# 16. 用 kubeadm 搭建集群环境

## 架构
上节课我们给大家讲解了 k8s 的基本概念与几个主要的组件，我们在了解了 k8s 的基本概念过后，实际上就可以去正式使用了，但是我们前面的课程都是在 katacoda 上面进行的演示，只提供给我们15分钟左右的使用时间，所以最好的方式还是我们自己来手动搭建一套 k8s 的环境，在搭建环境之前，我们再来看一张更丰富的k8s的架构图。
​​![k8s 架构](./images/k8s-structure.jpeg)
​
* 核心层：Kubernetes 最核心的功能，对外提供 API 构建高层的应用，对内提供插件式应用执行环境
* 应用层：部署（无状态应用、有状态应用、批处理任务、集群应用等）和路由（服务发现、DNS 解析等）
* 管理层：系统度量（如基础设施、容器和网络的度量），自动化（如自动扩展、动态 Provision 等）以及策略管理（RBAC、Quota、PSP、NetworkPolicy 等）
* 接口层：kubectl 命令行工具、客户端 SDK 以及集群联邦
* 生态系统：在接口层之上的庞大容器集群管理调度的生态系统，可以划分为两个范畴
    * Kubernetes 外部：日志、监控、配置管理、CI、CD、Workflow等
    * Kubernetes 内部：CRI、CNI、CVI、镜像仓库、Cloud Provider、集群自身的配置和管理等

在更进一步了解了 k8s 集群的架构后，我们就可以来正式的的安装我们的 k8s 集群环境了，我们这里使用的是`kubeadm`工具来进行集群的搭建。

`kubeadm`是`Kubernetes`官方提供的用于快速安装`Kubernetes`集群的工具，通过将集群的各个组件进行容器化安装管理，通过`kubeadm`的方式安装集群比二进制的方式安装要方便不少，但是目录`kubeadm`还处于 beta 状态，还不能用于生产环境，[Using kubeadm to Create a Cluster文档](https://kubernetes.io/docs/setup/independent/create-cluster-kubeadm/)中已经说明 kubeadm 将会很快能够用于生产环境了。对于现阶段想要用于生产环境的，建议还是参考我们前面的文章：[手动搭建高可用的 kubernetes 集群](https://blog.qikqiak.com/post/manual-install-high-available-kubernetes-cluster/)或者[视频教程](https://www.haimaxy.com/course/pjrqxm/?utm_source=k8s)。

## 环境
我们这里准备两台`Centos7`的主机用于安装，后续节点可以根究需要添加即可：
```shell
$ cat /etc/hosts
10.151.30.57 master
10.151.30.62 node01
```

禁用防火墙：
```shell
$ systemctl stop firewalld
$ systemctl disable firewalld
```

禁用SELINUX：
```shell
$ setenforce 0
$ cat /etc/selinux/config
SELINUX=disabled
```

创建`/etc/sysctl.d/k8s.conf`文件，添加如下内容：
```shell
net.bridge.bridge-nf-call-ip6tables = 1
net.bridge.bridge-nf-call-iptables = 1
net.ipv4.ip_forward = 1
```

执行如下命令使修改生效：
```shell
$ modprobe br_netfilter
$ sysctl -p /etc/sysctl.d/k8s.conf
```

## 镜像
如果你的节点上面有科学上网的工具，可以忽略这一步，我们需要提前将所需的`gcr.io`上面的镜像下载到节点上面，当然前提条件是你已经成功安装了`docker。master节点，执行下面的命令：
```shell
docker pull cnych/kube-apiserver-amd64:v1.10.0
docker pull cnych/kube-scheduler-amd64:v1.10.0
docker pull cnych/kube-controller-manager-amd64:v1.10.0
docker pull cnych/kube-proxy-amd64:v1.10.0
docker pull cnych/k8s-dns-kube-dns-amd64:1.14.8
docker pull cnych/k8s-dns-dnsmasq-nanny-amd64:1.14.8
docker pull cnych/k8s-dns-sidecar-amd64:1.14.8
docker pull cnych/etcd-amd64:3.1.12
docker pull cnych/flannel:v0.10.0-amd64
docker pull cnych/pause-amd64:3.1

docker tag cnych/kube-apiserver-amd64:v1.10.0 k8s.gcr.io/kube-apiserver-amd64:v1.10.0
docker tag cnych/kube-scheduler-amd64:v1.10.0 k8s.gcr.io/kube-scheduler-amd64:v1.10.0
docker tag cnych/kube-controller-manager-amd64:v1.10.0 k8s.gcr.io/kube-controller-manager-amd64:v1.10.0
docker tag cnych/kube-proxy-amd64:v1.10.0 k8s.gcr.io/kube-proxy-amd64:v1.10.0
docker tag cnych/k8s-dns-kube-dns-amd64:1.14.8 k8s.gcr.io/k8s-dns-kube-dns-amd64:1.14.8
docker tag cnych/k8s-dns-dnsmasq-nanny-amd64:1.14.8 k8s.gcr.io/k8s-dns-dnsmasq-nanny-amd64:1.14.8
docker tag cnych/k8s-dns-sidecar-amd64:1.14.8 k8s.gcr.io/k8s-dns-sidecar-amd64:1.14.8
docker tag cnych/etcd-amd64:3.1.12 k8s.gcr.io/etcd-amd64:3.1.12
docker tag cnych/flannel:v0.10.0-amd64 quay.io/coreos/flannel:v0.10.0-amd64
docker tag cnych/pause-amd64:3.1 k8s.gcr.io/pause-amd64:3.1
```

可以将上面的命令保存为一个 shell 脚本，然后直接执行即可。这些镜像是在 master 节点上需要使用到的镜像，一定要提前下载下来。其他Node，执行下面的命令：
```shell
docker pull cnych/kube-proxy-amd64:v1.10.0
docker pull cnych/flannel:v0.10.0-amd64
docker pull cnych/pause-amd64:3.1
docker pull cnych/kubernetes-dashboard-amd64:v1.8.3
docker pull cnych/heapster-influxdb-amd64:v1.3.3
docker pull cnych/heapster-grafana-amd64:v4.4.3
docker pull cnych/heapster-amd64:v1.4.2
docker pull cnych/k8s-dns-kube-dns-amd64:1.14.8
docker pull cnych/k8s-dns-dnsmasq-nanny-amd64:1.14.8
docker pull cnych/k8s-dns-sidecar-amd64:1.14.8

docker tag cnych/flannel:v0.10.0-amd64 quay.io/coreos/flannel:v0.10.0-amd64
docker tag cnych/pause-amd64:3.1 k8s.gcr.io/pause-amd64:3.1
docker tag cnych/kube-proxy-amd64:v1.10.0 k8s.gcr.io/kube-proxy-amd64:v1.10.0

docker tag cnych/k8s-dns-kube-dns-amd64:1.14.8 k8s.gcr.io/k8s-dns-kube-dns-amd64:1.14.8
docker tag cnych/k8s-dns-dnsmasq-nanny-amd64:1.14.8 k8s.gcr.io/k8s-dns-dnsmasq-nanny-amd64:1.14.8
docker tag cnych/k8s-dns-sidecar-amd64:1.14.8 k8s.gcr.io/k8s-dns-sidecar-amd64:1.14.8

docker tag cnych/kubernetes-dashboard-amd64:v1.8.3 k8s.gcr.io/kubernetes-dashboard-amd64:v1.8.3
docker tag cnych/heapster-influxdb-amd64:v1.3.3 k8s.gcr.io/heapster-influxdb-amd64:v1.3.3
docker tag cnych/heapster-grafana-amd64:v4.4.3 k8s.gcr.io/heapster-grafana-amd64:v4.4.3
docker tag cnych/heapster-amd64:v1.4.2 k8s.gcr.io/heapster-amd64:v1.4.2
```

上面的这些镜像是在 Node 节点中需要用到的镜像，在 join 节点之前也需要先下载到节点上面。
## 安装 kubeadm、kubelet、kubectl
在确保 docker 安装完成后，上面的相关环境配置也完成了，对应所需要的镜像(如果可以科学上网可以跳过这一步)也下载完成了，现在我们就可以来安装 kubeadm 了，我们这里是通过指定yum 源的方式来进行安装的：
```shell
cat <<EOF > /etc/yum.repos.d/kubernetes.repo
[kubernetes]
name=Kubernetes
baseurl=https://packages.cloud.google.com/yum/repos/kubernetes-el7-x86_64
enabled=1
gpgcheck=1
repo_gpgcheck=1
gpgkey=https://packages.cloud.google.com/yum/doc/yum-key.gpg
        https://packages.cloud.google.com/yum/doc/rpm-package-key.gpg
EOF
```

当然了，上面的`yum`源也是需要科学上网的，如果不能科学上网的话，我们可以使用阿里云的源进行安装：
```shell
cat <<EOF > /etc/yum.repos.d/kubernetes.repo
[kubernetes]
name=Kubernetes
baseurl=http://mirrors.aliyun.com/kubernetes/yum/repos/kubernetes-el7-x86_64
enabled=1
gpgcheck=0
repo_gpgcheck=0
gpgkey=http://mirrors.aliyun.com/kubernetes/yum/doc/yum-key.gpg
        http://mirrors.aliyun.com/kubernetes/yum/doc/rpm-package-key.gpg
EOF
```

> **注意：**由于阿里云的源将依赖进行了更改，如果你需要安装 1.10.0 版本的集群的话，需要使用下面的命令分别安装：

```shell
$ yum makecache fast 
$ yum install -y kubelet-1.10.0-0
$ yum install -y kubectl-1.10.0-0
$ yum install -y kubeadm-1.10.0-0
```

正常情况我们可以都能顺利安装完成上面的文件。

## 配置 kubelet
安装完成后，我们还需要对`kubelet`进行配置，因为用`yum`源的方式安装的`kubelet`生成的配置文件将参数`--cgroup-driver`改成了`systemd`，而 docker 的`cgroup-driver`是`cgroupfs`，这二者必须一致才行，我们可以通过`docker info`命令查看：
```shell
$ docker info |grep Cgroup
Cgroup Driver: cgroupfs
```

修改文件 kubelet 的配置文件`/etc/systemd/system/kubelet.service.d/10-kubeadm.conf`，将其中的`KUBELET_CGROUP_ARGS`参数更改成`cgroupfs`：
```shell
Environment="KUBELET_CGROUP_ARGS=--cgroup-driver=cgroupfs"
```

另外还有一个问题是关于交换分区的，之前我们在手动搭建高可用的 kubernetes 集群一文中已经提到过，Kubernetes 从1.8开始要求关闭系统的 Swap ，如果不关闭，默认配置的 kubelet 将无法启动，我们可以通过 kubelet 的启动参数`--fail-swap-on=false`更改这个限制，所以我们需要在上面的配置文件中增加一项配置(在`ExecStart`之前)：
```shell
Environment="KUBELET_EXTRA_ARGS=--fail-swap-on=false"
```

当然最好的还是将 swap 给关掉，这样能提高 kubelet 的性能。修改完成后，重新加载我们的配置文件即可：
```shell
$ systemctl daemon-reload
```

## 集群安装初始化
到这里我们的准备工作就完成了，接下来我们就可以在`master`节点上用`kubeadm`命令来初始化我们的集群了：
```shell
$ kubeadm init --kubernetes-version=v1.10.0 --pod-network-cidr=10.244.0.0/16 --apiserver-advertise-address=10.151.30.57
```

命令非常简单，就是`kubeadm init`，后面的参数是需要安装的集群版本，因为我们这里选择`flannel`作为 Pod 的网络插件，所以需要指定`–pod-network-cidr=10.244.0.0/16`，然后是 apiserver 的通信地址，这里就是我们 master 节点的 IP 地址。执行上面的命令，如果出现`running with swap on is not supported. Please disable swap`之类的错误，则我们还需要增加一个参数`–ignore-preflight-errors=Swap`来忽略 swap 的错误提示信息：
```shell
$ kubeadm init \
   --kubernetes-version=v1.10.0 \
   --pod-network-cidr=10.244.0.0/16 \
   --apiserver-advertise-address=10.151.30.57 \
   --ignore-preflight-errors=Swap
[init] Using Kubernetes version: v1.10.0
[init] Using Authorization modes: [Node RBAC]
[preflight] Running pre-flight checks.
    [WARNING FileExisting-crictl]: crictl not found in system pathSuggestion: go get github.com/kubernetes-incubator/cri-tools/cmd/crictl
[preflight] Starting the kubelet service
[certificates] Generated ca certificate and key.
[certificates] Generated apiserver certificate and key.
[certificates] apiserver serving cert is signed for DNS names [ydzs-master1 kubernetes kubernetes.default kubernetes.default.svc kubernetes.default.svc.cluster.local] and IPs [10.96.0.1 10.151.30.57]
[certificates] Generated apiserver-kubelet-client certificate and key.
[certificates] Generated etcd/ca certificate and key.
[certificates] Generated etcd/server certificate and key.
[certificates] etcd/server serving cert is signed for DNS names [localhost] and IPs [127.0.0.1]
[certificates] Generated etcd/peer certificate and key.
[certificates] etcd/peer serving cert is signed for DNS names [ydzs-master1] and IPs [10.151.30.57]
[certificates] Generated etcd/healthcheck-client certificate and key.
[certificates] Generated apiserver-etcd-client certificate and key.
[certificates] Generated sa key and public key.
[certificates] Generated front-proxy-ca certificate and key.
[certificates] Generated front-proxy-client certificate and key.
[certificates] Valid certificates and keys now exist in "/etc/kubernetes/pki"
[kubeconfig] Wrote KubeConfig file to disk: "/etc/kubernetes/admin.conf"
[kubeconfig] Wrote KubeConfig file to disk: "/etc/kubernetes/kubelet.conf"
[kubeconfig] Wrote KubeConfig file to disk: "/etc/kubernetes/controller-manager.conf"
[kubeconfig] Wrote KubeConfig file to disk: "/etc/kubernetes/scheduler.conf"
[controlplane] Wrote Static Pod manifest for component kube-apiserver to "/etc/kubernetes/manifests/kube-apiserver.yaml"
[controlplane] Wrote Static Pod manifest for component kube-controller-manager to "/etc/kubernetes/manifests/kube-controller-manager.yaml"
[controlplane] Wrote Static Pod manifest for component kube-scheduler to "/etc/kubernetes/manifests/kube-scheduler.yaml"
[etcd] Wrote Static Pod manifest for a local etcd instance to "/etc/kubernetes/manifests/etcd.yaml"
[init] Waiting for the kubelet to boot up the control plane as Static Pods from directory "/etc/kubernetes/manifests".
[init] This might take a minute or longer if the control plane images have to be pulled.
[apiclient] All control plane components are healthy after 22.007661 seconds
[uploadconfig] Storing the configuration used in ConfigMap "kubeadm-config" in the "kube-system" Namespace
[markmaster] Will mark node ydzs-master1 as master by adding a label and a taint
[markmaster] Master ydzs-master1 tainted and labelled with key/value: node-role.kubernetes.io/master=""
[bootstraptoken] Using token: 8xomlq.0cdf2pbvjs2gjho3
[bootstraptoken] Configured RBAC rules to allow Node Bootstrap tokens to post CSRs in order for nodes to get long term certificate credentials
[bootstraptoken] Configured RBAC rules to allow the csrapprover controller automatically approve CSRs from a Node Bootstrap Token
[bootstraptoken] Configured RBAC rules to allow certificate rotation for all node client certificates in the cluster
[bootstraptoken] Creating the "cluster-info" ConfigMap in the "kube-public" namespace
[addons] Applied essential addon: kube-dns
[addons] Applied essential addon: kube-proxy

Your Kubernetes master has initialized successfully!

To start using your cluster, you need to run the following as a regular user:

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

You should now deploy a pod network to the cluster.
Run "kubectl apply -f [podnetwork].yaml" with one of the options listed at:
  https://kubernetes.io/docs/concepts/cluster-administration/addons/

You can now join any number of machines by running the following on each node
as root:

  kubeadm join 10.151.30.57:6443 --token 8xomlq.0cdf2pbvjs2gjho3 --discovery-token-ca-cert-hash sha256:92802317cb393682c1d1356c15e8b4ec8af2b8e5143ffd04d8be4eafb5fae368
```

要注意将上面的加入集群的命令保存下面，如果忘记保存上面的 token 和 sha256 值的话也不用担心，我们可以使用下面的命令来查找：
```shell
$ kubeadm token list
kubeadm token list
TOKEN                     TTL       EXPIRES                     USAGES                   DESCRIPTION                                                EXTRA GROUPS
i5gbaw.os1iow5tdo17rwdu   23h       2018-05-18T01:32:55+08:00   authentication,signing   The default bootstrap token generated by 'kubeadm init'.   system:bootstrappers:kubeadm:default-node-token
```

要查看 CA 证书的 sha256 的值的话，我们可以使用`openssl`来读取证书获取 sha256 的值：
```shell
$ openssl x509 -pubkey -in /etc/kubernetes/pki/ca.crt | openssl rsa -pubin -outform der 2>/dev/null | openssl dgst -sha256 -hex | sed 's/^.* //'
e9ca4d9550e698105f1d8fae7ecfd297dd9331ca7d50b5493fa0491b2b4df40c
```

另外还需要注意的是当前版本的 kubeadm 支持的docker版本最大是 17.03，所以要注意下。
上面的信息记录了 kubeadm 初始化整个集群的过程，生成相关的各种证书、kubeconfig 文件、bootstraptoken 等等，后边是使用`kubeadm join`往集群中添加节点时用到的命令，下面的命令是配置如何使用kubectl访问集群的方式：
```shell
mkdir -p $HOME/.kube
sudo cp -i /etc/kubernetes/admin.conf $HOME/.kube/config
sudo chown $(id -u):$(id -g) $HOME/.kube/config
```

最后给出了将节点加入集群的命令：
```shell
kubeadm join 10.151.30.57:6443 --token 8xomlq.0cdf2pbvjs2gjho3 --discovery-token-ca-cert-hash sha256:92802317cb393682c1d1356c15e8b4ec8af2b8e5143ffd04d8be4eafb5fae368
```

我们根据上面的提示配置好 kubectl 后，就可以使用 kubectl 来查看集群的信息了：
```shell
$ kubectl get cs
NAME                 STATUS    MESSAGE              ERROR
scheduler            Healthy   ok
controller-manager   Healthy   ok
etcd-0               Healthy   {"health": "true"}
$ kubectl get csr
NAME                                                   AGE       REQUESTOR                 CONDITION
node-csr-8qygb8Hjxj-byhbRHawropk81LHNPqZCTePeWoZs3-g   1h        system:bootstrap:8xomlq   Approved,Issued
$ kubectl get nodes
NAME           STATUS    ROLES     AGE       VERSION
ydzs-master1   Ready     master    3h        v1.10.0
```

如果你的集群安装过程中遇到了其他问题，我们可以使用下面的命令来进行重置：
```shell
$ kubeadm reset
$ ifconfig cni0 down && ip link delete cni0
$ ifconfig flannel.1 down && ip link delete flannel.1
$ rm -rf /var/lib/cni/
```

## 安装 Pod Network
接下来我们来安装`flannel`网络插件，很简单，和安装普通的 POD 没什么两样：
```shell
$ wget https://raw.githubusercontent.com/coreos/flannel/master/Documentation/kube-flannel.yml
$ kubectl apply -f  kube-flannel.yml
clusterrole.rbac.authorization.k8s.io "flannel" created
clusterrolebinding.rbac.authorization.k8s.io "flannel" created
serviceaccount "flannel" created
configmap "kube-flannel-cfg" created
daemonset.extensions "kube-flannel-ds" created
```

另外需要注意的是如果你的节点有多个网卡的话，需要在 kube-flannel.yml 中使用`--iface`参数指定集群主机内网网卡的名称，否则可能会出现 dns 无法解析。flanneld 启动参数加上`--iface=<iface-name>`
```yaml
args:
- --ip-masq
- --kube-subnet-mgr
- --iface=eth0
```

安装完成后使用 kubectl get pods 命令可以查看到我们集群中的组件运行状态，如果都是Running 状态的话，那么恭喜你，你的 master 节点安装成功了。
```shell
$ kubectl get pods --all-namespaces
NAMESPACE     NAME                                   READY     STATUS    RESTARTS   AGE
kube-system   etcd-ydzs-master1                      1/1       Running   0          10m
kube-system   kube-apiserver-ydzs-master1            1/1       Running   0          10m
kube-system   kube-controller-manager-ydzs-master1   1/1       Running   0          10m
kube-system   kube-dns-86f4d74b45-f5595              3/3       Running   0          10m
kube-system   kube-flannel-ds-qxjs2                  1/1       Running   0          1m
kube-system   kube-proxy-vf5fg                       1/1       Running   0          10m
kube-system   kube-scheduler-ydzs-master1            1/1       Running   0          10m
```

## 添加节点
同样的上面的环境配置、docker 安装、kubeadmin、kubelet、kubectl 这些都在Node(10.151.30.62)节点安装配置好过后，我们就可以直接在 Node 节点上执行`kubeadm join`命令了（上面初始化的时候有），同样加上参数`--ignore-preflight-errors=Swap`:
```shell
$ kubeadm join 10.151.30.57:6443 --token 8xomlq.0cdf2pbvjs2gjho3 --discovery-token-ca-cert-hash sha256:92802317cb393682c1d1356c15e8b4ec8af2b8e5143ffd04d8be4eafb5fae368 --ignore-preflight-errors=Swap
[preflight] Running pre-flight checks.
    [WARNING Swap]: running with swap on is not supported. Please disable swap
    [WARNING FileExisting-crictl]: crictl not found in system path
Suggestion: go get github.com/kubernetes-incubator/cri-tools/cmd/crictl
[discovery] Trying to connect to API Server "10.151.30.57:6443"
[discovery] Created cluster-info discovery client, requesting info from "https://10.151.30.57:6443"
[discovery] Requesting info from "https://10.151.30.57:6443" again to validate TLS against the pinned public key
[discovery] Cluster info signature and contents are valid and TLS certificate validates against pinned roots, will use API Server "10.151.30.57:6443"
[discovery] Successfully established connection with API Server "10.151.30.57:6443"

This node has joined the cluster:
* Certificate signing request was sent to master and a response
  was received.
* The Kubelet was informed of the new secure connection details.

Run 'kubectl get nodes' on the master to see this node join the cluster.
```

如果出现下面的错误信息：[discovery] Failed to request cluster info, will try again: [Get https://10.151.30.27:6443/api/v1/namespaces/kube-public/configmaps/cluster-info: x509: certificate has expired or is not yet valid]，应该是 master 和 node 之间时间不同步造成的，执行 ntp 时间同步后，重新 init、join 即可。

如果 join 的时候出现下面的错误信息：[ERROR CRI]: unable to check if the container runtime at "/var/run/dockershim.sock" is running: fork/exec /usr/bin/crictl -r /var/run/dockershim.sock info: no such file or directory，这个是因为 cri-tools 版本造成的错误，可以卸载掉即可：`yum remove cri-tools`。


我们可以看到该节点已经加入到集群中去了，然后我们把 master 节点的`~/.kube/config`文件拷贝到当前节点对应的位置即可使用 kubectl 命令行工具了。
```shell
$ kubectl get nodes
NAME           STATUS    ROLES     AGE       VERSION
evjfaxic       Ready     <none>    1h        v1.10.0
ydzs-master1   Ready     master    3h        v1.10.0
```

到这里就算我们的集群部署成功了，接下来就可以根据我们的需要安装一些附加的插件，比如 Dashboard、Heapster、Ingress-Controller 等等，这些插件的安装方法就和我们之前手动安装集群的方式方法一样了，这里就不在重复了，有问题可以在`github`上留言讨论。
![kubeadm dashboard](./images/kubeadm-dashboard.png)



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