Ansible自动化部署高可用K8S集群

1.1 Ansible介绍

Ansible 是一种IT自动化工具。它可以配置系统，部署软件以及协调更高级的IT任务，例如持续部署，滚动更新。Ansible 适用于管理企业IT基础设施，从具有少数主机的小规模到数千个实例的企业环境。Ansible 也是一种简单的自动化语言，可以完美地描述IT应用程序基础结构。

具备以下三个特点：

• 简单：减少学习成本
• 强大：协调应用程序生命周期
• 无代理：可预测，可靠和安全

使用文档：https://releases.ansible.com/ansible/

安装 Ansible：

yum -y install ansible

• Inventory：Ansible管理的主机信息，包括IP地址、SSH端口、账号、密码等
• Modules：任务均有模块完成，也可以自定义模块，例如经常用的脚本。
• Plugins：使用插件增加Ansible核心功能，自身提供了很多插件，也可以自定义插件。例如connection插件，用于连接目标主机。
• Playbooks：“剧本”，模块化定义一系列任务，供外部统一调用。Ansible核心功能。

1.2 主机清单

[master]
192.168.56.11    node_name=k8s-master1
192.168.56.12    node_name=k8s-master2
192.168.56.13    node_name=k8s-master3

[node]
192.168.56.11    node_name=k8s-master1
192.168.56.12    node_name=k8s-master2
192.168.56.13    node_name=k8s-master3

[k8s:children]
master
node

1.3 命令行使用

1、连接远程主机认证

SSH密码认证：

[webservers]
192.168.56.11:22 ansible_ssh_user=root ansible_ssh_pass=centos
192.168.56.12:22 ansible_ssh_user=root ansible_ssh_pass=centos
192.168.56.13

[dbservers]
192.168.56.13

SSH密钥对认证：

[webservers]
192.168.56.11:22 ansible_ssh_user=root ansible_ssh_key=/root/.ssh/id_rsa
192.168.56.12:22 ansible_ssh_user=root

也可以在配置文件中指定：
[defaults]
private_key_file = /root/.ssh/id_rsa  # 默认路径

2、常用选项

选项	描述
-C, --check	运行检查，不执行任何操作
-e EXTRA_VARS,--extra-vars=EXTRA_VARS	设置附加变量 key=value
-u REMOTE_USER, --user=REMOTE_USER	SSH连接用户，默认None
-k, --ask-pass	SSH连接用户密码
-b, --become	提权，默认root
-K, --ask-become-pass	提权密码

3、命令行使用

ansible all -m ping
ansible all -m shell -a "ls /root" -u root -k 

1.4 常用模块

1、shell

在目标主机执行shell命令。

ansible master -m shell -a "date" -k

2、copy

将文件复制到远程主机。

ansible master -m copy -a "src=./test.txt dest=/root" -k

3、file

管理文件和文件属性。

// 创建目录
ansible master -m file -a "path=/tmp/test state=directory" -k

// 删除文件
ansible master -m file -a "path=/root/test.txt state=absent" -k

//删除目录
ansible master -m file -a "path=/tmp/test state=absent" -k

4、yum

软件包管理

present，latest：表示安装

absent：表示卸载

ansible master -m yum -a "name=wget state=present" -k
ansible master -m yum -a "name=wget state=absent" -k

5、service/systemd

管理服务

ansible master -m systemd -a "name=NetworkManager state=restarted enabled=no daemon_reload=yes" -k
#state: started
#state: stopped
#state: restarted
#state: reloaded

6、unarchive

ansible master -m file -a "path=/tmp/python state=directory" -k
ansible master -m unarchive -a "src=/opt/software/Python-3.7.10.tgz dest=/tmp/python" -k
ansible master -m file -a "path=/tmp/python state=absent" -k

7、debug

执行过程中打印语句。

ansible localhost -m debug -a "msg={{ hostvars }}" -k
ansible master -m debug -a "msg={% for host in master %}ip={{ host.host.ip }}{% if not loop.last %},{% endif %}{% endfor %}" -k
ansible localhost -m debug -a "msg={{ name }}" -k

1.5 变量

变量是应用于多个主机的便捷方式； 实际在主机执行之前，变量会对每个主机添加，然后在执行中引用。

1、主机变量与组变量

[master]
192.168.56.11 ansible_ssh_user=root hostname=master1
192.168.56.12 ansible_ssh_user=root hostname=master2

[master:vars]
ansible_ssh_user=root hostname=master1

2、Register变量

- shell: date
  register: result
- debug:
    var: result

1.6 Playbook

Playbooks是Ansible的配置，部署和编排语言。他们可以描述您希望在远程机器做哪些事或者描述IT流程中一系列步骤。使用易读的YAML格式组织Playbook文件。

如果Ansible模块是您工作中的工具，那么Playbook就是您的使用说明书，而您的主机资产文件就是您的原材料。

与命令行执行模式相比，Playbooks使用ansible是一种完全不同的方式，并且功能特别强大。

https://docs.ansible.com/ansible/latest/user_guide/playbooks.html

---
- hosts: master
  vars:
    http_port: 80
  remote_user: root
  gather_facts: false
  tasks:
  - name: 安装wget最新版
    yum: name=wget state=latest
  - name: 打印变量
    debug:
      msg: http_port

1、主机和用户

- hosts: webservers
  remote_user: root

2、定义变量

Ansible中的首选做法是不将变量存储在Inventory中。

除了将变量直接存储在Inventory文件之外，主机和组变量还可以存储在相对于Inventory文件的单个文件中。

- hosts: webservers
  vars:
    http_port: 80

3、任务列表

每个play包含一系列任务。这些任务按照顺序执行，在play中，所有主机都会执行相同的任务指令。play目的是将选择的主机映射到任务。

  tasks:
  - name: 安装wget最新版
    yum: name=nginx state=latest

4、语法检查与调试

语法检查：ansible-playbook --check $path/playbook.yaml

测试运行，不实际操作：ansible-playbook -C $path/playbook.yaml

debug模块在执行期间打印语句，对于调试变量或表达式，而不必停止play。与'when：'指令一起调试更佳。

- hosts: master
  remote_user: root
  gather_facts: false
  tasks:
  - debug:
      msg: "{{group_names}}"
  - debug:
      msg: "{{inventory_hostname}}"

5、任务控制

如果你有一个大的剧本，那么能够在不运行整个剧本的情况下运行特定部分可能会很有用。

  tasks:
  - name: 查看文件
    shell: cat /etc/passwd
    tags: cat
  - name: 查看服务器时间
    shell: date
    tags: date

使用：

ansible-playbook test.yml --tags "cat"
ansible-playbook test.yml --tags "date"
ansible-playbook test.yml --skip-tags "cat"

6、流程控制

条件：

- hosts: master
  remote_user: root
  gather_facts: false
  tasks:
  - name: 只在192.168.56.11运行任务
    debug: msg={{ inventory_hostname }}
    when: inventory_hostname == '192.168.56.11'

循环：

- hosts: master
  remote_user: root
  gather_facts: false
  tasks:
  - name: 批量复制文件
    copy: src=/etc/ansible/{{ item }} dest=/tmp
    with_items:
      - test1
      - test2
      - test3

常用循环语句：

语句	描述
with_items	标准循环
with_fileglob	遍历目录文件
with_dict	遍历字典

7、模板

- hosts: localhost
  remote_user: root
  gather_facts: false
  tasks:
  - name: template
    template: src=/etc/ansible/test.conf.j2 dest=/etc/ansible/test.conf

定义变量：

{% set local_ip = inventory_hostname %}

条件和循环：

{% set list=['one', 'two', 'three'] %}
{% for i in list %}
    {% if i == 'two' %}
        -> two
    {% elif loop.index == 3 %}
        -> 3
    {% else %}
        {{i}}
    {% endif %}
{% endfor %}

例如：生成连接etcd字符串

{% for host in groups['etcd'] %}
    https://{{ hostvars[host].inventory_hostname }}:2379
    {% if not loop.last %},{% endif %}
{% endfor %} 

里面也可以用ansible的变量。

1.7 Roles

Roles是基于已知文件结构自动加载某些变量文件，任务和处理程序的方法。按角色对内容进行分组，适合构建复杂的部署环境。

1、定义Roles

Roles目录结构：

site.yml
webservers.yml
fooservers.yml
roles/
   common/
     tasks/
     handlers/
     files/
     templates/
     vars/
     defaults/
     meta/
   webservers/
     tasks/files
     files/
     templates/

• tasks -包含角色要执行的任务的主要列表。
• handlers -包含处理程序，此角色甚至在此角色之外的任何地方都可以使用这些处理程序。
• defaults-角色的默认变量
• vars-角色的其他变量
• files -包含可以通过此角色部署的文件。
• templates -包含可以通过此角色部署的模板。
• meta-为此角色定义一些元数据。请参阅下面的更多细节。

通常的做法是从tasks/main.yml文件中包含特定于平台的任务：

# roles/webservers/tasks/main.yml
- name: added in 2.4, previously you used 'include'
  import_tasks: redhat.yml
  when: ansible_facts['os_family']|lower == 'redhat'
- import_tasks: debian.yml
  when: ansible_facts['os_family']|lower == 'debian'

# roles/webservers/tasks/redhat.yml
- yum:
    name: "httpd"
    state: present

# roles/webservers/tasks/debian.yml
- apt:
    name: "apache2"
    state: present

2、使用角色

# site.yml
- hosts: webservers
  roles:
    - common
    - webservers

定义多个：
- name: 0
  gather_facts: false
  hosts: all 
  roles:
    - common

- name: 1
  gather_facts: false
  hosts: all 
  roles:
    - webservers

3、角色控制

- name: 0.系统初始化
  gather_facts: false
  hosts: all 
  roles:
    - common
  tags: common 

4、定义变量

组变量：

group_vars 存放的是组变量

group_vars/all.yml 表示所有主机有效，等同于[all:vars]

grous_vars/etcd.yml 表示etcd组主机有效，等同于[etcd:vars]

1.8 自动化部署K8S

1、 熟悉二进制部署K8S步骤

1. 服务器规划

   IP	角色	虚拟机配置	组件
   192.168.56.11	master、node	2C 4G	kube-apiserver、kube-controller-manager、kube-scheduler、etcd、kubelet、kube-proxy、keepalived、haproxy
   192.168.56.12	master、node	2C 3G	kube-apiserver、kube-controller-manager、kube-scheduler、etcd、kubelet、kube-proxy、keepalived、haproxy
   192.168.56.13	master、node	2C 3G	kube-apiserver、kube-controller-manager、kube-scheduler、etcd、kubelet、kube-proxy、keepalived、haproxy

2. 系统初始化

   主要包括：关闭防火墙、关闭NetworkManager、关闭selinux、关闭swap分区、时间同步、优化参数等

3. 生成自签证书

   k8s推荐的通信方式是双认证通信，也就是客户端与服务端双向认证

   需要生成的证书有：etcd证书、k8s证书、以及kube-controller-manager和kube-scheduler与kube-apiserver通信的配置文件等

4. 部署docker

   docker建议采用离线包安装

5. Etcd集群部署

   创建目录 --> 分发二进制文件 --> 分发证书 --> 分发配置文件 --> 启动etcd --> 查看状态

6. 部署高可用

   keepalived + haproxy

7. 部署Master

   部署kube-apiserver、kube-controller-manager、kube-scheduler组件

8. 部署bootstrap

   bootstrap主要是用来自动给node颁发证书用的，之前用的都是手动颁发证书，每加入一台node节点需要颁发一次证书

9. 部署Node

   部署kubelet和kube-proxy

10. 部署addons

    部署Calico、CoreDNS、Dashboard、Metrics

2、Roles组织K8S各组件部署解析

编写建议：

1. 梳理流程和Roles结构
2. 如果配置文件有不固定内容，使用jinja渲染
3. 人工干预改动的内容应统一写到一个文件中

3、下载所需文件

下载Ansible部署文件：

etcd版本：3.4

kubernetes组件版本：1.20.2

cfssl
cfssljson
etcd
etcdctl
kube-apiserver
kube-controller-manager
kubectl
kubelet
kube-proxy
kube-scheduler

4、修改Ansible文件

修改hosts文件，根据规划修改对应IP和名称。

# vim hosts

[master]
192.168.56.11    node_name=k8s-master1
192.168.56.12    node_name=k8s-master2
192.168.56.13    node_name=k8s-master3

[node]
192.168.56.11    node_name=k8s-master1
192.168.56.12    node_name=k8s-master2
192.168.56.13    node_name=k8s-master3

[etcd]    
192.168.56.11    etcd_name=etcd-1
192.168.56.12    etcd_name=etcd-2
192.168.56.13    etcd_name=etcd-3
        
[lb]
192.168.56.11    lb_name=lb-master
192.168.56.12    lb_name=lb-backup
192.168.56.13    lb_name=lb-backup

[k8s:children] 
master
node

修改group_vars/all.yml文件，修改软件包目录和证书可信任IP。

# vim group_vars/all.yml

# 相关目录 
tools_dir: '/root/binary_tools'         # 二进制文件存放目录
etcd_work_dir: '/opt/etcd'              # ETCD工作目录
k8s_work_dir: '/opt/k8s'                # K8S master节点工作目录
k8s_node_dir: '/opt/k8s_node'           # K8S node节点工作目录
home_dir: '/root'                       # 用户home目录
tmp_dir: '/tmp/k8s'                     # 临时目录

# 时间同步服务器
time_server: '192.168.56.118'

# crontab文件
cron: /var/spool/cron/root

# 安装docker
docker: docker

# 集群网络
service_cidr: '10.96.0.0/16'            # service网段
cluster_first_ip: '10.96.0.1'           # service网段第一个IP
cluster_dns: '10.96.0.10'               # dns IP
pod_cidr: '172.16.0.0/16'               # pod网段
service_nodeport_range: '30000-32767'   # 端口范围
cluster_domain: 'cluster.local'         # 集群域名

# bootstrap信息
token_id: c8ad9c
token_secret: 2e4d610cf3e7426e

5、一键部署

架构图

部署命令

ansible-playbook -i hosts deploy.yml -uroot -k

集群清理命令clean

ansible-playbook -i hosts clean.yml -uroot -k

6、部署控制

如果安装某个阶段失败，可针对性测试.

例如：只运行部署插件

ansible-playbook -i hosts deploy.yml -uroot -k --tags addons

7、注意事项

1 验证集群

安装集群之后，第一时间先验证集群是否正常

创建一个pod

cat<

验证

# kubectl exec  busybox -n default -- nslookup kubernetes
Server:    10.96.0.10
Address 1: 10.96.0.10 kube-dns.kube-system.svc.cluster.local

Name:      kubernetes
Address 1: 10.96.0.1 kubernetes.default.svc.cluster.local
# kubectl exec  busybox -n default -- nslookup kube-dns.kube-system
Server:    10.96.0.10
Address 1: 10.96.0.10 kube-dns.kube-system.svc.cluster.local

Name:      kube-dns.kube-system
Address 1: 10.96.0.10 kube-dns.kube-system.svc.cluster.local

2 kubelet报错

如果之前有部署过k8s集群，再次部署有可能部署不成功的情况，报错信息一般是kubelet报错，需要删除节点的/var/lib/kubelet目录，然后再删除的时候报错，无法删除，则可以通过以下方法删除：

无法删除/var/lib/kubelet目录

[root@k8s-node2 k8s_node]# rm -rf /var/lib/kubelet
rm: cannot remove ‘/var/lib/kubelet/pods/0552a913-ea4a-4b91-84a7-87ca6d9f8611/volumes/kubernetes.io~secret/etcd-certs’: Device or resource busy
rm: cannot remove ‘/var/lib/kubelet/pods/0552a913-ea4a-4b91-84a7-87ca6d9f8611/volumes/kubernetes.io~secret/calico-node-token-7jrks’: Device or resource busy
rm: cannot remove ‘/var/lib/kubelet/pods/ea2b55a3-0891-4965-a64d-2f27b7d29bf6/volumes/kubernetes.io~secret/etcd-certs’: Device or resource busy
rm: cannot remove ‘/var/lib/kubelet/pods/ea2b55a3-0891-4965-a64d-2f27b7d29bf6/volumes/kubernetes.io~secret/calico-kube-controllers-token-sgpr9’: Device or resource busy
rm: cannot remove ‘/var/lib/kubelet/pods/cc699261-f1a5-4c8d-913f-9af943bc4117/volumes/kubernetes.io~secret/coredns-token-rnb5t’: Device or resource busy
rm: cannot remove ‘/var/lib/kubelet/pods/4533016b-95bf-4376-a3a0-57d8c2b37fc8/volumes/kubernetes.io~secret/kubernetes-dashboard-token-nzqr8’: Device or resource busy
rm: cannot remove ‘/var/lib/kubelet/pods/2b1e0ff1-23e7-412a-a1f3-a6b6d8c5c991/volumes/kubernetes.io~secret/kubernetes-dashboard-certs’: Device or resource busy
rm: cannot remove ‘/var/lib/kubelet/pods/2b1e0ff1-23e7-412a-a1f3-a6b6d8c5c991/volumes/kubernetes.io~secret/kubernetes-dashboard-token-nzqr8’: Device or resource busy

查看挂载信息

[root@k8s-node2 k8s_node]# df -HT | grep '/var/lib/kubelet/pods'
tmpfs                   tmpfs     1.5G     0  1.5G   0% /var/lib/kubelet/pods/0552a913-ea4a-4b91-84a7-87ca6d9f8611/volumes/kubernetes.io~secret/etcd-certs
tmpfs                   tmpfs     1.5G   13k  1.5G   1% /var/lib/kubelet/pods/0552a913-ea4a-4b91-84a7-87ca6d9f8611/volumes/kubernetes.io~secret/calico-node-token-7jrks
tmpfs                   tmpfs     1.5G   13k  1.5G   1% /var/lib/kubelet/pods/cc699261-f1a5-4c8d-913f-9af943bc4117/volumes/kubernetes.io~secret/coredns-token-rnb5t
tmpfs                   tmpfs     1.5G   13k  1.5G   1% /var/lib/kubelet/pods/ea2b55a3-0891-4965-a64d-2f27b7d29bf6/volumes/kubernetes.io~secret/etcd-certs
tmpfs                   tmpfs     1.5G   13k  1.5G   1% /var/lib/kubelet/pods/ea2b55a3-0891-4965-a64d-2f27b7d29bf6/volumes/kubernetes.io~secret/calico-kube-controllers-token-sgpr9
tmpfs                   tmpfs     1.5G     0  1.5G   0% /var/lib/kubelet/pods/2b1e0ff1-23e7-412a-a1f3-a6b6d8c5c991/volumes/kubernetes.io~secret/kubernetes-dashboard-certs
tmpfs                   tmpfs     1.5G   13k  1.5G   1% /var/lib/kubelet/pods/2b1e0ff1-23e7-412a-a1f3-a6b6d8c5c991/volumes/kubernetes.io~secret/kubernetes-dashboard-token-nzqr8
tmpfs                   tmpfs     1.5G   13k  1.5G   1% /var/lib/kubelet/pods/4533016b-95bf-4376-a3a0-57d8c2b37fc8/volumes/kubernetes.io~secret/kubernetes-dashboard-token-nzqr8

umount这些挂在，然后再删除

[root@k8s-node2 k8s_node]# umount $(df -HT | grep '/var/lib/kubelet/pods' | awk '{print $7}')

# 已查不到挂载信息，再次删除目录则不再报错
[root@k8s-node2 k8s_node]# df -HT | grep '/var/lib/kubelet/pods'