46、Kubernetes 集群搭建与容器部署全攻略

Kubernetes 集群搭建与容器部署全攻略

1. 前置准备

在搭建 Kubernetes 集群之前，需要在每台服务器上完成以下操作：
1. 安装 containerd。
2. 创建 /etc/containerd/config.toml 文件，并设置 cgroup 驱动。
3. 禁用交换分区。
4. 添加 /etc/modules-load.d/k8s.conf 文件，其中包含 br_netfilter 模块。
5. 编辑 /etc/sysctl.conf 文件以启用桥接。

完成上述操作后，重启所有节点：

sudo reboot

2. 安装 Kubernetes

节点重启完成后，开始安装 Kubernetes 所需的软件包。
1. 添加仓库密钥 ：

sudo curl -fsSLo /usr/share/keyrings/kubernetes-archive-keyring.gpg https://packages.cloud.google.com/apt/doc/apt-key.gpg

2. 添加仓库 ：

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

3. 更新本地索引 ：

sudo apt update

4. 安装 Kubernetes 软件包 ：

sudo apt install kubeadm kubectl kubelet

这三个软件包的作用如下：
| 软件包 | 作用 |
| ---- | ---- |
| kubeadm | 用于初始化新集群、将节点加入现有集群以及升级集群版本。 |
| kubectl | 提供 Kubernetes 命令行工具，用于与集群交互和管理。 |
| kubelet | 作为节点间通信的代理，还暴露 API 端点以实现额外的通信和功能。 |

3. 初始化集群

在指定为控制器的节点上运行以下命令初始化集群：

sudo kubeadm init --control-plane-endpoint=172.16.250.216 --node-name controller --pod-network-cidr=10.244.0.0/16

参数说明 ：
- --control-plane-endpoint ：应设置为服务器的实际 IP 地址。
- --node-name ：设置为控制器节点的主机名。
- --pod-network-cidr ：这是 Pod 网络的 IP 方案，通常不需要更改。

初始化成功后，终端会输出一个加入集群的命令，将其复制并妥善保存。同时，还会有三个额外的命令需要在控制器节点上运行，将它们依次复制到终端执行。

4. 部署覆盖网络

使用以下命令部署 Flannel 覆盖网络，使集群更稳定：

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

5. 加入工作节点

在工作节点上执行之前保存的加入集群命令：

sudo kubeadm join 172.16.250.216:6443 --token zu5u3x.p45x0qkjl37ine6i \
    --discovery-token-ca-cert-hash sha256...1360c

6. 验证节点状态

在控制器节点上使用以下命令验证节点状态：

kubectl get nodes

当所有节点的状态都为 Ready 时，集群搭建完成。

7. 部署容器

使用 Kubernetes 部署容器需要创建 YAML 文件，以下是一个部署 NGINX 容器的示例：

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: nginx-example
  labels:
    app: nginx
spec:
  containers:
    - name: nginx
      image: linuxserver/nginx
      ports:
        - containerPort: 80
          name: "nginx-http"

文件说明 ：
- apiVersion 和 kind ：指定 API 版本和部署类型，这里是 Pod。
- metadata ：设置 Pod 的名称和标签。
- spec ：指定要运行的容器及其配置。

假设将 YAML 文件命名为 pod.yml ，在控制器节点上使用以下命令部署容器：

kubectl apply -f pod.yml

8. 检查容器状态

使用以下命令检查容器部署状态：

kubectl get pods

若要查看更多信息，可添加 -o wide 选项：

kubectl get pods -o wide

9. 访问容器应用

使用 Pod 的 IP 地址访问容器内运行的应用：

curl 10.244.1.2

若 curl 命令不可用，可先安装：

sudo apt install curl

10. 创建 NodePort 服务

为了让外部设备能够访问集群内的应用，创建 NodePort 服务：

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: nginx-example
spec:
  type: NodePort
  ports:
    - name: http
      port: 80
      nodePort: 30080
      targetPort: nginx-http
  selector:
    app: nginx

文件说明 ：
- kind ：指定为 Service。
- type ：设置为 NodePort。
- ports ：将 Pod 内的端口 80 映射到集群节点的端口 30080。
- selector ：选择要暴露的 Pod。

假设将 YAML 文件命名为 service-nodeport.yml ，使用以下命令部署服务：

kubectl apply -f service-nodeport.yml

11. 验证服务状态

使用以下命令检查服务状态：

kubectl get service

在局域网内的机器上，使用浏览器访问控制器节点或工作节点的 IP 地址和端口 30080，即可看到 NGINX 的默认页面。

流程图

graph LR
    A[前置准备] --> B[安装 Kubernetes]
    B --> C[初始化集群]
    C --> D[部署覆盖网络]
    D --> E[加入工作节点]
    E --> F[验证节点状态]
    F --> G[部署容器]
    G --> H[检查容器状态]
    H --> I[访问容器应用]
    I --> J[创建 NodePort 服务]
    J --> K[验证服务状态]

通过以上步骤，你可以成功搭建 Kubernetes 集群并部署容器，同时实现外部设备对集群内应用的访问。

Kubernetes 集群搭建与容器部署全攻略

12. 深入理解 NodePort 服务

NodePort 服务是一种将 Kubernetes Pod 内部端口暴露到集群节点端口的方式，它允许外部设备通过集群节点的 IP 和指定的 NodePort 访问 Pod 中的应用。以下是 NodePort 服务的一些关键特性和注意事项：
- 端口范围 ：NodePort 服务使用的端口范围是 30000 - 32767。在创建服务时，需要在这个范围内选择一个未被使用的端口。
- 集群范围 ：NodePort 服务的端口映射是集群范围的，这意味着可以使用任何集群节点的 IP 地址和 NodePort 访问 Pod 中的应用。
- 安全性 ：由于 NodePort 服务将端口暴露到了外部网络，因此需要注意安全性。建议在防火墙中限制对 NodePort 的访问，只允许特定的 IP 地址或网段访问。

13. 服务发现与负载均衡

在 Kubernetes 集群中，服务发现和负载均衡是非常重要的功能。Kubernetes 提供了内置的服务发现机制，通过 DNS 解析来实现。当创建一个服务时，Kubernetes 会为其分配一个 DNS 名称，其他 Pod 可以通过该名称访问服务。

例如，在前面创建的 nginx-example 服务中，可以通过 nginx-example 这个 DNS 名称访问该服务。以下是一个简单的示例，展示如何在另一个 Pod 中使用 DNS 名称访问 nginx-example 服务：

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: test-pod
spec:
  containers:
    - name: test-container
      image: busybox
      command: ['sh', '-c', 'wget -O - http://nginx-example']

在这个示例中， test-pod 中的 test-container 会尝试通过 http://nginx-example 访问 nginx-example 服务。

14. 持久化存储

在实际应用中，很多应用需要持久化存储来保存数据。Kubernetes 提供了多种持久化存储解决方案，如 PersistentVolume（PV）和 PersistentVolumeClaim（PVC）。

以下是一个简单的示例，展示如何创建一个 PV 和 PVC：

# 创建 PersistentVolume
apiVersion: v1
kind: PersistentVolume
metadata:
  name: my-pv
spec:
  capacity:
    storage: 1Gi
  accessModes:
    - ReadWriteOnce
  hostPath:
    path: /data/my-pv

# 创建 PersistentVolumeClaim
apiVersion: v1
kind: PersistentVolumeClaim
metadata:
  name: my-pvc
spec:
  accessModes:
    - ReadWriteOnce
  resources:
    requests:
      storage: 1Gi

在创建 PV 和 PVC 后，可以将 PVC 挂载到 Pod 中，实现数据的持久化存储：

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: my-pod
spec:
  containers:
    - name: my-container
      image: nginx
      volumeMounts:
        - name: my-volume
          mountPath: /data
  volumes:
    - name: my-volume
      persistentVolumeClaim:
        claimName: my-pvc

15. 滚动更新与回滚

Kubernetes 支持滚动更新和回滚功能，这使得在更新应用时可以平滑过渡，减少对用户的影响。以下是一个简单的示例，展示如何进行滚动更新和回滚：

# 创建一个 Deployment
kubectl create deployment nginx-deployment --image=nginx:1.14.2

# 进行滚动更新，将镜像版本更新为 1.16.1
kubectl set image deployment/nginx-deployment nginx=nginx:1.16.1

# 查看滚动更新状态
kubectl rollout status deployment/nginx-deployment

# 回滚到上一个版本
kubectl rollout undo deployment/nginx-deployment

16. 监控与日志

为了确保 Kubernetes 集群的稳定运行，需要对集群进行监控和日志管理。以下是一些常用的监控和日志工具：
- Prometheus ：用于收集和存储指标数据。
- Grafana ：用于可视化监控数据。
- Elasticsearch + Logstash + Kibana（ELK） ：用于收集、存储和分析日志数据。

以下是一个简单的示例，展示如何使用 Prometheus 和 Grafana 监控 Kubernetes 集群：
1. 安装 Prometheus ：可以使用 Helm 安装 Prometheus：

helm repo add prometheus-community https://prometheus-community.github.io/helm-charts
helm install prometheus prometheus-community/kube-prometheus-stack

2. 安装 Grafana ：同样使用 Helm 安装 Grafana：

helm repo add grafana https://grafana.github.io/helm-charts
helm install grafana grafana/grafana

3. 配置 Grafana ：登录 Grafana 控制台，添加 Prometheus 数据源，并导入 Kubernetes 相关的仪表盘模板。

17. 总结

通过以上步骤，我们详细介绍了 Kubernetes 集群的搭建、容器部署、服务管理、持久化存储、滚动更新、监控与日志等方面的内容。Kubernetes 是一个强大的容器编排平台，它提供了丰富的功能和工具，帮助我们更高效地管理和部署应用。

在实际应用中，还需要根据具体的需求和场景进行进一步的优化和调整。例如，根据应用的负载情况调整资源分配，根据安全需求配置网络策略等。

总结表格

功能	描述	命令示例
服务发现	通过 DNS 解析实现服务发现	在 Pod 中使用服务的 DNS 名称访问服务
持久化存储	使用 PV 和 PVC 实现持久化存储	kubectl create -f pv.yaml 和 kubectl create -f pvc.yaml
滚动更新	平滑更新应用版本	kubectl set image deployment/nginx-deployment nginx=nginx:1.16.1
回滚	回滚到上一个应用版本	kubectl rollout undo deployment/nginx-deployment
监控与日志	使用 Prometheus 和 Grafana 监控集群	helm install prometheus prometheus-community/kube-prometheus-stack 和 helm install grafana grafana/grafana

流程图

graph LR
    A[深入理解 NodePort 服务] --> B[服务发现与负载均衡]
    B --> C[持久化存储]
    C --> D[滚动更新与回滚]
    D --> E[监控与日志]
    E --> F[总结]

通过以上的步骤和介绍，你可以全面掌握 Kubernetes 集群的搭建和管理，为实际应用提供坚实的基础。