使用 kube-vip 搭建高可用 Kubernetes 集群

作者 |阳明
来源 | k8s技术圈（ID：kube100）

kube-vip 可以在你的控制平面节点上提供一个 Kubernetes 原生的 HA 负载均衡，我们不需要再在外部设置 HAProxy 和 Keepalived 来实现集群的高可用了。kube-vip 是一个为 Kubernetes 集群内部和外部提供高可用和负载均衡的开源项目，在 Vmware 的 Tanzu 项目中已经使用 kube-vip 替换了用于 vSphere 部署的 HAProxy 负载均衡器，本文我们将先来了解 kube-vip 如何用于 Kubernetes 控制平面的高可用和负载均衡功能。

特点
Kube-Vip 最初是为 Kubernetes 控制平面提供 HA 解决方案而创建的，随着时间的推移，它已经发展为将相同的功能合并到 Kubernetes 的 LoadBalancer 类型的 Service 中了。

• VIP 地址可以是 IPv4 或 IPv6
• 带有 ARP（第2层）或 BGP（第3层）的控制平面
• 使用领导选举或 raft 控制平面
• 带有 kubeadm（静态 Pod）的控制平面 HA
• 带有 K3s/和其他（DaemonSets）的控制平面 HA
• 使用 ARP 领导者选举的 Service LoadBalancer（第 2 层）
• 通过 BGP 使用多个节点的 Service LoadBalancer
• 每个命名空间或全局的 Service LoadBalancer 地址池
• Service LoadBalancer 地址通过 UPNP 暴露给网关
  HAProxy 和 kube-vip 的 HA 集群
  在以前我们在私有环境下创建 Kubernetes 集群时，我们需要准备一个硬件/软件的负载均衡器来创建多控制面集群，更多的情况下我们会选择使用 HAProxy + Keepalived 来实现这个功能。一般情况下我们创建2个负载均衡器的虚拟机，然后分配一个 VIP，然后使用 VIP 为负载均衡器提供服务，通过 VIP 将流量重定向到后端的某个 Kubernetes 控制器平面节点上。

接下来我们再来看看如果我们使用 kube-vip 的话会怎样呢？kube-vip 可以通过静态 pod 运行在控制平面节点上，这些 pod 通过ARP 对话来识别每个节点上的其他主机，所以需要在 hosts 文件中设置每个节点的 IP 地址，我们可以选择 BGP 或 ARP 来设置负载平衡器，这与 Metal LB 比较类似。这里我们没有 BGP 服务，只是想快速测试一下，所以这里我们使用 ARP 与静态 pod 的方式。

kube-vip 架构
kube-vip 有许多功能设计选择提供高可用性或网络功能，作为VIP/负载平衡解决方案的一部分。

Cluster
kube-vip 建立了一个多节点或多模块的集群来提供高可用性。在 ARP 模式下，会选出一个领导者，这个节点将继承虚拟 IP 并成为集群内负载均衡的领导者，而在 BGP 模式下，所有节点都会通知 VIP 地址。

当使用 ARP 或 layer2 时，它将使用领导者选举，当然也可以使用 raft 集群技术，但这种方法在很大程度上已经被领导者选举所取代，特别是在集群中运行时。

虚拟IP
集群中的领导者将分配 vip，并将其绑定到配置中声明的选定接口上。当领导者改变时，它将首先撤销 vip，或者在失败的情况下，vip 将直接由下一个当选的领导者分配。

当 vip 从一个主机移动到另一个主机时，任何使用 vip 的主机将保留以前的 vip <-> MAC 地址映射，直到 ARP 过期（通常是30秒）并检索到一个新的 vip <-> MAC 映射，这可以通过使用无偿的 ARP 广播来优化。

ARP
kube-vip可以被配置为广播一个无偿的 arp（可选），通常会立即通知所有本地主机 vip <-> MAC 地址映射已经改变。

下面我们可以看到，当 ARP 广播被接收时，故障转移通常在几秒钟内完成。

64 bytes from 192.168.0.75: icmp_seq=146 ttl=64 time=0.258 ms
64 bytes from 192.168.0.75: icmp_seq=147 ttl=64 time=0.240 ms
92 bytes from 192.168.0.70: Redirect Host(New addr: 192.168.0.75)
Vr HL TOS  Len   ID Flg  off TTL Pro  cks      Src      Dst
 4  5  00 0054 bc98   0 0000  3f  01 3d16 192.168.0.95  192.168.0.75
Request timeout for icmp_seq 148
92 bytes from 192.168.0.70: Redirect Host(New addr: 192.168.0.75)
Vr HL TOS  Len   ID Flg  off TTL Pro  cks      Src      Dst
 4  5  00 0054 75ff   0 0000  3f  01 83af 192.168.0.95  192.168.0.75
Request timeout for icmp_seq 149
92 bytes from 192.168.0.70: Redirect Host(New addr: 192.168.0.75)
Vr HL TOS  Len   ID Flg  off TTL Pro  cks      Src      Dst
 4  5  00 0054 2890   0 0000  3f  01 d11e 192.168.0.95  192.168.0.75
Request timeout for icmp_seq 150
64 bytes from 192.168.0.75: icmp_seq=151 ttl=64 time=0.245 ms

使用 kube-vip
接下来我们来使用 kube-vip 搭建一个高可用的 Kubernetes 集群。先准备6个节点：

• 3个控制平面节点
• 3个 worker 节点
  
  首先在宿主机上面安装相关依赖，包括 kubeadm、kubelet、kubectl 以及一个容器运行时，这里我们使用的是 containerd。

获取 kube-vip 的 docker 镜像，并在 /etc/kuberentes/manifests 中设置静态 pod 的 yaml 资源清单文件，这样 Kubernetes 就会自动在每个控制平面节点上部署 kube-vip 的 pod 了。

# 设置VIP地址
export VIP=192.168.0.100
export INTERFACE=eth0
ctr image pull docker.io/plndr/kube-vip:0.3.1
ctr run --rm --net-host docker.io/plndr/kube-vip:0.3.1 vip \
/kube-vip manifest pod \
--interface $INTERFACE \
--vip $VIP \
--controlplane \
--services \
--arp \
--leaderElection | tee  /etc/kubernetes/manifests/kube-vip.yaml

接下来就可以配置 kubeadm 了，如下所示：

cat > ~/init_kubelet.yaml <<EOF
apiVersion: kubeadm.k8s.io/v1beta2
kind: InitConfiguration
bootstrapTokens:
- token: "9a08jv.c0izixklcxtmnze7"
description: "kubeadm bootstrap token"
ttl: "24h"
nodeRegistration:
criSocket: "/var/run/containerd/containerd.sock"
---
apiVersion: kubeadm.k8s.io/v1beta2
kind: ClusterConfiguration
controlPlaneEndpoint: "192.168.0.100:6443"
---
apiVersion: kubelet.config.k8s.io/v1beta1
kind: KubeletConfiguration
cgroupDriver: "systemd"
protectKernelDefaults: true
EOF
kubeadm init --config init_kubelet.yaml --upload-certs

然后安装 CNI，比如我们选择使用 Cilium。

curl https://raw.githubusercontent.com/helm/helm/master/scripts/get-helm-3 | bash
helm repo add cilium https://helm.cilium.io/
helm install cilium cilium/cilium --version 1.9.4 \
--namespace kube-system

在第一个控制平面节点准备好后，让其他节点加入你的集群。对于其他控制平面节点，运行如下命令：

kubeadm join 192.168.0.100:6443 --token hash.hash\
     --discovery-token-ca-cert-hash sha256:hash \
     --control-plane --certificate-key key

对于工作节点，运行类似命令：

kubeadm join 192.168.0.100:6443 --token hash.hash\
    --discovery-token-ca-cert-hash sha256:hash

正常执行完成后集群就可以启动起来了：

# kubectl get node -o wide
NAME           STATUS   ROLES                  AGE    VERSION   INTERNAL-IP   EXTERNAL-IP   OS-IMAGE             KERNEL-VERSION     CONTAINER-RUNTIME
k8s-master-0   Ready    control-plane,master   121m   v1.20.2   192.168.0.201   <none>        Ubuntu 20.04.2 LTS   5.4.0-45-generic   containerd://1.4.3
k8s-master-1   Ready    control-plane,master   114m   v1.20.2   192.168.0.202   <none>        Ubuntu 20.04.2 LTS   5.4.0-45-generic   containerd://1.4.3
k8s-master-2   Ready    control-plane,master   113m   v1.20.2   192.168.0.203   <none>        Ubuntu 20.04.2 LTS   5.4.0-45-generic   containerd://1.4.3
k8s-worker-0   Ready    <none>                 114m   v1.20.2   192.168.0.204   <none>        Ubuntu 20.04.2 LTS   5.4.0-45-generic   containerd://1.4.3
k8s-worker-1   Ready    <none>                 114m   v1.20.2   192.168.0.205   <none>        Ubuntu 20.04.2 LTS   5.4.0-45-generic   containerd://1.4.3
k8s-worker-2   Ready    <none>                 112m   v1.20.2   192.168.0.206   <none>        Ubuntu 20.04.2 LTS   5.4.0-45-generic   containerd://1.4.3

现在可以看到我们的控制面的端点是 192.168.0.100，没有其他额外的节点，是不是非常方便。

参考文档：https://inductor.medium.com/say-good-bye-to-haproxy-and-keepalived-with-kube-vip-on-your-ha-k8s-control-plane-bb7237eca9fc。