Kubernetns LB方案:无需云厂商的动态DNS和负载均衡

发布于 2022-7-1 14:52
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作者 | 祝祥 翻译

来源 | 新钛云服(ID:newtyun)

转载请联系授权(微信ID:zlm935177782)

我们经常谈论托管Kubernetes或在云中运行的Kubernetes,但我们也在非云的环境(例如VMware或裸机服务器)上运行Kubernetes。

您可能还会听到很多有关云供应商集成的经典案例:您可以获取无密码凭据来访问托管服务,无需手动干预即可配置云负载均衡器,自动创建DNS条目等。

在本地运行时,通常无法使用这些集成功能,除非您使用的是受支持的云平台(如 OpenStack)。那么当在裸机或VM上运行时,如何获得Cloud Native环境的自动化优势?

所以让我们一步一步去看我们所想实现的功能。

本文中使用的所有清单均可在github项目中(https://github.com/clusterfrak-dynamics/gitops-template)获取。

GitOps
与往常一样,我们使用GitOps和FluxCD将我们的资源部署到集群中,无论它们是在云上还是在本地。你可以参考跟多我们关于Flux的文章。

首先,您可以使用我们的GitOps模板,并根据需要对其进行自定义。kubectl如果更合适,您也可以直接部署清单 。

以下让我们深入研究我们的组件。

负载均衡
在云上运行kubernetns时,通常可以立即使用Load Balancer。在裸机或VM上运行时,负载均衡器保持pending不可用状态。

因此,首先,我们希望我们的服务类型LoadBalancer不处于pending不可用状态,并且能够在需要时提供动态负载平衡器,而无需手动配置haproxy或其他类似的服务。

metallb可以提供两种模式的虚拟负载均衡器的实现:

  • BGP协议
  • ARP

后者更简单,因为它可以在几乎任何二层网络上工作,而无需进一步配置。

在ARP模式下,metallb的配置非常简单。您只需要给它提供一些可以使用的IP就可以了。

配置清单可在此处或官方文件中找到。要配置所需的IP地址,可以使用ConfigMap完成。

apiVersion: v1
kind: ConfigMap
metadata:
  namespace: metallb-system
  name: config
data:
  config: |
    address-pools:
    - name: default
      protocol: layer2
      addresses:
      - 10.10.39.200-10.10.39.220

您还需要生成一个密钥来加密Metallb组件通信,您可以使用以下脚本来生成Kubernetes secret yaml:

kubectl create secret generic -n metallb-system memberlist --from-literal=secretkey="$(openssl rand -base64 128)" -o yaml --dry-run=client > metallb-secret.yaml

部署完所有内容后,您应该在metallb-system namespace内看到相应的pods :

NAME                          READY   STATUS    RESTARTS   AGE
controller-57f648cb96-tvr9q   1/1     Running   0          2d1h
speaker-7rd8p                 1/1     Running   0          2d1h
speaker-7t7rg                 1/1     Running   0          2d1h
speaker-8qm2t                 1/1     Running   0          2d1h
speaker-bks4s                 1/1     Running   0          2d1h
speaker-cz6bc                 1/1     Running   0          2d1h
speaker-h8b54                 1/1     Running   0          2d1h
speaker-j6bss                 1/1     Running   0          2d1h
speaker-phvv7                 1/1     Running   0          2d1h
speaker-wdwjc                 1/1     Running   0          2d1h
speaker-xj25p                 1/1     Running   0          2d1h

现在,我们准备测试负载均衡器。为此,我们直接进入下一个主题。

Ingress controller
在云上运行时,除了经典的4层负载均衡器以外,您有时还可以在GCP和AWS上获得7层负载均衡器(例如,应用程序负载均衡器)。但是它们的功能有限,而且成本效益不高,而且您经常需要一个ingress controller来管理来自Kubernetes集群的流量。

这个ingress controller通常通过服务类型为LoadBalancer在外部发布。这就是为什么我们以前的metallb部署会派上用场。

第一个也是最常用的ingress controller之一是nginx-ingress,它可以轻松地与Helm一起部署。

由于我们将Flux与Helm Operator结合使用,因此根据我们使用的Helm,您可以参考以下values.yaml配置:

因为我们将Flux与Helm Operator结合使用,所以我们使用了一个Helm Release 的版本,您可以从中得到values.yaml,以下展示了我们的配置:

apiVersion: helm.fluxcd.io/v1
kind: HelmRelease
metadata:
  name: nginx-ingress
  namespace: nginx-ingress
spec:
  releaseName: nginx-ingress
  chart:
    repository: https://kubernetes-charts.storage.googleapis.com
    version: 1.36.3
    name: nginx-ingress
  values:
    controller:
      publishService:
        enabled: true
      kind: "DaemonSet"
      service:
        enabled: true
        externalTrafficPolicy: Local
      daemonset:
        hostPorts:
          http: 80
          https: 443
    defaultBackend:
      replicaCount: 2
    podSecurityPolicy:
      enabled: true

没有什么特别之处,我们使用的是DaemonSet,默认情况下是使用的服务类型为LoadBalancer。

如果我们检查新部署的版本:

$ kubectl -n nginx-ingress get helmreleases.helm.fluxcd.io
NAME            RELEASE         PHASE       STATUS     MESSAGE                                                                       AGE
nginx-ingress   nginx-ingress   Succeeded   deployed   Release was successful for Helm release 'nginx-ingress' in 'nginx-ingress'.   2d1h

or

$ helm -n nginx-ingress ls
NAME            NAMESPACE       REVISION        UPDATED                                 STATUS          CHART                   APP VERSION
nginx-ingress   nginx-ingress   2               2020-05-12 15:06:25.832403094 +0000 UTC deployed        nginx-ingress-1.36.3    0.30.0

$ kubectl -n nginx-ingress get svc
NAME                            TYPE           CLUSTER-IP       EXTERNAL-IP    PORT(S)                      AGE
nginx-ingress-controller        LoadBalancer   10.108.113.212   10.10.39.200   80:31465/TCP,443:30976/TCP   2d1h
nginx-ingress-default-backend   ClusterIP      10.102.217.148   <none>         80/TCP                       2d1h

我们可以看到,我们的服务是LoadBalancer类型,外部IP是我们在之前metallb的ConfigMap中定义的。

让我们创建一个demo namespace并检查创建ingress时的行为:

$ kubectl create namespace demo
---
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  labels:
    app: nginx
  name: nginx
  namespace: demo
spec:
  selector:
    matchLabels:
      app: nginx
  template:
    metadata:
      labels:
        app: nginx
    spec:
      containers:
      - image: nginx
        name: nginx
---
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  labels:
    app: nginx
  name: nginx
  namespace: demo
spec:
  ports:
  - port: 80
    protocol: TCP
    targetPort: 80
  selector:
    app: nginx
---
apiVersion: networking.k8s.io/v1beta1
kind: Ingress
metadata:
  annotations:
    kubernetes.io/ingress.class: nginx
  name: nginx
  namespace: demo
spec:
  rules:
  - host: nginx.test.org
    http:
      paths:
      - backend:
          serviceName: nginx
          servicePort: 80

nginx-ingress 能够在默认情况下发布服务,这意味着它可以向ingress对象报告负载平衡器IP地址:

$ kubectl -n demo get ingress
NAME    CLASS    HOSTS            ADDRESS        PORTS     AGE
nginx   <none>   nginx.test.org   10.10.39.200   80, 443   47h

我们可以看到,LoadBalancer IP地址已嵌入到ingress中。这是能够使用external DNS的要求之一,这也是我们的下一个主题。

External DNS
现在我们已经有了4层负载平衡器(metallb),它们可以将流量传送到群集中的7层负载平衡器(nginx-ingress),我们如何动态管理DNS?一个常用的工具是 external-dns(https://github.com/kubernetes-sigs/external-dns)使Kubernetes Services和Ingress与DNS平台保持同步。

如果您正在使用一种广泛使用的DNS平台(AWS Route53或 Google Cloud DNS),这将非常简单易用。External DNS还支持其他DNS供应商,但是如果您没有使用直接支持的DNS供应商,您可能就会比较麻烦。

比方说,您的本地DNS由Active Directory管理,因为External DNS无法直接写入Active Directory DNS,所以最终导致DNS解析不可用。

那么我们如何才能获得动态DNS功能呢?当然,你可以使用一个通配符DNS记录并将其指向到nginx-ingress负载平衡器IP,这是一种方法。如果您只使用一个LoadBalancer作为集群的入口,但如果您希望使用HTTP或其他类型LoadBalancer服务以外的协议,则仍需要手动更新一些DNS记录。

另一个解决方案是为您的群集指定DNS zone。

External DNS支持CoreDNS作为后端,因此我们可以将active directory的DNS Zone指派给Kubernetes中运行的CoreDNS服务器。

注意事项
听起来很简单,但是当深入研究external-dns/CoreDNS部分时,我们注意到与External DNS一起使用的CoreDNS唯一受支持的后端是Etcd。所以我们需要一个Etcd集群。您可能还注意到readme依赖于etcd-operator,它现在已被弃用,而且它也不不支持加密与etcd的通信。

我们发布了最新指南。首先,我们将使用Cilium的etcd-operator来配置3个节点的etcd集群并生成TLS。

Etcd operator
首先,我们应用etcd的 Custom Resource Definition:(https://kubernetes.io/docs/concepts/extend-kubernetes/api-extension/custom-resources/):

---
apiVersion: apiextensions.k8s.io/v1beta1
kind: CustomResourceDefinition
metadata:
  name: etcdclusters.etcd.database.coreos.com
spec:
  additionalPrinterColumns:
  - JSONPath: .metadata.creationTimestamp
    description: 'CreationTimestamp is a timestamp representing the server time when
      this object was created. It is not guaranteed to be set in happens-before order
      across separate operations. Clients may not set this value. It is represented
      in RFC3339 form and is in UTC. Populated by the system. Read-only. Null for
      lists. More info: https://git.k8s.io/community/contributors/devel/api-conventions.md#metadata'
    name: Age
    type: date
  group: etcd.database.coreos.com
  names:
    kind: EtcdCluster
    listKind: EtcdClusterList
    plural: etcdclusters
    shortNames:
    - etcd
    singular: etcdcluster
  scope: Namespaced
  version: v1beta2
  versions:
  - name: v1beta2
    served: true
    storage: true

然后我们可以部署Etcd operator。

很快我们就可以得到etcd pod和secrets了:

$ kubectl -n external-dns get pods

NAME                                    READY   STATUS    RESTARTS   AGE
cilium-etcd-mnphzk2tjl                  1/1     Running   0          2d1h
cilium-etcd-operator-55d89bbff7-cw8rc   1/1     Running   0          2d1h
cilium-etcd-tsxm5rsckj                  1/1     Running   0          2d1h
cilium-etcd-wtnqt22ssg                  1/1     Running   0          2d1h
etcd-operator-6c57fff6f5-g92pc          1/1     Running   0          2d1h

$ kubectl -n external-dns get secrets
NAME                                 TYPE                                  DATA   AGE
cilium-etcd-client-tls               Opaque                                3      2d1h
cilium-etcd-operator-token-zmjcl     kubernetes.io/service-account-token   3      2d1h
cilium-etcd-peer-tls                 Opaque                                3      2d1h
cilium-etcd-sa-token-5dhtn           kubernetes.io/service-account-token   3      2d1h
cilium-etcd-secrets                  Opaque                                3      2d1h
cilium-etcd-server-tls               Opaque                                3      2d1h

CoreDNS
然后,我们可以使用官方Helm chat部署CoreDNS 。

就像以前一样,我们的资源是*HelmRelease*(https://github.com/clusterfrak-dynamics/gitops-template/blob/master/flux/resources/external-dns/coredns.yaml)。如果需要values.yaml,您可以从中获取:

apiVersion: helm.fluxcd.io/v1
kind: HelmRelease
metadata:
  name: coredns
  namespace: external-dns
spec:
  releaseName: coredns
  chart:
    repository: https://kubernetes-charts.storage.googleapis.com
    version: 1.10.1
    name: coredns
  values:
    serviceType: "NodePort"
    replicaCount: 2
    serviceAccount:
      create: true
    rbac:
      pspEnable: true
    isClusterService: false
    extraSecrets:
    - name: cilium-etcd-client-tls
      mountPath: /etc/coredns/tls/etcd
    servers:
      - zones:
        - zone: .
        port: 53
        plugins:
        - name: errors
        - name: health
          configBlock: |-
            lameduck 5s
        - name: ready
        - name: prometheus
          parameters: 0.0.0.0:9153
        - name: forward
          parameters: . /etc/resolv.conf
        - name: cache
          parameters: 30
        - name: loop
        - name: reload
        - name: loadbalance
        - name: etcd
          parameters: test.org
          configBlock: |-
            stubzones
            path /skydns
            endpoint https://cilium-etcd-client.external-dns.svc:2379
            tls /etc/coredns/tls/etcd/etcd-client.crt /etc/coredns/tls/etcd/etcd-client.key /etc/coredns/tls/etcd/etcd-client-ca.crt

重要的几行如下:

extraSecrets:
- name: cilium-etcd-client-tls
  mountPath: /etc/coredns/tls/etcd
and
- name: etcd
  parameters: test.org
  configBlock: |-
    stubzones
    path /skydns
    endpoint https://cilium-etcd-client.external-dns.svc:2379
    tls /etc/coredns/tls/etcd/etcd-client.crt /etc/coredns/tls/etcd/etcd-client.key /etc/coredns/tls/etcd/etcd-client-ca.crt

我们正在安装并使用etcd secret与etcd进行TLS通信。

External DNS
最后,我们可以打包并安装external DNS。和往常一样,我们将使用官方的Helm chat(https://github.com/helm/charts/tree/master/stable/external-dns)和HelmRelease(https://github.com/clusterfrak-dynamics/gitops-template/blob/master/flux/resources/external-dns/external-dns.yaml):

apiVersion: helm.fluxcd.io/v1
kind: HelmRelease
metadata:
  name: external-dns
  namespace: external-dns
spec:
  releaseName: external-dns
  chart:
    repository: https://charts.bitnami.com/bitnami
    version: 2.22.4
    name: external-dns
  values:
    provider: coredns
    policy: sync
    coredns:
      etcdEndpoints: "https://cilium-etcd-client.external-dns.svc:2379"
      etcdTLS:
        enabled: true
        secretName: "cilium-etcd-client-tls"
        caFilename: "etcd-client-ca.crt"
        certFilename: "etcd-client.crt"
        keyFilename: "etcd-client.key"

这里,与以前一样,我们提供了etcd TLS的secret名称和路径,以确保通信安全,并且我们启用了coredns。

这是我们的最终external-dns namespace:

$ kubectl -n external-dns get svc
NAME                 TYPE        CLUSTER-IP     EXTERNAL-IP   PORT(S)                     AGE
cilium-etcd          ClusterIP   None           <none>        2379/TCP,2380/TCP           2d2h
cilium-etcd-client   ClusterIP   10.105.37.25   <none>        2379/TCP                    2d2h
coredns-coredns      NodePort    10.99.62.135   <none>        53:31071/UDP,53:30396/TCP   2d1h
external-dns         ClusterIP   10.103.88.97   <none>        7979/TCP                    2d1h
$ kubectl -n external-dns get pods
NAME                                    READY   STATUS    RESTARTS   AGE
cilium-etcd-mnphzk2tjl                  1/1     Running   0          2d2h
cilium-etcd-operator-55d89bbff7-cw8rc   1/1     Running   0          2d2h
cilium-etcd-tsxm5rsckj                  1/1     Running   0          2d2h
cilium-etcd-wtnqt22ssg                  1/1     Running   0          2d2h
coredns-coredns-5c86dd5979-866s2        1/1     Running   0          2d
coredns-coredns-5c86dd5979-vq86w        1/1     Running   0          2d
etcd-operator-6c57fff6f5-g92pc          1/1     Running   0          2d2h
external-dns-96d9fbc64-j22pf            1/1     Running   0          2d1h

如果您回头看一下我们的ingress:

---
apiVersion: networking.k8s.io/v1beta1
kind: Ingress
metadata:
  annotations:
    kubernetes.io/ingress.class: nginx
  name: nginx
  namespace: demo
spec:
  rules:
  - host: nginx.test.org
    http:
      paths:
      - backend:
          serviceName: nginx
          servicePort: 80
$ kubectl -n demo get ingress

NAME    CLASS    HOSTS            ADDRESS        PORTS     AGE
nginx   <none>   nginx.test.org   10.10.39.200   80, 443   2d

让我们检查此ingress是否已被external dns接收并插入etcd数据库:

$ kubectl -n external-dns logs -f external-dns-96d9fbc64-j22pf
time="2020-05-12T15:23:52Z" level=info msg="Add/set key /skydns/org/test/nginx/4781436c to Host=10.10.39.200, Text=\"heritage=external-dns,external-dns/owner=default,external-dns/resource=ingress/demo/nginx\", TTL=0"

External DNS似乎正在发挥作用。现在,让我们看看是否可以直接从CoreDNS解析查询,因为它应该是从同一etcd服务器读取的。

CoreDNS正在监听NodePort服务,这意味着我们可以查询该服务上的任何节点NodePort:

$ kubectl -n external-dns get svc coredns-coredns
NAME                 TYPE        CLUSTER-IP     EXTERNAL-IP   PORT(S)                     AGE
coredns-coredns      NodePort    10.99.62.135   <none>        53:31071/UDP,53:30396/TCP   2d1h

53/UDP端口映射到端口31071/UDP。让我们选择一个随机节点:

NAME STATUS   ROLES    AGE   VERSION   INTERNAL-IP    EXTERNAL-IP   OS-IMAGE             KERNEL-VERSION      CONTAINER-RUNTIME
m1   Ready    master   15d   v1.18.2   10.10.40.10    <none>        Ubuntu 18.04.3 LTS   4.15.0-99-generic   containerd://1.3.4
n1   Ready    <none>   15d   v1.18.2   10.10.40.110   <none>        Ubuntu 18.04.3 LTS   4.15.0-99-generic   containerd://1.3.4
n2   Ready    <none>   15d   v1.18.2   10.10.40.120   <none>        Ubuntu 18.04.3 LTS   4.15.0-74-generic   containerd://1.3.4

并尝试使用以下方式进行DNS查询dig:

root@inf-k8s-epi-m5:~# dig -p 31071 nginx.test.org @10.10.40.120

; <<>> DiG 9.11.3-1ubuntu1.11-Ubuntu <<>> -p 31071 nginx.test.org @10.10.40.120
;; global options: +cmd
;; Got answer:
;; ->>HEADER<<- opcode: QUERY, status: NOERROR, id: 61245
;; flags: qr aa rd; QUERY: 1, ANSWER: 1, AUTHORITY: 0, ADDITIONAL: 1
;; WARNING: recursion requested but not available
;; OPT PSEUDOSECTION:
; EDNS: version: 0, flags:; udp: 4096
; COOKIE: ef8ff2732b2dc6fd (echoed)
;; QUESTION SECTION:
;nginx.test.org.                        IN      A
;; ANSWER SECTION:
nginx.test.org.         30      IN      A       10.10.39.200
;; Query time: 2 msec
;; SERVER: 10.10.40.120#31071(10.10.40.120)
;; WHEN: Thu May 14 16:26:07 UTC 2020
;; MSG SIZE  rcvd: 85

我们可以看到CoreDNS正在使用MetalLB负载均衡器IP进行回复。

快速启动并运行
在本指南中,我们配置了CoreDNS,External DNS,Nginx Ingress和MetalLB,以提供与Cloud架构一样的动态体验。如果您想快速入门,请查看我们的Flux github仓库地址,其中包含用于此演示的所有清单以及更多内容(https://github.com/clusterfrak-dynamics/gitops-template/tree/master/flux)。

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已于2022-7-1 14:52:27修改
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