CentOS7上使用Kubernetes管理容器
1. 前言
上一节我们阐述了Kubernetes的系统架构，让大家对Kubernetes有一定的初步了解，但是就如何使用Kubernetes， 也许大家还不知如何下手。本文作者将带领大家如何在本地部署、配置Kubernetes集群网络环境以及通过实例演示跨机器服务间的通信，主要包括如下内容：
- 部署环境介绍
- Kubernetes集群逻辑架构
- 部署Open vSwitch、Kubernetes、Etcd组件
- 演示Kubernetes管理容器
2. 部署环境
- VMware Workstation：10.0.3
- VMware Workstation网络模式：NAT
- 操作系统信息：CentOS 7 64位
- Open vSwitch版本信息：2.3.0
- Kubernetes版本信息：0.5.2
- Etcd版本信息：0.4.6
- Docker版本信息：1.3.1
服务器信息:
| Role | Hostname | IP Address | |:---------:|:----------:|:----------: | |APIServer |kubernetes |192.168.230.3| |Minion | minion1 |192.168.230.4| |Minion | minion2 |192.168.230.5|
3. Kubernetes集群逻辑架构
在详细介绍部署Kubernetes集群前，先给大家展示下集群的逻辑架构。从下图可知，整个系统分为两部分，第一部分是Kubernetes APIServer，是整个系统的核心，承担集群中所有容器的管理工作；第二部分是minion，运行Container Daemon，是所有容器栖息之地，同时在minion上运行Open vSwitch程序，通过GRE Tunnel负责minion之间Pod的网络通信工作。
4. 部署Open vSwitch、Kubernetes、Etcd组件
4.1 安装Open vSwitch及配置GRE
为了解决跨minion之间Pod的通信问题，我们在每个minion上安装Open vSwtich，并使用GRE或者VxLAN使得跨机器之间Pod能相互通信，本文使用GRE，而VxLAN通常用在需要隔离的大规模网络中。对于Open vSwitch的具体安装步骤，可参考这篇博客，我们在这里就不再详细介绍安装步骤了。安装完Open vSwitch后，接下来便建立minion1和minion2之间的隧道。首先在minion1和minion2上建立OVS Bridge,
[root@minion1 ~]# ovs-vsctl add-br obr0
接下来建立gre，并将新建的gre0添加到obr0，在minion1上执行如下命令，
在minion2上执行,
[root@minion2 ~]# ovs-vsctl add-port obr0 gre0 -- set Interface gre0 type=gre options:remote_ip=192.168.230.4
至此，minion1和minion2之间的隧道已经建立。然后我们在minion1和minion2上创建Linux网桥kbr0替代Docker默认的docker0（我们假设minion1和minion2都已安装Docker），设置minion1的kbr0的地址为172.17.1.1/24， minion2的kbr0的地址为172.17.2.1/24，并添加obr0为kbr0的接口，以下命令在minion1和minion2上执行。
[root@minion1 ~]# brctl addbr kbr0 //创建linux bridge [root@minion1 ~]# brctl addif kbr0 obr0 //添加obr0为kbr0的接口 [root@minion1 ~]# ip link set dev docker0 down //设置docker0为down状态 [root@minion1 ~]# ip link del dev docker0 //删除docker0
为了使新建的kbr0在每次系统重启后任然有效，我们在/etc/sysconfig/network-scripts/目录下新建minion1的ifcfg-kbr0如下：
DEVICE=kbr0 ONBOOT=yes BOOTPROTO=static IPADDR=172.17.1.1 NETMASK=255.255.255.0 GATEWAY=172.17.1.0 USERCTL=no TYPE=Bridge IPV6INIT=no
同样在minion2上新建ifcfg-kbr0，只需修改ipaddr为172.17.2.1和gateway为172.17.2.0即可，然后执行systemctl restart network重启系统网络服务，你能在minion1和minion2上发现kbr0都设置了相应的IP地址。为了验证我们创建的隧道是否能通信，我们在minion1和minion2上相互ping对方kbr0的IP地址，从下面的结果发现是不通的，经查找这是因为在minion1和minion2上缺少访问172.17.1.1和172.17.2.1的路由，因此我们需要添加路由保证彼此之间能通信。
[root@minion1 network-scripts]# ping 172.17.2.1 PING 172.17.2.1 (172.17.2.1) 56(84) bytes of data. ^C --- 172.17.2.1 ping statistics --- 2 packets transmitted, 0 received, 100% packet loss, time 1000ms [root@minion2 ~]# ping 172.17.1.1 PING 172.17.1.1 (172.17.1.1) 56(84) bytes of data. ^C --- 172.17.1.1 ping statistics --- 2 packets transmitted, 0 received, 100% packet loss, time 1000ms
由于通过ip route add添加的路由会在下次系统重启后失效，为此我们在/etc/sysconfig/network-scripts目录下新建一个文件route-eth0存储路由，这里需要注意的是route-eth0和ifcfg-eth0的黑体部分必须保持一致，否则不能工作，这样添加的路由在下次重启后不会失效。为了保证两台minion的kbr0能相互通信，我们在minion1的route-eth0里添加路由172.17.2.0/24 via 192.168.230.5 dev eno16777736，eno16777736是minion1的网卡，同样在minion2的route-eth0里添加路由172.17.1.0/24 via 192.168.230.4 dev eno16777736。重启网络服务后再次验证，彼此kbr0的地址可以ping通，如：
[root@minion2 network-scripts]# ping 172.17.1.1 PING 172.17.1.1 (172.17.1.1) 56(84) bytes of data. 64 bytes from 172.17.1.1: icmp_seq=1 ttl=64 time=2.49 ms 64 bytes from 172.17.1.1: icmp_seq=2 ttl=64 time=0.512 ms ^C --- 172.17.1.1 ping statistics --- 2 packets transmitted, 2 received, 0% packet loss, time 1002ms rtt min/avg/max/mdev = 0.512/1.505/2.498/0.993 ms
到现在我们已经建立了两minion之间的隧道，而且能正确的工作。下面我们将介绍如何安装Kubernetes APIServer及kubelet、proxy等服务。
4.2 安装Kubernetes APIServer
在安装APIServer之前，我们先下载Kubernetes及Etcd，做一些准备工作。在kubernetes上的具体操作如下：
[root@kubernetes ~]# mkdir /tmp/kubernetes [root@kubernetes ~]# cd /tmp/kubernetes/ [root@kubernetes kubernetes]# wget https://github.com/GoogleCloudPlatform/kubernetes/releases/download/v0.5.2/kubernetes.tar.gz [root@kubernetes kubernetes]# wget https://github.com/coreos/etcd/releases/download/v0.4.6/etcd-v0.4.6-linux-amd64.tar.gz
然后解压下载的kubernetes和etcd包，并在kubernetes、minion1、minion2上创建目录/opt/kubernetes/bin，
[root@kubernetes kubernetes]# mkdir -p /opt/kubernetes/bin [root@kubernetes kubernetes]# tar xf kubernetes.tar.gz [root@kubernetes kubernetes]# tar xf etcd-v0.4.6-linux-amd64.tar.gz [root@kubernetes kubernetes]# cd ~/kubernetes/server [root@kubernetes server]# tar xf kubernetes-server-linux-amd64.tar.gz [root@kubernetes kubernetes]# /tmp/kubernetes/kubernetes/server/kubernetes/server/bin
复制kube-apiserver，kube-controller-manager，kube-scheduler，kubecfg到kubernetes的/opt/kubernetes/bin目录下，而kubelet，kube-proxy则复制到minion1和minion2的/opt/kubernetes/bin，并确保都是可执行的。
[root@kubernetes amd64]# cp kube-apiserver kube-controller-manager kubecfg kube-scheduler /opt/kubernetes/bin [root@kubernetes amd64]# scp kube-proxy kubelet [email protected]:/opt/kubernetes/bin [root@kubernetes amd64]# scp kube-proxy kubelet [email protected]:/opt/kubernetes/bin
为了简单我们只部署一台etcd服务器，如果需要部署etcd的集群，请参考官方文档，在本文中将其跟Kubernetes APIServer部署同一台机器上，而且将etcd放置在/opt/kubernetes/bin下，etcdctl跟ectd同一目录。
[root@kubernetes kubernetes]# cd /tmp/kubernetes/etcd-v0.4.6-linux-amd64 [root@kubernetes etcd-v0.4.6-linux-amd64]# cp etcd etcdctl /opt/kubernetes/bin
需注意的是kubernetes和minion上/opt/kubernetes/bin目录下的文件都必须是可执行的。到目前，我们准备工作已经差不多，现在开始给apiserver，controller-manager，scheduler，etcd配置unit文件。首先我们用如下脚本etcd.sh配置etcd的unit文件，
#!/bin/sh
ETCD_PEER_ADDR=192.168.230.3:7001
ETCD_ADDR=192.168.230.3:4001
ETCD_DATA_DIR=/var/lib/etcd
ETCD_NAME=kubernetes
! test -d $ETCD_DATA_DIR && mkdir -p $ETCD_DATA_DIR
cat <<EOF >/usr/lib/systemd/system/etcd.service
[Unit]
Description=Etcd Server
[Service]
ExecStart=/opt/kubernetes/bin/etcd \\
-peer-addr=$ETCD_PEER_ADDR \\
-addr=$ETCD_ADDR \\
-data-dir=$ETCD_DATA_DIR \\
-name=$ETCD_NAME \\
-bind-addr=0.0.0.0
[Install]
WantedBy=multi-user.target
EOF
systemctl daemon-reload
systemctl enable etcd
systemctl start etcd对剩下的apiserver,controller-manager,scheduler的unit文件配置的脚本，可以在github 上GetStartingKubernetes找到，在此就不一一列举。运行相应的脚本后，在APIServer上etcd, apiserver, controller-manager, scheduler服务就能正常运行。
4.3 安装Kubernetes Kubelet及Proxy
根据Kubernetes的设计架构，需要在minion上部署docker, kubelet, kube-proxy，在4.2节部署APIServer时，我们已经将kubelet和kube-proxy已经分发到两minion上，所以只需配置docker,kubelet,proxy的unit文件，然后启动服务就即可，具体配置见GetStartingKubernetes。
5. 演示Kubernetes管理容器
为了方便，我们使用Kubernetes提供的例子Guestbook来演示Kubernetes管理跨机器运行的容器，下面我们根据Guestbook的步骤创建容器及服务。在下面的过程中如果是第一次操作，可能会有一定的等待时间，状态处于pending，这是因为第一次下载images需要一段时间。
5.1 创建redis-master Pod和redis-master服务
[root@kubernetes ~]# cd /tmp/kubernetes/kubernetes/examples/guestbook [root@kubernetes guestbook]# kubecfg -h http://192.168.230.3:8080 -c redis-master.json create pods [root@kubernetes guestbook]# kubecfg -h http://192.168.230.3:8080 -c redis-master-service.json create services
完成上面的操作后，我们可以看到如下redis-master Pod被调度到192.168.230.4。
[root@kubernetes guestbook]# kubecfg -h http://192.168.230.3:8080 list pods Name Image(s) Host Labels Status ---------- ---------- ---------- ---------- ---------- redis-master dockerfile/redis 192.168.230.4/ name=redis-master Running
但除了发现redis-master的服务之外���还有两个Kubernetes系统默认的服务kubernetes-ro和kubernetes。而且我们可以看到每个服务都有一个服务IP及相应的端口，对于服务IP，是一个虚拟地址，根据apiserver的portal_net选项设置的CIDR表示的IP地址段来选取，在我们的集群中设置为10.10.10.0/24。为此每新创建一个服务，apiserver都会在这个地址段中随机选择一个IP作为该服务的IP地址，而端口是事先确定的。对redis-master服务，其服务地址为10.10.10.206，端口为6379。
[root@kubernetes guestbook]# kubecfg -h http://192.168.230.3:8080 list services Name Labels Selector IP Port ---------- ---------- ---------- ---------- ---------- kubernetes-ro component=apiserver,provider=kubernetes 10.10.10.207 80 redis-master name=redis-master name=redis-master 10.10.10.206 6379 kubernetes component=apiserver,provider=kubernetes 10.10.10.161 443
5.2 创建redis-slave Pod和redis-slave服务
[root@kubernetes guestbook]# kubecfg -h http://192.168.230.3:8080 -c redis-slave-controller.json create replicationControllers [root@kubernetes guestbook]# kubecfg -h http://192.168.230.3:8080 -c redis-slave-service.json create services
然后通过list命令可知新建的redis-slave Pod根据调度算法调度到两台minion上，服务IP为10.10.10.92，端口为6379
[root@kubernetes guestbook]# kubecfg -h http://192.168.230.3:8080 list pods Name Image(s) Host Labels Status ---------- ---------- ---------- ---------- ---------- redis-master dockerfile/redis 192.168.230.4/ name=redis-master Running 8c0ddbda-728c-11e4-8233-000c297db206 brendanburns/redis-slave 192.168.230.5/ name=redisslave,uses=redis-master Running 8c0e1430-728c-11e4-8233-000c297db206 brendanburns/redis-slave 192.168.230.4/ name=redisslave,uses=redis-master Running [root@kubernetes guestbook]# kubecfg -h http://192.168.230.3:8080 list services Name Labels Selector IP Port ---------- ---------- ---------- ---------- ---------- redisslave name=redisslave name=redisslave 10.10.10.92 6379 kubernetes component=apiserver,provider=kubernetes 10.10.10.161 443 kubernetes-ro component=apiserver,provider=kubernetes 10.10.10.207 80 redis-master name=redis-master name=redis-master 10.10.10.206 6379
5.3 创建Frontend Pod和Frontend服务
在创建之前修改frontend-controller.json的Replicas数量为2，这是因为我们的集群中只有2台minion，如果按照frontend-controller.json的Replicas默认值3，那会导致有2个Pod会调度到同一台minion上，产生端口冲突，有一个Pod会一直处于pending状态，不能被调度。
[root@kubernetes guestbook]# kubecfg -h http://192.168.230.3:8080 -c frontend-controller.json create replicationControllers [root@kubernetes guestbook]# kubecfg -h http://192.168.230.3:8080 -c frontend-service.json create services
通过查看可知Frontend Pod也被调度到两台minion，服务IP为10.10.10.220，端口是80。
[root@kubernetes guestbook]# kubecfg -h http://192.168.230.3:8080 list pods Name Image(s) Host Labels Status ---------- ---------- ---------- ---------- ---------- redis-master dockerfile/redis 192.168.230.4/ name=redis-master Running 8c0ddbda-728c-11e4-8233-000c297db206 brendanburns/redis-slave 192.168.230.5/ name=redisslave,uses=redis-master Running 8c0e1430-728c-11e4-8233-000c297db206 brendanburns/redis-slave 192.168.230.4/ name=redisslave,uses=redis-master Running a880b119-7295-11e4-8233-000c297db206 brendanburns/php-redis 192.168.230.4/ name=frontend,uses=redisslave,redis-master Running a881674d-7295-11e4-8233-000c297db206 brendanburns/php-redis 192.168.230.5/ name=frontend,uses=redisslave,redis-master Running [root@kubernetes guestbook]# kubecfg -h http://192.168.230.3:8080 list services Name Labels Selector IP Port ---------- ---------- ---------- ---------- ---------- kubernetes-ro component=apiserver,provider=kubernetes 10.10.10.207 80 redis-master name=redis-master name=redis-master 10.10.10.206 6379 redisslave name=redisslave name=redisslave 10.10.10.92 6379 frontend name=frontend name=frontend 10.10.10.220 80 kubernetes component=apiserver,provider=kubernetes 10.10.10.161 443
除此之外，你可以删除Pod、Service及更新ReplicationController的Replicas数量等操作，如删除Frontend服务：
[root@kubernetes guestbook]# kubecfg -h http://192.168.230.3:8080 delete services/frontend Status ---------- Success
还可以更新ReplicationController的Replicas的数量，下面是更新Replicas之前ReplicationController的信息。
[root@kubernetes guestbook]# kubecfg -h http://192.168.230.3:8080 list replicationControllers Name Image(s) Selector Replicas ---------- ---------- ---------- ---------- redisSlaveController brendanburns/redis-slave name=redisslave 2 frontendController brendanburns/php-redis name=frontend 2
现在我们想把frontendController的Replicas更新为1，则这行如下命令，然后再通过上面的命令查看frontendController信息，发现Replicas已变为1。
[root@kubernetes guestbook]# kubecfg -h http://192.168.230.3:8080 resize frontendController 1 [root@kubernetes guestbook]# kubecfg -h http://192.168.230.3:8080 list replicationControllers Name Image(s) Selector Replicas ---------- ---------- ---------- ---------- redisSlaveController brendanburns/redis-slave name=redisslave 2 frontendController brendanburns/php-redis name=frontend 1
5.4 演示跨机器服务通信
完成上面的操作后，我们来看当前Kubernetes集群中运行着的Pod信息。
[root@kubernetes guestbook]# kubecfg -h http://192.168.230.3:8080 list pods Name Image(s) Host Labels Status ---------- ---------- ---------- ---------- ---------- a881674d-7295-11e4-8233-000c297db206 brendanburns/php-redis 192.168.230.5/ name=frontend,uses=redisslave,redis-master Running redis-master dockerfile/redis 192.168.230.4/ name=redis-master Running 8c0ddbda-728c-11e4-8233-000c297db206 brendanburns/redis-slave 192.168.230.5/ name=redisslave,uses=redis-master Running 8c0e1430-728c-11e4-8233-000c297db206 brendanburns/redis-slave 192.168.230.4/ name=redisslave,uses=redis-master Running
通过上面的结果可知当前提供前端服务的PHP和提供数据存储的后端服务Redis master的Pod分别运行在192.168.230.5和192.168.230.4上，即容器运行在不同主机上，还有Redis slave也运行在两台不同的主机上，它会从Redis master同步前端写入Redis master的数据。下面我们从两方面验证Kubernetes能提供跨机器间容器的通信：
在浏览器打开http://${IPAddress}:8000，IPAddress为PHP容器运行的minion的IP地址，其暴漏的端口为8000，这里IP_Address为192.168.230.5。打开浏览器会显示如下信息：
你可以输入信息并提交，如"Hello Kubernetes"、"Container"，然后Submit按钮下方会显示你输入的信息。
由于前端PHP容器和后端Redis master容器分别在两台minion上，因此PHP在访问Redis master服务时一定得跨机器通信，可见Kubernetes的实现方式避免了用link只能在同一主机上实现容器间通信的缺陷，对于Kubernetes跨机器通信的实现方法，以后我会详细介绍。
从上面的结果，可得知已经实现了跨机器的通信，现在我们从后端数据层验证不同机器容器间的通信。根据上面的输出结果发现Redis slave和Redis master分别调度到两台不同的minion上，在192.168.230.4主机上执行docker exec -ti c41711cc8971 /bin/sh，c41711cc8971是Redis master的容器ID，进入容器后通过redis-cli命令查看从浏览器输入的信息如下：
如果我们在192.168.230.5上运行的Redis slave容器里查到跟Redis master容器里相同的信息，那说明Redis master和Redis slave之间的数据同步正常工作，下面是从192.168.230.5上运行的Redis slave容器查询到的信息：
由此可见Redis master和Redis slave之间数据同步正常，OVS GRE隧道技术使得跨机器间容器正常通信。
6. 结论
本文主要介绍如何在本地环境部署Kubernetes集群和演示如何通过Kubernetes管理集群中运行的容器，并通过OVS管理集群不同minion的Pod之间的网络通信。接下来会对Kubernetes各个组件源码进行详细分析，阐述Kubernetes的工作原理。
7. 个人简介
杨章显，现就职于Cisco，主要从事WebEx SaaS服务运维，系统性能分析等工作。特别关注云计算，自动化运维，部署等技术，尤其是Go、OpenvSwitch、Docker及其生态圈技术，如Kubernetes、Flocker等Docker相关开源项目。Email: [email protected]
8. 参考资料
- https://n40lab.wordpress.com/2014/09/04/openvswitch-2-3-0-lts-and-centos-7/
- https://github.com/GoogleCloudPlatform/kubernetes/tree/master/examples/guestbook
Kubernetes 的详细介绍：请点这里
Kubernetes 的下载地址：请点这里