Kubernetes探祕-etcd節點和實例擴容

Kubernetes使用kubeadm安裝默認只有一個etcd實例，存在單點故障的風險。提升Kubernetes集羣可用性的方法包括：1、備份（Kubernetes探祕—etcd狀態數據及其備份 ）；2、etcd節點和實例擴容；3、apiserver的多節點服務和負載均衡。這裏主要實驗etcd節點和實例的擴容。

一、etcd擴容，主要思路

etcd是一個獨立的服務，在kubernetes中使用時將配置參數和數據目錄分別映射到了宿主機目錄，而且使用hostnetwork網絡（本主機網絡）。其中，/etc/kubernetes/manifest/etcd.yaml 爲啓動參數文件，/etc/kubernetes/pki/etcd 爲 https使用的證書，/var/lib/etcd 爲該節點的etcd數據文件。

對於已用kubeadm安裝的單Master節點Kubernetes集羣，其etcd運行實例只有一個。我們希望將其etcd實例擴展到多個，以降低單點失效風險。Kubernetes中etcd的擴容的思路如下：

• 所有節點安裝kubeadm/kubectl/kubelet，按照獨立master節點安裝。
• 創建etcd集羣的證書，並複製到各個節點。
• 在各節點修改etcd啓動配置文件，啓動etcd實例。有多種方式(運行結果一樣、管理方式不同)：
  • 通過 kubectl 部署，讓kubernetes控制啓動。通過nodeSelector指定運行的節點。
  • 通過 kubelet 服務來啓動，操作系統通過systemd啓動kubelet服務。這是k8s的標準過程。
  • 通過docker的--restart參數讓容器自行啓動，由容器服務來進行管理。
  • 把etcd作爲宿主機服務來直接啓動，不使用Docker或者k8s管理。
• 將所有節點kube-apiserver.yaml的etcd服務指向本地的etcd服務實例。
  • etcd是分佈式的存儲，所有節點的數據將會自動同步，從任何節點訪問都是一樣的。

二、etcd擴容，實驗步驟

第一步：安裝多個節點

準備好安裝etcd的節點。我使用ubuntu 18.04LTS，然後安裝Docker CE 18.06和kubernetes 1.12.3。

我這裏的三個節點分別爲：

• podc01, 10.1.1.201
• podc02, 10.1.1.202
• podc03, 10.1.1.203

需要提前把k8s用到的容器鏡像拉取下來到每一個節點。參考：

• Kubernetes 1.12.3快速升級
• Kubernetes 版本鎖定到1.12.3
• 多網卡Ubuntu服務器安裝Kubernetes
• Ubuntu 18.04 設置多網卡多端口聚合
• 快速建立Kubernetes集羣，從零開始

第二步：創建etcd證書

本想嘗試複製主節點的/etc/kubernetes/kpi和/etc/kubernetes/manifest目錄到所有副（mate）節點，啓動後出現各種問題無法正常訪問，提示是ca證書問題。最後，準備從頭開始創建自己的證書和部署yaml文件。

創建證書使用cfssl來創建，需要下載模版文件和修改定義文件，包括ca機構、ca-config配置、ca-key私鑰、csr請求、server/peer/client等證書的配置模版文件等。需要將裏面的信息按照自己的環境進行修改。

• 最後生成cert-file證書文件、key-file公鑰文件和trusted-ca-file證書機構文件（因爲我們這裏用的是自簽名，所以創建自己的證書機構文件）。
• 這三個文件在etcd實例啓動時配置進去（注意：API2和API3的參數名稱有些不同），需要放到每一個節點的相應目錄，並映射到etcd容器卷中。
• 使用etcdctl作爲服務客戶端訪問時也需要指定相應的參數，其它對端（Peer）etcd實例也需要使用這些參數來相互訪問、組成集羣、同步數據。

下面說明具體過程（更多信息參考 https://segmentfault.com/a/1190000016010980）。

1、準備cfssl證書工具

mkdir ~/cfssl && cd ~/cfssl
mkdir bin && cd bin

wget https://pkg.cfssl.org/R1.2/cfssl_linux-amd64 -O cfssl
wget https://pkg.cfssl.org/R1.2/cfssljson_linux-amd64 -O cfssljson 

chmod +x {cfssl,cfssljson}
export PATH=$PATH:~/cfssl/bin

• 可選：爲了方便，可以將path添加到~/.profile文件中，或者複製到/usr/local/bin目錄。

2、創建證書配置文件

創建證書配置文件目錄：

mkdir -p ~/cfssl/etcd-certs && cd ~/cfssl/etcd-certs

生成證書配置文件放到~/cfssl/etcd-certs目錄中，文件模版如下：

# ==============================================
# ca-config.json
{
    "signing": {
        "default": {
            "expiry": "43800h"
        },
        "profiles": {
            "server": {
                "expiry": "43800h",
                "usages": [
                    "signing",
                    "key encipherment",
                    "server auth"
                ]
            },
            "client": {
                "expiry": "43800h",
                "usages": [
                    "signing",
                    "key encipherment",
                    "client auth"
                ]
            },
            "peer": {
                "expiry": "43800h",
                "usages": [
                    "signing",
                    "key encipherment",
                    "server auth",
                    "client auth"
                ]
            }
        }
    }
}

# ==============================================
# ca-csr.json
{
    "CN": "My own CA",
    "key": {
        "algo": "rsa",
        "size": 2048
    },
    "names": [
        {
            "C": "US",
            "L": "CA",
            "O": "My Company Name",
            "ST": "San Francisco",
            "OU": "Org Unit 1",
            "OU": "Org Unit 2"
        }
    ]
}

# ==============================================
# server.json
{
    "CN": "etcd0",
    "hosts": [
        "127.0.0.1",
        "0.0.0.0",
        "10.1.1.201",
        "10.1.1.202",
        "10.1.1.203"
    ],
    "key": {
        "algo": "ecdsa",
        "size": 256
    },
    "names": [
        {
            "C": "US",
            "L": "CA",
            "ST": "San Francisco"
        }
    ]
}

# ==============================================
# peer1.json  # 填本機IP
{
    "CN": "etcd0",
    "hosts": [
        "10.1.1.201"
    ],
    "key": {
        "algo": "ecdsa",
        "size": 256
    },
    "names": [
        {
            "C": "US",
            "L": "CA",
            "ST": "San Francisco"
        }
    ]
}

# ==============================================
# client.json
{
    "CN": "client",
    "hosts": [
       ""
    ],
    "key": {
        "algo": "ecdsa",
        "size": 256
    },
    "names": [
        {
            "C": "US",
            "L": "CA",
            "ST": "San Francisco"
        }
    ]
}

3、創建etcd集羣的證書

操作如下：

cd ~/cfssl/etcd-certs
 
cfssl gencert -initca ca-csr.json | cfssljson -bare ca -
cfssl gencert -ca=ca.pem -ca-key=ca-key.pem -config=ca-config.json -profile=server server.json | cfssljson -bare server
cfssl gencert -ca=ca.pem -ca-key=ca-key.pem -config=ca-config.json -profile=peer peer1.json | cfssljson -bare peer1
cfssl gencert -ca=ca.pem -ca-key=ca-key.pem -config=ca-config.json -profile=client client.json | cfssljson -bare client

查看所產生的證書文件：

ls -l ~/cfssl/etcd-certs

文件包括：

...

第三步：啓動etcd多實例

啓動etcd實例之前，務必將/var/lib/etcd目錄清空，否則一些設置的參數將不會起作用，仍然保留原來的狀態。

注意，etcd的下面幾個參數只在第一次啓動（初始化）時起作用，包括：

•    - --initial-advertise-peer-urls=http://10.1.1.202:2380
•    - --initial-cluster=podc02=http://10.1.1.202:2380,podc03=http://10.1.1.203:2380
•    - --initial-cluster-token=etcd-cluster
•    - --initial-cluster-state=new

1、上傳證書文件

將cfssl/etcd-certs目錄拷貝到/etc/kubernetes/pki/etcd-certs 目錄，可以使用scp或sftp上傳。

2、編輯啓動文件

編輯/etc/kubernetes/manifests/etcd.yaml文件，這是kubelet啓動etcd實例的配置文件。

# /etc/kubernetes/manifests/etcd.yaml
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  annotations:
    scheduler.alpha.kubernetes.io/critical-pod: ""
  creationTimestamp: null
  labels:
    component: etcd
    tier: control-plane
  name: etcd
  namespace: kube-system
spec:
  containers:
  - command:
    - etcd
    - --advertise-client-urls=https://10.1.1.201:2379
    - --cert-file=/etc/kubernetes/pki/etcd-certs/server.pem
    - --client-cert-auth=true
    - --data-dir=/var/lib/etcd
    - --initial-advertise-peer-urls=https://10.1.1.201:2380
    - --initial-cluster=etcd0=https://10.1.1.201:2380
    - --key-file=/etc/kubernetes/pki/etcd-certs/server-key.pem
    - --listen-client-urls=https://10.1.1.201:2379
    - --listen-peer-urls=https://10.1.1.201:2380
    - --name=etcd1
    - --peer-cert-file=/etc/kubernetes/pki/etcd-certs/peer1.pem
    - --peer-client-cert-auth=true
    - --peer-key-file=/etc/kubernetes/pki/etcd-certs/peer1-key.pem
    - --peer-trusted-ca-file=/etc/kubernetes/pki/etcd-certs/ca.pem
    - --snapshot-count=10000
    - --trusted-ca-file=/etc/kubernetes/pki/etcd-certs/ca.pem
    image: k8s.gcr.io/etcd-amd64:3.2.18
    imagePullPolicy: IfNotPresent
   #livenessProbe:
   #  exec:
   #    command:
   #    - /bin/sh
   #    - -ec
   #    - ETCDCTL_API=3 etcdctl --endpoints=https://[10.1.1.201]:2379 --cacert=/etc/kubernetes/pki/etcd-certs/ca.pem
   #      --cert=/etc/kubernetes/pki/etcd-certs/client.pem --key=/etc/kubernetes/pki/etcd-certs/client-key.pem
   #      get foo
   #  failureThreshold: 8
   #  initialDelaySeconds: 15
   #  timeoutSeconds: 15
    name: etcd
    resources: {}
    volumeMounts:
    - mountPath: /var/lib/etcd
      name: etcd-data
    - mountPath: /etc/kubernetes/pki/etcd
      name: etcd-certs
  hostNetwork: true
  priorityClassName: system-cluster-critical
  volumes:
  - hostPath:
      path: /var/lib/etcd
      type: DirectoryOrCreate
    name: etcd-data
  - hostPath:
      path: /etc/kubernetes/pki/etcd-certs
      type: DirectoryOrCreate
    name: etcd-certs
status: {}

參照上面的模式，在各個副節點修改etcd啓動參數/etc/kubernetes/manifest/etcd.yaml文件內容。

• 注意：IP地址需要修改多個地方，不要遺漏、錯誤。
• 重啓kubelet服務。
  • sudo systemctl restart kubelet。
• 檢查etcd服務。
  • ectdctl 連接到實例，etcdctl member list。
  • 最終，多節點的etcd實例鏈接爲一個集羣。

3、驗證運行狀態

進入etcd容器執行：

alias etcdv3="ETCDCTL_API=3 etcdctl --endpoints=https://[10.1.1.201]:2379 --cacert=/etc/kubernetes/pki/etcd/ca.pem --cert=/etc/kubernetes/pki/etcd/client.pem --key=/etc/kubernetes/pki/etcd/client-key.pem"
etcdv3 member add etcd1 --peer-urls="https://10.1.1.202:2380"

4、增加etcd節點

拷貝etcd1(10.1.1.201)節點上的證書到etcd1(10.1.1.202)節點上，複製peer1.json到etcd2的peer2.json，修改peer2.json。

# peer2.json
{
    "CN": "etcd1",
    "hosts": [
        "10.1.86.202"
    ],
    "key": {
        "algo": "ecdsa",
        "size": 256
    },
    "names": [
        {
            "C": "US",
            "L": "CA",
            "ST": "San Francisco"
        }
    ]
}

重新生成在etcd1上生成peer1證書：

cfssl gencert -ca=ca.pem -ca-key=ca-key.pem -config=ca-config.json -profile=peer peer1.json | cfssljson -bare peer1

啓動etcd1，配置文件如下：

# etcd02 etcd.yaml
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  annotations:
    scheduler.alpha.kubernetes.io/critical-pod: ""
  creationTimestamp: null
  labels:
    component: etcd
    tier: control-plane
  name: etcd
  namespace: kube-system
spec:
  containers:
  - command:
    - etcd
    - --advertise-client-urls=https://10.1.1.202:2379
    - --cert-file=/etc/kubernetes/pki/etcd-certs/server.pem
    - --data-dir=/var/lib/etcd
    - --initial-advertise-peer-urls=https://10.1.1.202:2380
    - --initial-cluster=etcd01=https://10.1.1.201:2380,etcd02=https://10.1.1.202:2380
    - --key-file=/etc/kubernetes/pki/etcd-certs/server-key.pem
    - --listen-client-urls=https://10.1.1.202:2379
    - --listen-peer-urls=https://10.1.1.202:2380
    - --name=etcd02
    - --peer-cert-file=/etc/kubernetes/pki/etcd-certs/peer2.pem
    - --peer-client-cert-auth=true
    - --peer-key-file=/etc/kubernetes/pki/etcd-certs/peer2-key.pem
    - --peer-trusted-ca-file=/etc/kubernetes/pki/etcd-certs/ca.pem
    - --snapshot-count=10000
    - --trusted-ca-file=/etc/kubernetes/pki/etcd-certs/ca.pem
    - --initial-cluster-state=existing  # 千萬別加雙引號，被坑死
    image: k8s.gcr.io/etcd-amd64:3.2.18
    imagePullPolicy: IfNotPresent
  # livenessProbe:
  #   exec:
  #     command:
  #     - /bin/sh
  #     - -ec
  #     - ETCDCTL_API=3 etcdctl --endpoints=https://[10.1.1.202]:2379 --cacert=/etc/kubernetes/pki/etcd-certs/ca.crt
  #       --cert=/etc/kubernetes/pki/etcd/healthcheck-client.crt --key=/etc/kubernetes/pki/etcd-certs/healthcheck-client.key
  #       get foo
  #   failureThreshold: 8
  #   initialDelaySeconds: 15
  #   timeoutSeconds: 15
    name: etcd
    resources: {}
    volumeMounts:
    - mountPath: /var/lib/etcd
      name: etcd-data
    - mountPath: /etc/kubernetes/pki/etcd
      name: etcd-certs
  hostNetwork: true
  priorityClassName: system-cluster-critical
  volumes:
  - hostPath:
      path: /var/lib/etcd
      type: DirectoryOrCreate
    name: etcd-data
  - hostPath:
      path: /etc/kubernetes/pki/etcd-certs
      type: DirectoryOrCreate
    name: etcd-certs
status: {}

進入etcd容器執行：

alias etcdv3="ETCDCTL_API=3 etcdctl --endpoints=https://[10.1.86.201]:2379 --cacert=/etc/kubernetes/pki/etcd/ca.pem --cert=/etc/kubernetes/pki/etcd/client.pem --key=/etc/kubernetes/pki/etcd/client-key.pem"
etcdv3 member add etcd1 --peer-urls="https://10.1.1.203:2380"

按照以上步驟，增加etcd03。

5、etcd集羣健康檢查

# etcdctl --endpoints=https://[10.1.1.201]:2379 --ca-file=/etc/kubernetes/pki/etcd-certs/ca.pem --cert-file=/etc/kubernetes/pki/etcd-certs/client.pem --key-file=/etc/kubernetes/pki/etcd-certs/client-key.pem cluster-health

member 5856099674401300 is healthy: got healthy result from https://10.1.86.201:2379
member df99f445ac908d15 is healthy: got healthy result from https://10.1.86.202:2379
cluster is healthy

第四步：修改apiserver服務指向

- --etcd-cafile=/etc/kubernetes/pki/etcd-certs/ca.pem
- --etcd-certfile=/etc/kubernetes/pki/etcd-certs/client.pem
- --etcd-keyfile=/etc/kubernetes/pki/etcd-certs/client-key.pem

至此，etcd已經擴展成多節點的分佈式集羣，而且各個節點的kubernetes都是可以訪問的。

注意：

• 上面的流程適合剛創建的k8s集羣。
• 如果已經有kubeadm的多節點集羣，可以先創建node2/node3的etcd集羣，然後將node1的數據同步過來，再添加node1集羣，就能保留原來的數據。
  • 參考：Kubernetes的etcd數據查看和遷移

上面所部署的工作節點還只能連接到一個apiserver，其它副節點的apiserver雖然可用但是無法被工作節點連接到。

下一步需要實現多master節點的容錯，遇主節點故障時可以轉移訪問其它的副節點。

• 參考：Kubernetes探祕-多master服務節點容錯部署

更多參考

• etcd動態擴容，https://blog.csdn.net/ShouTouDeXingFu/article/details/81172308
• kube-keepalived-vip，https://github.com/kubernetes/contrib/tree/master/keepalived-vip
• 基於Kubeadm的高可用Kubernetes集羣，https://tonybai.com/2017/05/15/setup-a-ha-kubernetes-cluster-based-on-kubeadm-part1/