Kubernetns LB方案：无需云厂商的动态DNS和负载均衡

本文转载自微信公众号「新钛云服」，作者祝祥 翻译 。转载本文请联系新钛云服公众号。 

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。

metallb-config.yaml：

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          

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