从零开始：Kubernetes 集群的搭建与配置指南，超详细，保姆级教程

从零开始搭建Kubernetes (K8s) 集群

在这篇博客中，我们将详细介绍如何从零开始搭建 Kubernetes (K8s) 集群。本文涵盖了准备工作、安装必要组件、部署 K8s 的 Master 和 Node 节点，以及网络插件的配置。需要注意的是，由于 Kubernetes 版本迭代较快，某些组件可能无法向下兼容，请根据实际情况进行安装。

部署方式

目前生产部署 Kubernetes 集群主要有两种方式：

1. kubeadm：

   • kubeadm 是一个 K8s 部署工具，提供了 kubeadm init 和 kubeadm join，用于快速部署 K8s 集群。
   • 官网地址: Kubeadm | Kubernetes

2. 二进制包：

   • 从 GitHub 下载发行版的二进制包，手动部署每个组件，组成 K8s 集群。
   • 虽然 kubeadm 降低了部署门槛，但屏蔽了很多细节，遇到问题时较难排查。如果想要更灵活和可控，推荐使用二进制包部署 K8s 集群，虽然手动部署麻烦，但可以学到更多工作原理，也有利于后期维护。

本文教程主要是展示kubeadm工具搭建kubernetes集群的过程。

准备工作（所有节点）

在开始部署之前，我们需要对所有节点进行以下准备工作。

1. 关闭防火墙

# 关闭防火墙
systemctl stop firewalld

# 禁止防火墙开机自启
systemctl disable firewalld

2. 关闭 SELinux

# 永久关闭 SELinux
sed -i 's/enforcing/disabled/' /etc/selinux/config

# 重启系统使更改生效
reboot

# 临时关闭 SELinux
setenforce 0

3. 关闭 Swap 分区

# 永久关闭 Swap 分区
sed -ri 's/.*swap.*/#&/' /etc/fstab

# 重启系统
reboot

# 临时关闭 Swap 分区
swapoff -a

注：

在搭建 Kubernetes 集群之前关闭防火墙、SELinux（Security-Enhanced Linux）以及禁用 swap 分区通常有以下原因：

1. 防火墙：
   - Kubernetes 集群中的各个节点需要通过一系列网络端口进行通信，包括 API 服务器、kubelet、etcd 等。关闭防火墙可以避免阻碍节点之间的网络通信，确保集群的正常运行。
   - 在生产环境中，建议使用网络策略（Network Policies）来限制 Pod 之间和 Pod 与外部的网络通信，而不是完全关闭防火墙。

2. SELinux：
   - SELinux 是一个 Linux 内核的安全模块，用于强化系统的安全性。但是，它有时会与 Kubernetes 组件和容器运行时产生冲突，导致权限问题和功能受限。
   - 关闭 SELinux 可以简化 Kubernetes 集群的配置和维护，避免潜在的权限问题。

3. 禁用 Swap 分区：
   - Kubernetes 对内存的管理和调度依赖于 Linux 内核的内存管理机制。Swap 分区的存在可能导致内存调度行为不稳定，从而影响容器的性能和稳定性。
   - Kubernetes 官方建议在所有集群节点上禁用 swap 分区，以确保容器可以充分利用主机的物理内存，并避免因为交换空间导致的性能问题。

虽然关闭防火墙、SELinux 和禁用 swap 分区可以简化 Kubernetes 的搭建和维护，但同时也会降低系统的安全性。在生产环境中，建议根据安全策略来适当配置防火墙规则，并针对 SELinux 进行合适的配置，以确保系统安全性和 Kubernetes 的正常运行。

4. 设置主机名

# 设置主机名（以 node1 为例）
hostnamectl set-hostname node1

# 或者直接修改 /etc/hostname 文件，内容为：
node1

在每个节点上添加 hosts 文件的配置：

cat >> /etc/hosts << EOF
10.154.22.10 Ubuntu-Server
10.152.193.47 k8sNode1
10.152.193.47 k8sNode2
10.152.193.47 k8sNode3
10.152.193.47 k8sNode4
10.152.193.47 k8sNode5
10.152.193.47 k8sNode6
...
EOF

5. 配置网络设置

为所有节点添加网桥过滤和地址转发功能：

cat > /etc/sysctl.d/k8s.conf << EOF
net.bridge.bridge-nf-call-ip6tables = 1
net.bridge.bridge-nf-call-iptables = 1
net.ipv4.ip_forward = 1
vm.swappiness = 0
EOF

# 加载 br_netfilter 模块
modprobe br_netfilter

# 查看是否加载成功
lsmod | grep br_netfilter

# 应用新的配置
sysctl --system

所有节点执行时间同步：

# 启动chronyd服务
systemctl start chronyd
systemctl enable chronyd
date  

6. 安装 IPVS（可选，非必须）

安装 ipset 和 ipvsadm 在搭建 Kubernetes 集群中通常是为了使用 IPVS（IP Virtual Server）模式作为 Kubernetes 的服务代理模式。IPVS 是一种高性能的四层负载均衡器，可以提供更高的性能和更低的延迟，特别是在大规模的服务负载下。

以下是在每个节点上安装 ipset 和 ipvsadm 的步骤：

1. 安装ipset：

   • 在大多数 Linux 发行版中，ipset 包是作为软件包管理系统的一部分提供的，可以直接使用包管理器进行安装。例如，在基于 Debian/Ubuntu 的系统中，可以使用 apt 包管理器安装：

     sudo apt update
     sudo apt install ipset
     

   • 对于基于 CentOS/RHEL 的系统，可以使用 yum 包管理器安装：

     sudo yum install ipset
     

2. 安装ipvsadm：

   • 同样地，ipvsadm 通常也是作为软件包提供的，可以使用相应的包管理器进行安装。在 Debian/Ubuntu 中可以使用 apt：

     sudo apt update
     sudo apt install ipvsadm
     

   • 在 CentOS/RHEL 中可以使用 yum：

     sudo yum install ipvsadm
     

3. 确认安装：

   • 安装完成后，可以通过运行以下命令来验证 ipset 和 ipvsadm 是否已成功安装：

     ipset --version
     ipvsadm --version
     

   • 如果成功安装，会显示相应的软件包版本信息。

安装完 ipset 和 ipvsadm后，你可以将 Kubernetes 的服务代理模式设置为 IPVS。在使用 kubeadm 初始化集群时，可以通过传递 --feature-gates=SupportIPVSProxyMode=true 参数来启用 IPVS 代理模式。

请注意，在使用 IPVS 作为服务代理模式时，你需要确保所使用的内核支持 IPVS 并且相关的内核模块已加载。

完整步骤命令：

# 安装 ipset 和 ipvsadm
sudo apt update
sudo apt install ipset ipvsadm

# 验证安装
ipset --version
ipvsadm --version

安装 Docker、kubeadm、kubelet 和 kubectl

1. 安装 Docker

参考 Docker 官方文档 进行安装：

# 移除旧版本
for pkg in docker.io docker-doc docker-compose docker-compose-v2 podman-docker containerd runc; do sudo apt-get remove $pkg; done

# 安装必要的依赖
sudo apt-get update
sudo apt-get install ca-certificates curl

# 添加 Docker 的 GPG 密钥和软件源
sudo install -m 0755 -d /etc/apt/keyrings
sudo curl -fsSL https://download.docker.com/linux/ubuntu/gpg -o /etc/apt/keyrings/docker.asc
sudo chmod a+r /etc/apt/keyrings/docker.asc
echo "deb [arch=$(dpkg --print-architecture) signed-by=/etc/apt/keyrings/docker.asc] https://download.docker.com/linux/ubuntu $(. /etc/os-release && echo "$VERSION_CODENAME") stable" | sudo tee /etc/apt/sources.list.d/docker.list > /dev/null
sudo apt-get update

# 安装 Docker
sudo apt-get install docker-ce docker-ce-cli containerd.io docker-buildx-plugin docker-compose-plugin

# 启动 Docker 并设置开机自启
sudo systemctl start docker
sudo systemctl enable docker

# 设置 Docker 镜像加速器
sudo mkdir -p /etc/docker
sudo tee /etc/docker/daemon.json <<-'EOF'
{
  "exec-opts": ["native.cgroupdriver=systemd"],
  "registry-mirrors": ["https://b9pmyelo.mirror.aliyuncs.com"]
}
EOF

# 重新加载 Docker 配置
sudo systemctl daemon-reload
sudo systemctl restart docker

#验证加速器是否生效。使用以下命令验证 Docker 是否使用了国内镜像加速器：
docker info

2. 安装 cri-docker

由于 1.24 以及更高版本的 Kubernetes 不支持 Docker，所以需要安装 cri-docker：

注：但如果使用containerd作为容器运行时，则不需要这部分配置。或者打算使用其他 CRI 插件，可以跳过 cri-docker 的安装部分

# 下载 cri-docker
wget https://ghproxy.com/https://github.com/Mirantis/cri-dockerd/releases/download/v0.2.5/cri-dockerd-0.2.5.amd64.tgz 

# 解压并安装
tar xvf cri-dockerd-0.2.5.amd64.tgz 
sudo cp cri-dockerd/cri-dockerd /usr/bin/

# 配置 cri-docker 服务
cat > /usr/lib/systemd/system/cri-docker.service <<EOF 
[Unit]
Description=CRI Interface for Docker Application Container Engine
Documentation=https://docs.mirantis.com
After=network-online.target firewalld.service docker.service
Wants=network-online.target
Requires=cri-docker.socket

[Service]
Type=notify
ExecStart=/usr/bin/cri-dockerd --network-plugin=cni --pod-infra-container-image=registry.aliyuncs.com/google_containers/pause:3.7
ExecReload=/bin/kill -s HUP $MAINPID
TimeoutSec=0
RestartSec=2
Restart=always
StartLimitBurst=3
StartLimitInterval=60s
LimitNOFILE=infinity
LimitNPROC=infinity
LimitCORE=infinity
TasksMax=infinity
Delegate=yes
KillMode=process

[Install]
WantedBy=multi-user.target
EOF

# 配置 cri-docker socket
cat > /usr/lib/systemd/system/cri-docker.socket <<EOF 
[Unit]
Description=CRI Docker Socket for the API
PartOf=cri-docker.service

[Socket]
ListenStream=%t/cri-dockerd.sock
SocketMode=0660
SocketUser=root
SocketGroup=docker

[Install]
WantedBy=sockets.target
EOF

# 启动 cri-docker
systemctl daemon-reload 
systemctl enable cri-docker --now

3. 安装 kubeadm、kubelet 和 kubectl

添加 Kubernetes 的 APT 软件源：

curl -fsSL https://pkgs.k8s.io/core:/stable:/v1.28/deb/Release.key | sudo gpg --dearmor -o /etc/apt/keyrings/kubernetes-apt-keyring.gpg
echo 'deb [signed-by=/etc/apt/keyrings/kubernetes-apt-keyring.gpg] https://pkgs.k8s.io/core:/stable:/v1.28/deb/ /' | sudo tee /etc/apt/sources.list.d/kubernetes.list

更新包索引并安装 kubeadm、kubelet 和 kubectl：

sudo apt update
sudo apt install -y kubelet kubeadm kubectl

# 启动 kubelet 并设置开机自启
sudo systemctl start kubelet
sudo systemctl enable kubelet

# 配置 kubectl 环境变量
echo 'export KUBECONFIG=/etc/kubernetes/admin.conf' >> ~/.bashrc
source ~/.bashrc

部署 Kubernetes 的 Master 节点

1. 初始化 Master 节点

kubeadm init \
  --apiserver-advertise-address=10.154.22.10 \
  --image-repository registry.aliyuncs.com/google_containers \
  --kubernetes-version $(kubeadm version -o short) \
  --service-cidr=10.96.0.0/12 \
  --pod-network-cidr=10.244.0.0/16 \
  --cri-socket unix:///var/run/cri-dockerd.sock

在 --apiserver-advertise-address 参数中指定 Master 节点的 IP 地址，--pod-network-cidr 参数用于指定 Pod 网络的 IP 地址段，--cri-socket参数用于指定所使用的容器运行时。

看到successfully就是成功了，先不要急着关掉页面，下面会有加入节点的命令，记得复制，就是有token的那句。

2. 设置

kubectl 访问权限
完成初始化后，kubeadm init 会生成一个 kubeconfig 文件，保存在 /etc/kubernetes/admin.conf。你需要将这个文件复制到你想要使用 kubectl 的用户的 ~/.kube 目录下。
在 kubeadm init 命令成功执行后，会提示如何设置 kubectl 访问权限，复制并执行以下命令：

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

3. 配置网络插件

配置网络插件

在 Kubernetes 集群中，网络插件负责管理 Pod 之间的网络通信。常见的网络插件包括 Flannel、Calico 和 Weave Net。以下是几种网络插件的简单介绍及其配置方法。

1. Flannel：

   • Flannel 是一种简单且常用的网络插件，适用于对网络性能要求不高的场景。
   • 部署 Flannel：

   kubectl apply -f https://raw.githubusercontent.com/coreos/flannel/master/Documentation/kube-flannel.yml
   

2. Calico：

   • Calico 提供了高级的网络策略支持和更强的网络安全性，是生产环境中常见的选择。
   • 部署 Calico：

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

3. Weave Net：

   • Weave Net 支持跨数据中心的网络方案，并且配置相对简单。
   • 部署 Weave Net：

   kubectl apply -f https://cloud.weave.works/k8s/net?k8s-version=$(kubectl version | base64 | tr -d '\n')
   

根据具体需求和使用场景选择合适的网络插件，并按上述命令进行配置。

如果选择的是Flannel插件，执行完 kube-flannel.yml 后，可以使用以下命令查看 Pod 状态：

kubectl get pods -n kube-system

4. 加入其他节点

在 Master 节点完成初始化后，使用输出的 kubeadm join 命令在其他节点上加入集群。例如：

kubeadm join 10.154.22.10:6443 --token <token> \
    --discovery-token-ca-cert-hash sha256:<hash> \
    --cri-socket unix:///var/run/cri-dockerd.sock

默认的token有效期为24小时，当过期之后，该token就不能用了，这时可以使用如下的命令创建token：

kubeadm token create --print-join-command

在所有节点加入集群后，可以使用以下命令查看节点状态：

kubectl get nodes

如果有nodes的STATUS没有Ready，可以使用kubectl describe node 命令来看具体节点的详细信息，看Conditions: 节点当前的状态和条件和Events: 发生在节点上的事件记录，这两项来排查错误。

如果顺利的话，现在k8s集群已经搭建完成了，可以拉个pod测试一下~

常见问题排查

在搭建 Kubernetes 集群的过程中，可能会遇到一些常见的错误。以下列出了一些可能遇到的问题及其解决方法。

1. 问题1：kubeadm init 失败，提示镜像拉取失败

   • 原因：Kubernetes 需要拉取特定版本的镜像，如果无法访问默认的 Google 镜像仓库，可能会导致镜像拉取失败。
   • 解决方案：
     • 使用国内的镜像仓库，如阿里云镜像仓库：

     kubeadm init \
       --apiserver-advertise-address=10.154.22.10 \
       --image-repository registry.aliyuncs.com/google_containers \
       --kubernetes-version $(kubeadm version -o short) \
       --service-cidr=10.96.0.0/12 \
       --pod-network-cidr=10.244.0.0/16 \
       --cri-socket unix:///var/run/cri-dockerd.sock
     

2. 问题2：Node 无法加入集群

   • 原因：节点加入时可能会由于网络问题或令牌过期等原因失败。
   • 解决方案：
     • 检查 Master 节点的防火墙设置，确保 6443 端口是开放的。
     • 如果令牌过期，重新生成一个加入令牌并重新尝试加入：

     kubeadm token create --print-join-command
     

     这条命令会生成新的加入命令，直接在 Node 上执行即可。

3. 问题3：Pod 网络无法通信

   • 原因：可能是网络插件未正确部署或配置错误。
   • 解决方案：
     • 确认网络插件是否成功部署，并使用 kubectl get pods -n kube-system 检查插件状态。
     • 如果使用 Flannel，检查 kube-flannel.yml 配置文件中的 pod-network-cidr 设置是否与 kubeadm init 中的一致。

如果遇到其他问题，也可以参考 Kubernetes 官方文档或社区资源进行排查。

注：因版本迭代，设备差异，环境不同，等等奇怪的原因，搭建过程很可能出现bug，报错之类的，（建议谷歌搜搜）还是要具体问题具体分析，根据实际情况来搭建。

参考列表

1. Kubernetes 官方文档：

   • Kubernetes Documentation
   • 用于了解和配置 Kubernetes 的集群设置、网络插件等相关内容。

2. 阿里云容器镜像服务：

   • 阿里云容器镜像服务
   • 提供了如何在国内通过阿里云加速拉取 Kubernetes 镜像的指导。

3. kube-flannel 网络插件文档：

   • Flannel GitHub Repository
   • 参考了有关 Flannel 网络插件的配置方法和注意事项。

4. Calico 网络插件文档：

   • Calico Documentation
   • 提供了如何安装和配置 Calico 作为 Kubernetes 网络插件的详细说明。

5. Weave Net 文档：

   • Weave Net Documentation
   • 介绍了 Weave Net 网络插件的安装和配置步骤。

6. Container Network Interface (CNI) 插件介绍：

   • CNI Plugins Documentation
   • 用于了解 Kubernetes 中使用的 CNI 插件及其配置选项。

7. 从零搭建k8s集群 - 许大仙 - 博客园 (cnblogs.com)

8. kubernetes(k8s)集群超级详细超全安装部署手册 - 知乎 (zhihu.com)

9. Kubernetes最新版2023.07v1.27.4安装和集群搭建保姆级教程 - 知乎 (zhihu.com)

10. Kubernetes 1.24 1.25 集群使用docker作为容器

总结

本文详细讲解了如何从零开始搭建一个 Kubernetes 集群。希望本文对您的学习和工作有所帮助。

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