Kubernetes使用集群联邦实现多集群管理

作者介绍:有容云系统工程师 吕龙。

Kubernetes在1.3版本之后,增加了“集群联邦”Federation的功能。这个功能使企业能够快速有效的、低成本的跨区跨域、甚至在不同的云平台上运行集群。这个功能可以按照地理位置创建一个复制机制,将多个kubernetes集群进行复制,即使遇到某个区域连接中断或某个数据中心故障,也会保持最关键的服务运行。在1.7版以后支持本地多个集群联邦管理,不需要使用依赖云平台。

一、Kubernetes集群联邦介绍

1、管理多個kubernetes集群

“集群联邦”在架构上同kubernetes集群很相似。有一个“集群联邦”的API server提供一个标准的Kubernetes API,并且通过etcd来存储状态。不同的是,一个通常的Kubernetes只是管理节点计算,而“集群联邦”管理所有的kubernetes集群。

2、跨集群服务发现

Kubernetes有一个标准的插件:kube-dns,这个插件可以在集群内部提供DNS服务,通过DNS解析service名字来访问kubernetes服务。Kubernetes服务是由一组kubernetesPOD组成的,这些POD是一些已经容器化了的应用,这些POD前面使用到了负载均衡器。假如我们有一个kubernetes集群,这个集群裡面有一个服务叫做mysql,这个服务是由一组mysql POD组成的。在这个kubernetes集群中,其他应用可以通过DNS来访问这个mysql服务。

集群联邦federation/v1beta1 API扩展基于DNS服务发现的功能。利用DNS,让POD可以跨集群、透明的解析服务。

3、跨集群调度

为了追求高可用性和更高的性能,集群联邦能够把不同POD指定给不同的Kubernetes集群中。集群联邦调度器将决定如何在不同kubernetes集群中分配工作负载。

通过跨集群调度,我们可以:

  • 跨kubernetes集群均匀的调度任务负载
  • 将各个kubernetes集群的工作负载进行最大化,如果当前kubernetes集群超出了承受能力,那麽将额外的工作负载路由到另一个比较空闲的kubernetes集群中
  • 根据应用地理区域需求,调度工作负载到不同的kubernetes集群中,对于不同的终端用户,提供更高的带宽和更低的延迟。

4、集群高可用,故障自动迁移

集群联邦可以跨集群冗馀部署,当某个集群所在区域出现故障时,并不影响整个服务。集群联邦还可以检测集群是否为不可用状态,如果发现某个集群为不可用状态时,可以将失败的任务重新分配给集群联邦中其他可用状态的集群上。

二、Kubernetes使用集群联邦实现多集群管理

1、系统环境及初始化

1.1 系统环境

功能组件 系统组件 系统版本 推荐配置 设备数量 备注
联邦集群控制平面 K8S+Federation CentOS 7.2 4核/8G/80G 2台 联邦集群控制平面
K8s集群01 Kubernetes master+node CentOS 7.2 4核/8G/80G 2台 联邦集群节点
K8s集群02 Kubernetes master+node CentOS 7.2 4核/8G/80G 2台 联邦集群节点

1.2 安装前准备

1.2.1 准备kubernetes组件镜像

Kubernetes1.7版本的集群与联邦集群功能的安装方式均为镜像安装,所有组件功能都使用官方提供的镜像来实现,由于官方镜像国内无法正常下载,需要提前准备好镜像或科学上。

网,具体镜像列表如下

序号 Kubernetes镜像 版本
1 gcr.io/google_containers/kube-proxy-amd64 v1.7.0
2 gcr.io/google_containers/kube-apiserver-amd64 v1.7.0
3 gcr.io/google_containers/kube-controller-manager-amd64 v1.7.0
4 gcr.io/google_containers/kube-scheduler-amd64 v1.7.0
5 gcr.io/google_containers/kube-aggregator v1.7.0
6 gcr.io/google_containers/k8s-dns-sidecar-amd64 1.14.4
7 gcr.io/google_containers/k8s-dns-kube-dns-amd64 1.14.4
8 gcr.io/google_containers/k8s-dns-dnsmasq-nanny-amd64 1.14.4
9 gcr.io/google_containers/etcd-amd64 3.0.17
10 quay.io/coreos/flannel v0.7.1-amd64
11 gcr.io/google_containers/pause-amd64 3.0
联邦集群镜像
1 gcr.io/google_containers/hyperkube-amd64 v1.7.0
2 docker.io/coredns/coredns 006
3 gcr.io/kubernetes-helm/tiller v2.1.3

 1.2.2 安装Docker 1.12

Kubernetes 1.7还没有针对docker 1.13上做测试和验证,所以这里安装Kubernetes官方推荐的Docker 1.12版本。

1.2.3 修改系统配置

创建/etc/sysctl.d/k8s.conf文件,添加如下内容:

net.bridge.bridge-nf-call-ip6tables = 1

net.bridge.bridge-nf-call-iptables = 1

执行sysctl -p /etc/sysctl.d/k8s.conf使修改生效。

在/etc/hostname中修改各节点的hostname,在/etc/hosts设置hostname对应ip:

192.168.5.13 test01.example.com

192.168.5.14 test02.example.com

关闭防火墙服务与禁用开机启动项

systemctl stop firewalld

systemctl disable firewalld

关闭SELINUX选项

setenforce 0

sed -i 's/SELINUX=enforcing/SELINUX=disabled/g'/etc/sysconfig/selinux

  1.2.4 安装Kuberadm与Kubelet

注意:该yum源需要科学才能正常安装

在每个节点安装kubeadm和kubelet:

cat <<EOF > /etc/yum.repos.d/kubernetes.repo
[kubernetes]
name=Kubernetes
baseurl=http://yum.kubernetes.io/repos/kubernetes-el7-x86_64
enabled=1
gpgcheck=1
repo_gpgcheck=1
gpgkey=https://packages.cloud.google.com/yum/doc/yum-key.gpg
       https://packages.cloud.google.com/yum/doc/rpm-package-key.gpg
EOF

安装kubeadm, kubelet, kubectl, kubernets-cni

yum install -y kubelet kubeadm kubectl kubernetes-cni

kubelet服务设置开机启动

systemctl enable kubelet.service

安装完成后初始化环境准备完成。

2、安装kubernetes集群

首先在一个节点上安装kubernetes作为master节点,将master节点参与集群调度.然后在该节点上安装联邦集群功能,作为联邦集群的控制平面。

   2.1 初始化集群

使用kubeadm初始化集群,选择node1作为Master,在node1上执行下面的命令:

注:因为我们选择flannel作为Pod网络插件,所以命令指定–pod-network-cidr=10.240.0.0/16

kubeadm init --kubernetes-version=v1.7.0 --pod-network-cidr=10.240.0.0/16 --apiserver-advertise-address=192.168.5.13

kubeadm init执行成功后输出下面的信息:

注:请保存好该信息,后续节点加入集群需要使用该命令.

You can now join any number of machines by running the following on each node
as root:
kubeadm join --token e7986d.e440de5882342711 192.168.5.13:6443

为了使用kubectl访问apiserver,在~/.bash_profile中追加下面的环境变量:

echo "export KUBECONFIG=/etc/kubernetes/admin.conf" >> /etc/profile
source /etc/profile

此时kubectl命令在master node上就好用了,查看一下当前机器中的Node:

kubectl get nodes
  NAME      STATUS     AGE       VERSION
  node0     Ready     3m         v1.7.0

 2.2 安装Pod网络组件

接下来安装flannel network add-on:

wget https://raw.githubusercontent.com/coreos/flannel/master/Documentation/kube-flannel-rbac.yml

wget https://raw.githubusercontent.com/coreos/flannel/master/Documentation/kube-flannel.yml

目前需要在kube-flannel.yml中使用–iface参数指定集群主机内网网卡的名称,否则可能会出现dns无法解析。需要将kube-flannel.yml下载到本地,flanneld启动参数加上–iface=<iface-name>

vi kube-flannel.yml
   command: [ "/opt/bin/flanneld", "--ip-masq", "--kube-subnet-mgr", "--iface=eth1" ]   //改为本机网卡名称

部署网络组件:

kubectl create -f kube-flannel-rbac.yml
kubectl apply -f kube-flannel.yml

确保所有的Pod都处于Running状态。

kubectl get pod --all-namespaces -o wide

使用下面的命令使Master Node参与工作负载:

kubectl taint nodes --all  node-role.kubernetes.io/master-

三、安装联邦集群组件

 3.1安装前配置修改

修改前先停止kubelet服务

vi /etc/kubernetes/manifests/etcd.yaml
   - --listen-client-urls=http://0.0.0.0:2379
   - --advertise-client-urls=http://0.0.0.0:2379
vi /etc/kubernetes/manifests/kube-apiserver.yaml
   - --insecure-port=8080
   - --insecure-bind-address=0.0.0.0

重启kubelet服务让etcd与apiserver监听端口生效

systemctl restart kubelet

3.2安装helm工具部署Coredns

curl https://raw.githubusercontent.com/kubernetes/helm/master/scripts/get > get_helm.sh
chmod 700 get_helm.sh
./get_helm.sh

修改RBAC临时访问权限

kubectl create clusterrolebinding add-on-cluster-admin --clusterrole=cluster-admin --serviceaccount=kube-system:default

创建coredns键值文件

cat <<EOF > /opt/Values.yaml
isClusterService: false
serviceType: "NodePort"
middleware:
  kubernetes:
    enabled: false
  etcd:
    enabled: true
    zones:
    - "example.com."
    endpoint: "http://192.168.5.13:2379"
EOF

初始化helm,并使用helm安装coredns组件

helm init
helm install --namespace default --name coredns -f /opt/Values.yaml stable/coredns

新建coredns配置文件

vi /root/coredns-provider.conf
[Global]
etcd-endpoints = http://192.168.0.51:2379
zones = example.com.

3.3添加kubernetes从节点

在kubernetes工作节点上初始安装后执行以下命令

kubeadm join --token e7986d.e440de5882342711 192.168.5.13:6443

在master节点查看节点状态

kubectl get nodes

重复上述步骤创建多个kubernetes集群,为联邦集群添加集群节点做准备。

3.4初始化联邦集群

kubefed init fellowship \
    --host-cluster-context=kubernetes-admin@kubernetes \
    --dns-provider="coredns" \
    --dns-zone-name="example.com." \
    --dns-provider-config="/root/coredns-provider.conf" \
    --apiserver-enable-basic-auth=true \
    --apiserver-enable-token-auth=true \
    --apiserver-arg-overrides="--anonymous-auth=false,--v=4" \
    --api-server-service-type="NodePort" \
    --api-server-advertise-address="192.168.5.13" \
--etcd-persistent-storage=false

初始化完成后集群联邦会在federation-system命名空间中创建两个POD

3.5其他kubernetes集群加入联邦集群

选择集群的context

kubectl config use-context fellowship   //fellowship为联邦初始化时创建

添加联邦集群文件

cat /home/tmp/c1.yaml
   apiVersion: federation/v1beta1
   kind: Cluster
   metadata:
 name: c1
   spec:
 serverAddressByClientCIDRs:
 - clientCIDR: 0.0.0.0/0
   serverAddress: http://192.168.15.53:8080
   cat /home/tmp/c2.yaml
   apiVersion: federation/v1beta1
   kind: Cluster
   metadata:
 name: c2
   spec:
serverAddressByClientCIDRs:
- clientCIDR: 0.0.0.0/0
  serverAddress: http://192.168.8.12:8080

添加集群到联邦

kubectl create -f c1.yaml
kubectl create -f c2.yaml

查看联邦集群状态

[root@test01 ~]# kubectl get cluster
NAME      STATUS     AGE
c1        Ready      2d
c2        Ready      2d

3.6通过联邦集群部署应用

通过联邦集群部署应用,需要在联邦集群控制平面的节点上,切换到联邦的context

kubectl config use-context fellowship   //fellowship为联邦初始化时创建

配置应用在分布在2个集群中

vi tomcat.yaml
apiVersion: exensions/v1beta1
kind: ReplicaSet
metadata:
  name: tomcat
  lables:
    app: tomcat
  annotaions:
    federation.kubernetes.io/replica-set-preferences:
        {
           "rebalance": true,
           "clusters": {
              "c1": {
             "weight": 1
          },
              "c2": {
             "weight": 1
          }
        }
    }
spec:
  replicas: 4
  template:
    metadata:
      labels:
        #region: tomcat
    app: tomcat
    spec:
      containers:
        - name: fed-tomcat
      image: 192.168.18.250:5002/admin/tomcat:v0.0.5
      resourcces:
        requests:
          cpu: 200M
          memory: 500Mi
      ports:
      - containerPort: 80

通过联邦创建应用,应用的4个实例按比例分布到2个集群中

[root@test01 ~]# kubectl create namespace default
namespace "default" created

[root@test01 ~]# kubectl create -f tomcat.yaml
replicaset "tomcat" created

[root@test01 ~]# kubectl get rs
NAME      DESIRED     CURRENT       AGE
tomcat    4            4             <invalid>

[root@test01 ~]# kubectl -s 192.168.15.53:8080 get pod
NAME           READY     STATUS       RESTARTS   AGE
tomcat-juywx  1/1       Running      0           33s
tomcat-siidb  1/1       Running      0           33s

[root@test01 ~]# kubectl -s 192.168.8.12:8080 get pod
NAME           READY     STATUS       RESTARTS   AGE
tomcat-sw437  1/1       Running      0           33s
tomcat-n7z74  1/1       Running      0           33s

集群联邦只支持以下几种类型资源的创建:

Cluster

ConfigMap

DaemonSets

Deployment

Events

Ingress

Namespaces

ReplicaSets

Secrets

Services