使用kubeadm快速搭建单节点Kubernetes集群

# 1. 简介

## 1.1 什么是Kubernetes

Kubernetes（简称K8s）是一个开源的容器编排和管理工具，用于自动化部署、扩展和管理容器化应用程序。它提供了一种简化的方式来管理多个容器化应用程序的生命周期，并提供了自动化的容器部署、容器间通信、负载均衡、容器调度、备份恢复等功能。

## 1.2 为什么使用Kubernetes

使用Kubernetes可以带来以下好处：
- 自动化容器化应用程序的部署和扩展
- 提供高可用性和容错能力
- 管理复杂的容器网络和服务发现
- 提供资源利用率优化和弹性伸缩
- 提供良好的开发体验和开发工作流

## 1.3 什么是kubeadm

kubeadm是Kubernetes官方提供的命令行工具，用于快速部署一个最小化的Kubernetes集群。使用kubeadm可以轻松地初始化和管理Kubernetes集群的各个组件，如Master节点和Worker节点。

## 1.4 目标：快速搭建单节点Kubernetes集群

本文的目标是通过kubeadm快速搭建一个单节点的Kubernetes集群。通过阅读本文，您将学习到如何安装和配置Kubernetes所需的基本组件，以及如何使用kubeadm初始化和管理Kubernetes集群的各个节点。

以上是文章的第一章节，介绍了Kubernetes的概念、使用Kubernetes的好处、kubeadm工具的作用，以及本文的目标。

# 2. 准备工作

### 2.1 安装Docker

在安装Kubernetes之前，首先需要将Docker安装在系统上。Docker是一个开源的容器化平台，用于构建、运行和管理容器。

以下是在Ubuntu系统上安装Docker的步骤：

1. 更新系统软件包：

   $ sudo apt-get update

2. 安装Docker依赖：

   $ sudo apt-get install apt-transport-https ca-certificates curl software-properties-common

3. 添加Docker官方GPG密钥：

   $ curl -fsSL https://download.docker.com/linux/ubuntu/gpg | sudo gpg --dearmor -o /usr/share/keyrings/docker-archive-keyring.gpg

4. 设置Docker稳定版存储库：

   $ echo "deb [arch=amd64 signed-by=/usr/share/keyrings/docker-archive-keyring.gpg] https://download.docker.com/linux/ubuntu $(lsb_release -cs) stable" | sudo tee /etc/apt/sources.list.d/docker.list > /dev/null

5. 安装Docker引擎：

   $ sudo apt-get update
   $ sudo apt-get install docker-ce docker-ce-cli containerd.io

6. 启动Docker服务：

   $ sudo systemctl start docker

7. 验证Docker是否安装成功：

   $ sudo docker run hello-world

如果您看到了Hello from Docker!的输出，说明Docker已成功安装。

### 2.2 安装kubeadm、kubelet和kubectl

Kubeadm是一个命令行工具，用于初始化、升级和管理Kubernetes集群。Kubelet是Kubernetes的关键组件之一，负责在每个节点上运行容器。Kubectl是用于与Kubernetes集群进行交互的命令行工具。

以下是在Ubuntu系统上安装Kubeadm、Kubelet和Kubectl的步骤：

1. 添加Kubernetes官方GPG密钥：

   $ curl -s https://packages.cloud.google.com/apt/doc/apt-key.gpg | sudo apt-key add -

2. 添加Kubernetes软件源：

   $ echo "deb https://apt.kubernetes.io/ kubernetes-xenial main" | sudo tee /etc/apt/sources.list.d/kubernetes.list

3. 更新系统软件包：

   $ sudo apt-get update

4. 安装Kubeadm、Kubelet和Kubectl：

   $ sudo apt-get install -y kubelet kubeadm kubectl

5. 阻止系统自动更新Kubernetes组件：

   $ sudo apt-mark hold kubelet kubeadm kubectl

### 2.3 配置容器运行时

默认情况下，Kubernetes使用Docker作为容器运行时。但从Kubernetes 1.20版本开始，建议使用Containerd作为替代方案。

以下是在Ubuntu系统上配置Containerd的步骤：

1. 安装Containerd：

   $ sudo apt-get update
   $ sudo apt-get install -y containerd

2. 配置Containerd：

   $ sudo mkdir -p /etc/containerd
   $ sudo containerd config default | sudo tee /etc/containerd/config.toml

3. 重启Containerd：

   $ sudo systemctl restart containerd

4. 验证Containerd是否配置成功：

   $ sudo ctr version

如果您能看到Containerd的版本信息，说明配置成功。

### 2.4 初始化Kubernetes Master节点

在开始部署Kubernetes集群之前，首先需要初始化Kubernetes Master节点。

以下是初始化Kubernetes Master节点的步骤：

1. 使用kubeadm初始化Master节点：

   $ sudo kubeadm init

2. 将kubeconfig文件复制到普通用户目录下：

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

3. 安装网络插件：

   $ kubectl apply -f https://docs.projectcalico.org/v3.14/manifests/calico.yaml

Calico是一个常用的网络插件，用于在Kubernetes集群中提供网络功能。

4. 验证Master节点部署结果：

   $ kubectl get nodes

如果您能看到Master节点的信息，并且状态为Ready，说明Master节点部署成功。

准备工作完成后，我们可以开始部署Kubernetes集群的Master节点。

# 3. 部署Master节点

在这一节中，我们将学习如何部署Kubernetes集群的Master节点。Master节点是Kubernetes集群的核心组件，负责管理集群的状态、调度应用程序以及提供集群级别的功能。我们将使用kubeadm工具来初始化Master节点。

#### 3.1 设置集群网络

在部署Master节点之前，首先需要设置集群网络。Kubernetes需要一个网络插件来管理Pod之间的通信，我们将在后续步骤中部署这个网络插件。

#### 3.2 使用kubeadm初始化Master节点

使用kubeadm工具可以方便地初始化Kubernetes Master节点。我们将逐步完成初始化过程，确保Master节点成功部署。

#### 3.3 验证Master节点部署结果

一旦Master节点部署完成，我们将会验证Master节点的状态，确保它可以正常工作。

#### 3.4 部署网络插件

最后，我们会部署网络插件，以便Master节点和Worker节点上的Pod可以相互通信。网络插件通常与集群的网络策略和通信性能息息相关，因此这一步至关重要。

让我们开始吧，部署我们的Kubernetes Master节点！

# 4. 部署Worker节点

在这一章节中，我们将继续部署Kubernetes集群的Worker节点。Worker节点用于承载应用程序的容器，并提供运行和管理这些容器的环境。

#### 4.1 加入Kubernetes集群

首先，我们需要在Worker节点上安装Docker和kubeadm。请根据之前的步骤完成这些安装步骤。以Ubuntu为例，可以使用以下命令：

# 安装Docker
sudo apt-get update
sudo apt-get install docker-ce docker-ce-cli containerd.io

# 安装kubeadm、kubelet和kubectl
sudo apt-get install -y apt-transport-https curl
curl -s https://packages.cloud.google.com/apt/doc/apt-key.gpg | sudo apt-key add -
echo "deb https://apt.kubernetes.io/ kubernetes-xenial main" | sudo tee /etc/apt/sources.list.d/kubernetes.list
sudo apt-get update
sudo apt-get install -y kubelet kubeadm kubectl
sudo apt-mark hold kubelet kubeadm kubectl

接下来，我们需要获取在Master节点上运行`kubeadm init`时生成的加入命令。在Master节点上，运行以下命令获取加入命令：

sudo kubeadm token create --print-join-command

将输出的命令复制到Worker节点上运行，以加入Kubernetes集群。例如：

sudo kubeadm join <Master节点的IP地址>:<Master节点的端口号> --token <Token值> --discovery-token-ca-cert-hash <证书哈希值>

#### 4.2 验证Worker节点部署结果

在Master节点上运行以下命令，查看集群中的节点列表：

kubectl get nodes

应该能够看到已加入的Worker节点。状态显示为"Ready"表示节点已成功部署。

#### 4.3 部署Pod网络

为了使Worker节点上的容器能够相互通信，我们需要部署一个网络插件。这个插件会创建一个虚拟网络，并为每个容器分配一个IP地址。

在Master节点上运行以下命令，选择并部署一个网络插件。以Flannel为例：

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

接着，我们可以使用以下命令检查网络插件的部署状态：

kubectl get pods --all-namespaces

确保插件的Pod状态为"Running"。

### 下一步: 测试集群功能

现在，我们已经成功部署了Kubernetes集群的Master和Worker节点，并部署了网络插件。接下来，在集群中创建一个简单的应用并测试其功能。

# 5. 测试集群功能

在完成集群的部署后，我们需要测试集群的功能是否正常。本章将介绍如何在Kubernetes集群中创建一个简单的应用，并检查应用的运行状态。同时，还将演示如何扩展应用的副本数量，以及测试集群的高可用性。

#### 5.1 在集群中创建一个简单的应用

首先，我们需要创建一个简单的应用来测试集群。我们将以Nginx为例，并通过部署一个Nginx的Pod来创建这个应用。执行以下命令创建一个Nginx的Pod：

kubectl create deployment nginx --image=nginx

这将在集群中创建一个名为nginx的Pod，并使用nginx镜像。可以使用以下命令查看Pod的状态：

kubectl get pods

#### 5.2 检查应用运行状态

一旦Pod创建成功，我们可以使用以下命令检查应用的运行状态：

kubectl get pods

显示的结果中，可以查看到应用的状态、副本数量、所在节点等信息。确保应用的状态为`Running`，表示应用已经成功运行。

#### 5.3 扩展应用副本数量

在Kubernetes中，我们可以通过调整副本数量来扩展应用的容量。执行以下命令将应用的副本数量扩展到3个：

kubectl scale deployment nginx --replicas=3

然后，再次使用以下命令检查应用的副本数量：

kubectl get pods

可以看到副本数量已经成功扩展到3个。

#### 5.4 高可用性测试

Kubernetes提供了高可用性能力，即使集群中的某个节点发生故障，应用仍然能够正常运行。我们可以模拟节点故障，并观察应用的恢复过程。

首先，使用以下命令选择一个运行中的应用Pod：

kubectl get pods

然后，使用以下命令删除该Pod，模拟节点故障：

kubectl delete pod <pod-name>

再次使用以下命令查看应用的运行状态：

kubectl get pods

可以观察到Kubernetes会自动创建一个新的Pod来替代被删除的Pod，确保应用的高可用性。

以上是测试集群功能的基本操作，您可以根据具体需求进行进一步测试和操作。

# 6. 总结

本文深入介绍了如何快速搭建单节点Kubernetes集群，通过使用kubeadm来部署Master节点和Worker节点，并测试集群功能。Kubernetes作为当今最流行的容器编排工具之一，具有高可用性、扩展性和灵活性，可以帮助企业更好地部署和管理容器化应用程序。

### 6.2 Kubernetes学习资源推荐

- 官方文档：https://kubernetes.io/docs/home/
- Kubernetes权威指南（书籍）：https://book.kubeway.io/
- Kubernetes中文指南：https://www.kubernetes.org.cn/
- GitHub上的Kubernetes源码：https://github.com/kubernetes/kubernetes

### 6.3 下一步行动

通过本文的学习，读者已经掌握了快速搭建单节点Kubernetes集群的方法，接下来可以继续深入学习Kubernetes的高级特性，如多节点集群部署、用户权限管理、持续集成和部署等内容。另外，建议读者多动手实践，加深对Kubernetes的理解和掌握。