base.repo /etc/yum.repos.d/CentOS-Base.repo.backup
wget -O /etc/yum.repos.d/CentOS-Base.repo http://mirrors.aliyun.com/repo/Centos-7.repo
yum makecache
yum install epel-release
yum -y install nginx
yum -y install nginx-all-modules.noarch

配置nginx，在nginx.conf添加如下配置：

stream {                          #实现四层代理功能
    upstream kube_apiserver {            #定义集群，kube_apiserver是集群名称，可自行定义
        least_conn;# 默认调度策略是轮询，在轮询中，如果服务器down掉了，会自动剔除该服务器。
        server local-168-182-110:6443 max_fails=3 fail_timeout=30s;   #集群组是三台服务器k8s apiserver组成
        server local-168-182-113:6443 max_fails=3 fail_timeout=30s;
        server local-168-182-130:6443 max_fails=3 fail_timeout=30s;
    }
    server {                            #定义一个服务
        listen 127.0.0.1:6443;             #需要监听的端口
        proxy_pass kube_apiserver;       #调用集群
        proxy_connect_timeout 10s;					# 连接超时时间
        proxy_timeout 300s;							# 端口保持时间
    }
}

12）node节点加入集群

# 在第一个master节点上执行以下获取执行命令
# 证如果过期了，可以使用下面命令生成新证书上传，这里会打印出certificate key，后面会用到
CERT_KEY=`kubeadm init phase upload-certs --upload-certs|tail -1`

# 其中 --ttl=0 表示生成的 token 永不失效. 如果不带 --ttl 参数, 那么默认有效时间为24小时. 在24小时内, 可以无数量限制添加 worker.
echo `kubeadm token create --print-join-command --ttl=0` " --certificate-key $CERT_KEY --v=5"
# 示例如下：
kubeadm join 127.0.0.1:6443 --token esczfh.6ckynzi6wfj8jhnk --discovery-token-ca-cert-hash sha256:bc8fb85184ed235b88afdba38f0a17976d353abb10d0739d25df452745d1eed8  --certificate-key a126867ad4d91721f157660df77cdea7862ebda8371280c3025c4cc45c23b85f --v=5

修改/etc/kubernetes/kubelet.conf配置

重启

systemctl restart kubelet

等网络插件自动安装完后，再查看节点状态

kubectl get nodes
kubectl get pods -A

13）卸载

kubeadm reset
rm -rf /etc/kubernetes/*
rm -fr ~/.kube
rm -fr /var/lib/etcd

四、高可用故障模式测试

1）master节点故障模拟（一个master故障）

# 关机192.168.182.110
showdown -h now
# 在其它master节点上查看节点状态
kubectl get nodes

【结论】如上图可知，挂一个master节点不影响集群。

2）master节点故障模拟（两个master故障）

# 关机192.168.182.113
showdown -h now
# 在其它master节点上查看节点状态
kubectl get nodes

【结论】如上图可知，挂两个master节点，整个集群不可用，还是之前说的，三个master节点只允许挂一个master节点，这里就不细说了，可以参考我之前的文章：【云原生】K8S master节点更换IP以及master高可用故障模拟测试

无VIP稳定性更强的k8s高可用方案讲解就先到这里了，也是我们目前生成环境中使用的方案，小伙伴有任何疑问，欢迎给我留言，后续会持续更新【云原生+大数据】相关的文章，请小伙伴耐心等待~