快速搭建一个Kubernetes_K8s集群：使用kubeadm快速搭建Kubernetes集群

# 1. 简介

## 1.1 什么是Kubernetes (K8s)

Kubernetes（简称K8s）是一个开源的容器编排引擎，最初由Google设计并捐赠给Cloud Native Computing Foundation（CNCF），用于自动化部署、扩展和管理容器化应用程序。Kubernetes基于容器技术（如Docker）构建，提供了强大的容器编排、自动伸缩、自愈和自动部署等功能，使得容器化应用程序的管理变得更加简单和高效。

## 1.2 Kubernetes集群的重要性和优势

Kubernetes集群是由多个物理或虚拟机器（称为节点）组成的系统，用于运行容器化的应用程序。利用Kubernetes集群，可以对容器进行统一的管理和调度，实现高可用、弹性伸缩和故障恢复。Kubernetes集群可以提供更高的计算资源利用率、更好的性能和更灵活的应用部署方式。

## 1.3 使用kubeadm快速搭建Kubernetes集群的背景介绍

在Kubernetes生态系统中，kubeadm是一个用于快速部署Kubernetes集群的工具，它可以通过简单的命令和配置文件快速搭建一个稳定可靠的Kubernetes集群。相比其他部署方式，kubeadm更加简单易用，适合快速搭建开发、测试和生产环境的Kubernetes集群。接下来，我们将介绍如何使用kubeadm来快速搭建一个Kubernetes集群。

# 2. 准备工作

在开始搭建Kubernetes集群之前，我们需要进行一些准备工作，确保系统环境和软件工具都已经安装和配置完成。

### 2.1 安装和配置所需的操作系统和软件

首先，需要确保所有的节点使用的操作系统版本符合Kubernetes的要求。通常推荐使用最新的稳定版Ubuntu、CentOS或者RHEL系统。另外，还需要为每个节点安装Docker引擎，并配置Docker的镜像加速器以提高镜像下载速度。

# 安装Docker CE
sudo apt update
sudo apt install docker-ce

# 启动并设置Docker服务开机自启动
sudo systemctl start docker
sudo systemctl enable docker

# 配置Docker镜像加速器（以阿里云镜像加速器为例）
sudo mkdir -p /etc/docker
sudo tee /etc/docker/daemon.json <<-'EOF'
{
  "registry-mirrors": ["https://xxxx.mirror.aliyuncs.com"]
}
EOF
sudo systemctl daemon-reload
sudo systemctl restart docker

确保在每个节点上都按照上述步骤进行操作系统和Docker的安装与配置。

### 2.2 获取kubeadm和相关工具

为了快速搭建Kubernetes集群，我们需要在所有节点上安装kubeadm、kubelet和kubectl这三个工具。可以通过以下命令来安装它们：

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

安装完成后，可以使用以下命令验证版本和组件是否正常安装:

kubeadm version
kubectl version --short
kubelet --version

### 2.3 确保网络和节点之间的通信正常

在开始搭建Kubernetes集群之前，确保所有节点之间的网络通信正常。可以通过ping命令或者telnet命令来测试节点之间的连通性，确保各节点之间可以相互通信。

以上就是准备工作的内容，确保在进行Kubernetes集群的搭建之前，系统环境和软件工具都已经正确安装和配置。接下来，我们将开始初始化Master节点。

# 3. 初始化Master节点

在搭建Kubernetes集群之前，首先需要初始化Master节点。Master节点是集群的控制中心，负责管理整个集群的运行和调度。

#### 3.1 使用kubeadm初始化Master节点

首先，我们需要使用kubeadm来初始化Master节点。在这之前，确保你已经安装了Docker，并且关闭了swap分区。接下来，执行以下命令来初始化Master节点：

sudo kubeadm init --pod-network-cidr=10.244.0.0/16

这会下载所需的Kubernetes组件和镜像，并且启动Kubernetes集群的各个服务。在初始化完成后，会输出一些加入集群的命令，类似于：

kubeadm join 192.168.0.100:6443 --token abcdef.1234567890

将这些命令保存下来，后续Worker节点加入集群时会使用到。

#### 3.2 验证Master节点状态

初始化完成后，可以通过以下命令来验证Master节点的状态：

kubectl get nodes

如果一切正常，你应该能够看到Master节点的状态为"Ready"。

#### 3.3 部署网络插件（如Calico、Flannel等）

Kubernetes需要一个网络插件来实现Pod间的网络通信。常用的网络插件包括Calico、Flannel等。你可以选择其中一个来部署，这里以Calico为例：

kubectl apply -f https://docs.projectcalico.org/v3.11/manifests/calico.yaml

部署完成后，等待一段时间让网络插件生效，之后就可以开始添加Worker节点到集群了。

# 4. 添加Worker节点

在搭建一个Kubernetes集群时，除了Master节点外，还需要Worker节点来实际运行应用程序和负载。在这一章节中，我们将介绍如何添加Worker节点到已经初始化的Kubernetes集群中。

### 4.1 加入Worker节点到Kubernetes集群

首先，确保你已经连接到要加入集群的Worker节点上，并且已经安装了`kubeadm`和`kubelet`。

运行以下命令来加入Worker节点到Kubernetes集群：

kubeadm join <Master节点的IP>:<Master节点端口> --token <token> --discovery-token-ca-cert-hash <ca-cert-hash>

在命令中:
- `<Master节点的IP>`: 是你Master节点的IP地址
- `<Master节点端口>`: 是Master节点的端口，默认为`6443`
- `<token>`: 是Master节点生成的用于验证Worker节点加入权限的token
- `<ca-cert-hash>`: 是Master节点的CA证书的hash值用于安全连接

### 4.2 检查Worker节点加入情况

在Master节点上运行以下命令来检查Worker节点是否成功加入集群：

kubectl get nodes

如果Worker节点成功加入，你应该能够看到Worker节点在集群中的状态为`Ready`。

### 4.3 测试集群节点间通信和工作负载分配

为了验证集群内节点间的通信和工作负载分配，你可以部署一个简单的Pod并暴露一个Service，然后从其他节点上访问这个Service，确保一切正常。

通过以上步骤，你可以成功添加Worker节点到Kubernetes集群中，并确保集群正常工作。

# 5. 部署应用程序

在Kubernetes集群搭建完成后，我们可以开始部署应用程序到集群中。下面将详细介绍如何通过Kubernetes来创建Deployment和Service，并对应用程序进行扩展、监控等操作。

#### 5.1 创建Deployment和Service

首先，我们需要创建一个Deployment来运行我们的应用程序。Deployment定义了应用程序如何运行，如何被更新和扩展。以下是一个简单的Deployment YAML示例：

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: nginx-deployment
spec:
  replicas: 3
  selector:
    matchLabels:
      app: nginx
  template:
    metadata:
      labels:
        app: nginx
    spec:
      containers:
      - name: nginx
        image: nginx:latest
        ports:
        - containerPort: 80

通过kubectl命令将上述YAML配置应用到集群中：

kubectl apply -f nginx-deployment.yaml

接着，创建一个Service来暴露Deployment中的应用程序：

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: nginx-service
spec:
  selector:
    app: nginx
  ports:
    - protocol: TCP
      port: 80
      targetPort: 80
  type: NodePort

同样使用kubectl命令将Service配置应用到集群中：

kubectl apply -f nginx-service.yaml

#### 5.2 扩展和缩减应用程序实例

如果需要扩展应用程序实例数量，可以通过更新Deployment的replicas字段来实现。例如，将实例数量从3扩展到5：

kubectl scale deployment nginx-deployment --replicas=5

同理，若需要缩减实例数量，也可以相应调整replicas字段的值。

#### 5.3 使用Kubernetes Dashboard监控应用程序运行状态

Kubernetes Dashboard是一个Web界面工具，可以用来实时监控集群中各个资源对象的运行状态、日志、指标等。通过以下命令安装Dashboard：

kubectl apply -f https://raw.githubusercontent.com/kubernetes/dashboard/v2.0.0/aio/deploy/recommended.yaml

然后通过代理访问Dashboard：

kubectl proxy

在浏览器中打开Dashboard地址 http://localhost:8001/api/v1/namespaces/kubernetes-dashboard/services/https:kubernetes-dashboard:/proxy/ ，输入Token登录即可查看集群状态和监控信息。

通过以上步骤，您可以成功部署应用程序到Kubernetes集群中并进行简单的监控和管理。

# 6. 运维和扩展

在搭建好Kubernetes集群之后，接下来就需要考虑集群的日常运维和可能的扩展问题。下面将介绍一些关于数据备份与恢复、更新和升级、以及集群规模扩展和功能引入的内容。

#### 6.1 数据备份与恢复

数据备份是任何生产环境中都必不可少的一部分，特别是在容器化的环境中更是如此。以下是一些备份和恢复的推荐方法：

# 创建备份
$ kubectl get all --all-namespaces -o yaml > cluster-backup.yaml
# 恢复备份
$ kubectl apply -f cluster-backup.yaml

#### 6.2 更新和升级Kubernetes集群

Kubernetes社区定期发布新版本，更新和升级是保持集群安全性和性能的重要手段。以下是升级Kubernetes集群的大致流程：

# 升级kubeadm工具
$ sudo apt update && sudo apt upgrade kubeadm
# 升级集群Master节点
$ kubeadm upgrade apply v1.21.0
# 升级集群Worker节点
$ kubectl drain <node-name> --ignore-daemonsets
$ kubeadm upgrade node
$ kubectl uncordon <node-name>

#### 6.3 扩展集群规模和引入更多功能

随着业务增长，可能需要扩展集群规模以满足更高的负载需求，也可以引入更多的功能来增强集群的能力。以下是一些扩展和功能引入的方法：

# 扩展集群规模
$ kubectl scale deployment <deployment-name> --replicas=5
# 引入更多功能，如自动伸缩、监控、日志收集等
$ kubectl apply -f https://github.com/kubernetes/ingress-nginx.yaml

通过上述方法，可以帮助您在日常运维中处理数据备份与恢复、更新和升级以及集群功能扩展等方面的问题，确保Kubernetes集群的稳定和可靠运行。