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K3S - 轻量级Kubernetes集群

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K3SRancher 为物联网(IoT)和边缘计算环境开发的轻量级 Kubernetes 发行版本。相比原生的 Kubernetes,其移除了很多非必要的组件,例如云控制管理器(CCM)、内置的(In-Tree)的存储插件等,以及为ARM架构的基础设施做了优化。


K3s 的轻量级同时也体现在其打包成一个二进制可执行文件进行分发,状态存储除了支持 etcd 外,还支持 Sqlite3、MySQl和Postgres。其跟多特性可参考官方文档


K3s 支持单节集群部署(可用于开发测试环境),也支持高可用的多节点集群。同时还可以通过 k3d 项目快速在本地开发环境使用Docker容器部署 k3s 集群作为开发环境。


这里我将演示通过虚拟机部署一个高可用的多节点集群(3个Servers节点 + 3个Agent节点)。

k3S架构

k3s-arch


上图是来自k3s官网的架构图,其架构与Kubernetes的架构是相似的,k3s的server节点也就是控制面节点,agent节点是工作负载节点。k3s默认使用 containerd 作为容器运行时。


更信息的部署架构可参考官方文档

准备虚拟机节点

这里我们将部署 3 + 3 的集群,需要6台虚拟机,基本配置如下

主机名

IP

vCPU

内存

homek3s-server1

192.168.0.150

1

2 GB

homek3s-server2

192.168.0.151

1

2 GB

homek3s-server3

192.168.0.152

1

2 GB

homek3s-agent1

192.168.0.154

2

4 GB

homek3s-agent2

192.168.0.155

2

4 GB

homek3s-agent3

192.168.0.156

2

4 GB

部署的最小需求,可参考官方文档


K3s 支持大部分主流的Linux操作系统,这里我使用的是 openSUSE Leap Micro 15.2,其是一个基于openSUSE,为容器负载而设计的操作系统。


为了部署简单,这里我们禁用了系统的防火墙,如果开启防火墙,需要为Server节点开放如下端口

  • 6443/TCP - Kubernetes API 服务

  • 8472/UDP - Flannel VXLAN模式需要

  • 51820/UDP - Flannel Wireguard后端需要

  • 10250/TCP - Kubelet metrics需要

  • 2379-2380/TCP - 基于内嵌etcd高可用部署模式需要

启动Server节点

首先登陆到第一个Server节点 homek3s-server1,然后下载最新版本(v1.24.3+k3s1)的 k3s 二进制文件

# curl -sfL https://github.com/k3s-io/k3s/releases/download/v1.24.3%2Bk3s1/k3s -o /usr/local/bin/k3s
# chmod +x k3s
# k3s --version
k3s version v1.24.3+k3s1 (990ba0e8)
go version go1.18.1

k3s 支持一下几个子命令

  • k3s server - 用于运行管理服务节点

  • k3s agent - 用于运行agent工作节点

  • k3s kubectl - 运行 kubectl 命令

  • k3s crictl - 运行 crictl 容器管理命令

其他的命令帮助,请通过 k3s --help 查看。


这里我们将要创建一个使用内置etcd数据库的高可用集群,执行如下命令

# k3s server --cluster-init --advertise-address=192.168.0.150 --tls-san=homek3s.mengz.lan --write-kubeconfig-mode=644

参数 --cluster-init 是使用内置的etcd初始户一个新的集群;参数 --advertise-address 是指定API服务器的监听IP地址,如果不指定,默认为节点的IP地址;参数 --tls-san 是指定额外的域名或者IP地址作为TLS证书的SAN,使得我们从客户端可通过域名访问而API服务器。


运行成功后,在 homek3s-server1 打开另一个终端执行

# k3s kubectl get no
NAME              STATUS   ROLES                       AGE   VERSION
homek3s-server1   Ready    control-plane,etcd,master   27h   v1.24.3+k3s1

可以看到,集群中以及运行了一个节点,不过这时k3s服务是启动在前台的,我们需要配置一个 systemd 服务,让其以服务形式运行。创建文件 /etc/systemd/system/k3s.service,内如如下

[Unit]
Description=Lightweight Kubernetes
Documentation=https://k3s.io
After=network-online.target
Wants=network-online.target

[Service]
Type=notify
EnvironmentFile=-/etc/default/%N
EnvironmentFile=-/etc/sysconfig/%N
EnvironmentFile=-/etc/systemd/system/k3s.service.env
ExecStartPre=/bin/sh -xc '! /usr/bin/systemctl is-enabled --quiet nm-cloud-setup.service'
ExecStart=/usr/local/bin/k3s server
KillMode=process
Delegate=yes
# Having non-zero Limit*s causes performance problems due to accounting overhead
# in the kernel. We recommend using cgroups to do container-local accounting.
LimitNOFILE=1048576
LimitNPROC=infinity
LimitCORE=infinity
TasksMax=infinity
TimeoutStartSec=0
Restart=always
RestartSec=5s

[Install]
WantedBy=multi-user.target

终止刚才运行的k3s进程,然后执行

# systemctl enable --now k3s.server

# systemctl status k3s
● k3s.service - Lightweight Kubernetes
     Loaded: loaded (/etc/systemd/system/k3s.service; enabled; vendor preset: disabled)
     Active: active (running) since Fri 2022-07-22 03:31:21 CST; 18h ago
       Docs: https://k3s.io
    Process: 1121 ExecStartPre=/bin/sh -xc ! /usr/bin/systemctl is-enabled --quiet nm-cloud-setup.service (code=exited, status=0/SUCCESS)
   Main PID: 1129 (k3s-server)
      Tasks: 120
     CGroup: /system.slice/k3s.service
     ...

这是后k3s进程将以服务的形式运行在后台了。


执行完上述步骤后,k3s将会生产集群的管理员 kubeconfig 文件 - /etc/rancher/k3s/k3s.yaml,可将该文件拷贝的本地环境,修改 server 内容


server: https://127.0.0.1:6443

server: https://192.168.0.150:6443


这样就可以在本地主机上使用 kubectl 访问集群了。


接下来,我们将在其他Server节点上启动k3s,并作为管理节点加入集群,首先在第一个节点 homek3s-server1 上获取到集群的Token

# cat /var/lib/rancher/k3s/server/node-token 
K1087c3ff53c94a3c3b20475e84602f1e6d46f1b3903f2979f144800990897b06ac::server:fb8e7aa7ba23d7652942b09cb440ba24

SSH登陆其他Server节点(homek3s-server2homek3s-server3),执行如下步骤

  1. 下载相同版本的 k3s 二进制文件到 /usr/local/bin/k3s

  2. 执行如下命令加入集群

# k3s server --server=https://192.168.0.150:6443 --token=${NODE_TOKEN}

其中 ${NODE_TOKEN} 是上面从第一个节点获取的 Token 内容。

  1. 如第一个节点一样,配置 etc/systemd/system/k3s.service,将k3s进程启动以服务方式启动。

完成上述步骤后,通过 kubectl 查看节点

❯ k get no
NAME              STATUS   ROLES                       AGE   VERSION
homek3s-server1   Ready    control-plane,etcd,master   28h   v1.24.3+k3s1
homek3s-server2   Ready    control-plane,etcd,master   27h   v1.24.3+k3s1
homek3s-server3   Ready    control-plane,etcd,master   27h   v1.24.3+k3s1

启动Agent节点

在启动完3个管理节点(Server)的集群之后,我接下来继续添加工作节点(Agent)到集群中,登陆到3个Agent节点之下如下步骤(3个节点上的操作相同)

  1. 下载相同版本的 k3s 二进制文件到 /usr/local/bin/k3s (方法与Server节点上一样)

  2. 执行如下命令,以工作节点加入集群

# k3s agent --server=https://192.168.0.150:6443 --token=${NODE_TOKEN}

${NODE_TOKEN} 是上面获取的节点Token值。


执行成功之后,也需要将 k3s 的 agent 进程以服务方式启动,这里与Server节点有些不同,创建文件 /etc/systemd/system/k3s-agent.service,内容如下

[Unit]
Description=Lightweight Kubernetes
Documentation=https://k3s.io
After=network-online.target
Wants=network-online.target

[Service]
Type=notify
EnvironmentFile=-/etc/default/%N
EnvironmentFile=-/etc/sysconfig/%N
EnvironmentFile=-/etc/systemd/system/k3s-agent.service.env
ExecStartPre=/bin/sh -xc '! /usr/bin/systemctl is-enabled --quiet nm-cloud-setup.service'
ExecStart=/usr/local/bin/k3s agent --server=${K3S_URL} --token=${K3S_TOKEN}
KillMode=process
Delegate=yes
# Having non-zero Limit*s causes performance problems due to accounting overhead
# in the kernel. We recommend using cgroups to do container-local accounting.
LimitNOFILE=1048576
LimitNPROC=infinity
LimitCORE=infinity
TasksMax=infinity
TimeoutStartSec=0
Restart=always
RestartSec=5s

[Install]
WantedBy=multi-user.target

然后再创建文件 /etc/systemd/system/k3s-agent.service.env,内容如下

K3S_URL="https://192.168.0.150:6443"
K3S_TOKEN="K1087c3ff58c94a3c3b20475e84602f8e6d46f1b3903f2979f144800990897b06ac::server:fb8e7aa7ba23d7652942b09cb440ba24"

注意,将以上的 K3S_TOKEN 替换成你的值。然后执行

# sysetmctl enable --now k3s-agent.service

3个Agent节点都启动完成之后,使用 kubectl 查看节点

❯ k get no
NAME              STATUS   ROLES                       AGE   VERSION
homek3s-agent1    Ready    <none>                      27h   v1.24.3+k3s1
homek3s-agent2    Ready    <none>                      26h   v1.24.3+k3s1
homek3s-agent3    Ready    <none>                      26h   v1.24.3+k3s1
homek3s-server1   Ready    control-plane,etcd,master   28h   v1.24.3+k3s1
homek3s-server2   Ready    control-plane,etcd,master   27h   v1.24.3+k3s1
homek3s-server3   Ready    control-plane,etcd,master   27h   v1.24.3+k3s1

可以看到,我们以及通过K3S部署了一个3+3的高可用Kubernetes集群。


k3s-lens

部署应用

成功启动一个K3S集群,除了Kubernetes必要的组件之外,还自动为集群部署以下组件

  • Flennel作为CNI插件

  • rancher-local-path 作为默认的存储类插件

  • Traefik 作为 Ingress 控制器

  • kipper Load Balancer 作为服务的负载均均衡控制器

Traefik的Load Balancer类型的服务就直接通过每个节点的 80 和 443 端口暴露了

❯ k get svc -n kube-system
traefik          LoadBalancer   10.43.66.163   192.168.0.150,192.168.0.151,192.168.0.152,192.168.0.154,192.168.0.155,192.168.0.156   80:30833/TCP,443:32747/TCP   28h

因此,我们可以直接创建应用,并通过Ingress向外暴露服务,这里我们创建一个简单的Web服务,也就是 Docker的教程,创建如下资源文件 docker-tour.yaml

---
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  labels:
    com.docker.project: tutorial
  name: tutorial
spec:
  replicas: 1
  selector:
    matchLabels:
      com.docker.project: tutorial
  strategy:
    type: Recreate
  template:
    metadata:
      labels:
        com.docker.project: tutorial
    spec:
      containers:
        - image: docker/getting-started
          name: tutorial
          ports:
            - containerPort: 80
              protocol: TCP
          resources: {}
      restartPolicy: Always
---
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: tutorial
spec:
  ports:
    - name: 80-tcp
      port: 80
      protocol: TCP
      targetPort: 80
  selector:
    com.docker.project: tutorial
  type: ClusterIP
---
apiVersion: networking.k8s.io/v1
kind: Ingress
metadata:
  name: tutorial
  labels:
    com.docker.project: tutorial
spec:
  #  ingressClassName: contour
  rules:
    - host: "tour.homek3s.lan"
      http:
        paths:
        - pathType: Prefix
          path: "/"
          backend:
            service:
              name: tutorial
              port:
                number: 80

然后执行

❯ kubectl apply -f docker-tour.yaml

在你的内部DNS服务器,或者 /etc/hosts 中配置域名解析,将 tour.homek3s.lan 解析到任何一个节点的IP地址,如

192.168.0.150   tour.homek3s.lan

通过浏览器访问 https://tour.homek3s.lan/ ,将打开部署的应用。


k3s-tour-access

总结

这里演示了如果通过K3S部署一个高可用的Kubernetes集群,使用k3s内置etcd的方式作为入门,k3s还支持使用外部的数据存储以及其他更多的部署选项,可参考官方文档。K3s作为一个轻量级的kubernetes版本,以了单一的二进制文件 - k3s进行分发,可以快速部署开发测试,以及边缘生产级别的集群。后期将会继续探索另一款开源的轻量级Kubeernets版本 - K0S

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