跨云厂商部署 k3s 集群

原文链接：https://fuckcloudnative.io/posts/deploy-k3s-cross-public-cloud/

最近一两年各大云服务商都出了各种福利活动，很多小伙伴薅了一波又一波羊毛，比如腾讯云 1C2G 95/年 真香系列，华为云和阿里云也都有类似的活动，薅个两三台就能搭建一个 Kubernetes 集群。但是跨云服务商搭建 Kubernetes 集群并不像我们想象中的那么容易，首先就是原生的 Kubernetes 组件本身对资源的消耗量很大，而云服务器的资源非常有限，经不起这么大家伙的折腾，对此我们可以选择使用轻量级 Kubernetes 发行版：k3s。

k3s 将安装 Kubernetes 所需的一切打包进仅有 60MB 大小的二进制文件中，并且完全实现了 Kubernetes API。为了减少运行 Kubernetes 所需的内存，k3s 删除了很多不必要的驱动程序，并用附加组件对其进行替换。由于它只需要极低的资源就可以运行，因此它能够在任何 512MB 内存以上的设备上运行集群。

其实 k3s 的安装非常简单，分分钟就能搞定，但对于公有云来说，还是有很多坑的，比如内网不通、公网 IP 不在服务器上该咋办？本文就为你一一解决这些难题，让天下的云羊毛都成为 k3s 的后宫！

1. 下载二进制文件

首先来解决第一个难题：k3s 二进制文件的下载。国内下载 GitHub 速度基本都是以几个 kb 为单位，不忍直视，如果下载内容都是代码，有很多办法可以解决，比如通过码云中转啊、直接通过 CDN 下载啊，什么？你不知道可以通过 CDN 下载？好吧没关系，现在我告诉你了：https://cdn.con.sh/。

但是上面的 CDN 并不能下载 release 里的内容，要想下载 release 里的内容，可以使用这个网站：https://toolwa.com/github/。打开网站，输入 release 里面的文件下载链接，点击起飞即可加速下载。

当然，如果你会魔法上网的话，上面的所有花里胡哨的方法都可以无视，直接下载就好啦（本文选择使用版本 v1.17.6+k3s1）：

$ wget https://github.com/rancher/k3s/releases/download/v1.17.6+k3s1/k3s -O /usr/local/bin/k3s
$ chmod +x /usr/local/bin/k3s

需要在所有节点中下载上述二进制文件。

2. 升级内核

k3s 的默认网络插件是 flannel，默认模式是 vxlan 模式，建议使用 wireguard 模式，原因不解释了，不知道 wireguard 是啥的自己去搜一下。

wireguard 对内核的要求比较高，而 CentOS 7.x 的默认内核是不满足要求的，需要升级内核（如果你的操作系统是 CentOS 7.x 的话）。步骤如下：

① 载入公钥

$ rpm --import https://www.elrepo.org/RPM-GPG-KEY-elrepo.org

② 升级安装 elrepo

$ rpm -Uvh http://www.elrepo.org/elrepo-release-7.0-3.el7.elrepo.noarch.rpm

③ 载入 elrepo-kernel 元数据

$ yum --disablerepo=* --enablerepo=elrepo-kernel repolist

④ 安装最新版本的内核

$ yum --disablerepo=* --enablerepo=elrepo-kernel install  kernel-ml.x86_64  -y

⑤ 删除旧版本工具包

$ yum remove kernel-tools-libs.x86_64 kernel-tools.x86_64  -y

⑥ 安装新版本工具包

$ yum --disablerepo=* --enablerepo=elrepo-kernel install kernel-ml-tools kernel-ml-devel kernel-ml-headers -y

⑦ 查看内核插入顺序

$ grep "^menuentry" /boot/grub2/grub.cfg | cut -d "'" -f2

CentOS Linux (3.10.0-1127.10.1.el7.x86_64) 7 (Core)
CentOS Linux (5.7.2-1.el7.elrepo.x86_64) 7 (Core)
CentOS Linux (0-rescue-96820b9851c24560b5f942f2496b9aeb) 7 (Core)

默认新内核是从头插入，默认启动顺序也是从 0 开始。

⑧ 查看当前实际启动顺序

$ grub2-editenv list

saved_entry=CentOS Linux (3.10.0-1127.10.1.el7.x86_64) 7 (Core)

⑨ 设置默认启动

$ grub2-set-default 'CentOS Linux (5.7.2-1.el7.elrepo.x86_64) 7 (Core)'

最后重启检查：

$ reboot
$ uname -r

注意：集群中的所有节点都需要升级内核。

3. 安装 wireguard

内核升级了之后，就可以安装 wireguard 了，也很简单，步骤如下：

$ yum install epel-release https://www.elrepo.org/elrepo-release-7.el7.elrepo.noarch.rpm
$ yum install yum-plugin-elrepo
$ yum install kmod-wireguard wireguard-tools

注意：集群中的所有节点都需要安装。

4. 部署控制平面

下面就可以在控制节点上启动控制平面的组件了，这里我们选择手动部署，这样比较方便修改参数。先创建一个 Service Unit 文件：

$ cat > /etc/systemd/system/k3s.service <<EOF
[Unit]
Description=Lightweight Kubernetes
Documentation=https://k3s.io
Wants=network-online.target

[Install]
WantedBy=multi-user.target

[Service]
Type=notify
EnvironmentFile=/etc/systemd/system/k3s.service.env
KillMode=process
Delegate=yes
# Having non-zero Limit*s causes performance problems due to accounting overhead
# in the kernel. We recommend using cgroups to do container-local accounting.
LimitNOFILE=1048576
LimitNPROC=infinity
LimitCORE=infinity
TasksMax=infinity
TimeoutStartSec=0
Restart=always
RestartSec=5s
ExecStartPre=-/sbin/modprobe br_netfilter
ExecStartPre=-/sbin/modprobe overlay
ExecStart=/usr/local/bin/k3s 
    server 
    --tls-san <public_ip> 
    --node-ip <public_ip> 
    --node-external-ip <public_ip> 
    --no-deploy servicelb 
    --flannel-backend wireguard 
    --kube-proxy-arg "proxy-mode=ipvs" "masquerade-all=true" 
    --kube-proxy-arg "metrics-bind-address=0.0.0.0"
EOF

• 将 <public_ip> 替换成控制节点的公网 IP。
• flannel 使用 wireguard 协议来跨主机通信。
• kube-proxy 使用 ipvs 模式。

启动 k3s 控制平面并设置开机自启：

$ systemctl enable k3s --now

查看集群组件健康状况：

$ kubectl get cs

NAME                 STATUS    MESSAGE   ERROR
scheduler            Healthy   ok
controller-manager   Healthy   ok

这里的输出没有 etcd，因为 k3s 的默认数据存储是 Sqlite，对于小型数据库十分友好。Kubernetes 控制平面中发生的更改更多是与频繁更新部署、调度 Pod 等有关，因此对于几个节点的小型集群而言，数据库不会造成太大负载，能省下不少资源，真香！

5. 加入计算节点

部署好控制平面之后，就可以加入计算节点了。首先在计算节点上创建 Service Unit 文件：

$ cat > /etc/systemd/system/k3s-agent.service <<EOF
[Unit]
Description=Lightweight Kubernetes
Documentation=https://k3s.io
Wants=network-online.target

[Install]
WantedBy=multi-user.target

[Service]
Type=exec
EnvironmentFile=/etc/systemd/system/k3s-agent.service.env
KillMode=process
Delegate=yes
LimitNOFILE=infinity
LimitNPROC=infinity
LimitCORE=infinity
TasksMax=infinity
TimeoutStartSec=0
Restart=always
RestartSec=5s
ExecStartPre=-/sbin/modprobe br_netfilter
ExecStartPre=-/sbin/modprobe overlay
ExecStart=/usr/local/bin/k3s agent 
    --node-external-ip <public_ip> 
    --node-ip <public_ip> 
    --kube-proxy-arg "proxy-mode=ipvs" "masquerade-all=true" 
    --kube-proxy-arg "metrics-bind-address=0.0.0.0"
EOF

环境变量文件 /etc/systemd/system/k3s-agent.service.env 中需要加入两个环境变量：

• K3S_URL : API Server 的 URL，一般格式为：https://<master_ip>:6443。其中 <master_ip> 是控制节点的公网 IP。
• K3S_TOKEN : 加入集群所需的 token，可以在控制节点上查看 /var/lib/rancher/k3s/server/node-token 文件。

/etc/systemd/system/k3s-agent.service.env 内容如下：

K3S_URL=https://<master_ip>:6443
K3S_TOKEN=xxxxxxxx

启动 k3s-agent 并设置开启自启：

$ systemctl enable k3s-agent --now

查看节点状态：

$ kubectl get node

NAME         STATUS   ROLES    AGE     VERSION
blog-k3s01   Ready    master   3d6h    v1.17.6+k3s1
blog-k3s02   Ready    <none>   3d3h    v1.17.6+k3s1

6. 内网不互通的解决办法

这里会遇到一个问题，不同节点的 flannel 使用的是内网 IP 来进行通信，而我们的云服务器是内网不互通的，而且公网 IP 也不在服务器上。可以看一下 node 的 annotations：

$ kubectl get node blog-k3s02 -o yaml

apiVersion: v1
kind: Node
metadata:
  annotations:
    flannel.alpha.coreos.com/backend-data: '"xxxxx"'
    flannel.alpha.coreos.com/backend-type: extension
    flannel.alpha.coreos.com/kube-subnet-manager: "true"
    flannel.alpha.coreos.com/public-ip: 192.168.0.11
    ...

可以看到 flannel 给节点打的注解中的节点 IP 是内网 IP。要想让 flannel 使用公网 IP 进行通信，需要额外添加一个注解 public-ip-overwrite，然后 flannel 会基于这个 IP 配置网络。按照官方文档的说法，如果你的 node 设置了 ExternalIP，flannel 会自动给 node 添加一个注解 public-ip-overwrite，但我不知道该如何给 node 设置 ExternalIP，干脆就直接手动加注解吧：

$ kubectl annotate nodes <master> flannel.alpha.coreos.com/public-ip-overwrite=<master_pub_ip>
$ kubectl annotate nodes <node> flannel.alpha.coreos.com/public-ip-overwrite=<node_pub_ip>

加了注解之后，flannel 的 public-ip 就会被修改为公网 IP。然后在各个节点上重启各自的 k3s 服务，查看 wireguard 连接状况：

$ wg show flannel.1

interface: flannel.1
  public key: ONDgJCwxxxxxxxJvdWpoOKTxQA=
  private key: (hidden)
  listening port: 51820
  
peer: MKKaanTxxxxxxxV8VpcHq4CSRISshw=
  endpoint: <pub_ip>:51820
  allowed ips: 10.42.4.0/24
  latest handshake: 26 seconds ago
  transfer: 133.17 KiB received, 387.44 KiB sent
  persistent keepalive: every 25 seconds

可以看到通信端点被改成了公网 IP，大功告成！

7. metrics-server 问题解决

还有一个问题就是 metrics-server 无法获取 cpu、内存等利用率核心指标。需要修改 metrics-server 的 manifests，使用以下命令在线编辑 metrics-server 的 manifests：

$ kubectl -n kube-system edit deploy metrics-server

然后加入以下执行参数后保存退出：

      -command:
        - /metrics-server
        - --kubelet-preferred-address-types=ExternalIP
        - --kubelet-insecure-tls

这样就可以让 metrics-server 使用公网 IP 来和 node 通信了。修改成功后就可以看到核心指标了：

$ kubectl top nodes
NAME         CPU(cores)   CPU%   MEMORY(bytes)   MEMORY%
blog-k3s01   193m         9%     886Mi           22%
blog-k3s02   41m          2%     1292Mi          32%

$ kubectl top pod -n kube-system
NAME                                      CPU(cores)   MEMORY(bytes)
coredns-848b6cc76f-zq576                  8m           14Mi
local-path-provisioner-58fb86bdfd-bzdfl   2m           9Mi
metrics-server-bdfc79c97-djmzk            1m           12Mi

到这里跨云服务商部署 k3s 基本上就大功告成了，下一篇文章将会教你如何打通家里到云上 k3s 的网络，让你家中所有设备都可以直接访问 Pod IP、svc IP，甚至可以直接访问 svc 域名，敬请期待。

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