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一文读懂如何部署具有外部数据库的高可用 K3s

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介绍

您是否在以高可用模式部署 Kubernetes 并配置远程备份数据库时遇到了困难?本文将为您介绍如何在具有外部数据库 Postgres 的 HA 配置中部署 K3s。

K3s(https://k3s.io/)是用于物联网和边缘计算的认证 Kubernetes 发行版。我将它部署在 IBM Z 大型机中的虚拟机上。我没有选择 etcd,而是使用了 Postgres 作为 K3s 集群的存储方案。我以非 HA 模式部署了 Postgres。想了解如何在 HA 模式下部署 Postgres 的信息,请参阅官方文档:https://www.postgresql.org/docs/13/high-availability.html

Postgres 和 K3s 集群之间的通信是 SSL 安全的。我在 K3s server 前面的第 4 层使用了 Nginx 进行负载均衡。我们以后可能需要添加新的服务器节点或关闭服务器。因此,如果不使用 K3s Server IP 而是使用负载均衡器,我们就能避免这类麻烦,还可以实现 HA。请注意,Nginx 负载均衡器也可能成为单一故障点。有关在 HA 模式下部署 Nginx,请参阅文档:https://www.nginx.com/products/nginx/high-availability/

HA 配置

下图描述了我在 HA 模式下部署具有两个节点的 K3s 集群的方式。即使一台 Server 出现故障,另一台 Server 仍然可以访问,而且负载均衡器能将所有请求路由到可访问的 Server。由于 K3s 的所有组件都是无状态的,即使 Server 出现故障,我们也不会丢失任何信息。所有信息都存储在 Postgres 中,并且必须是 HA。

一文读懂如何部署具有外部数据库的高可用 K3s

具有负载均衡器和数据库的 K3s HA 模式

环境

在开始之前,你需要以下环境:

操作系统 – SLE15SP2 虚拟机 – 5 VCPU – 2 RAM – 8 GB 磁盘 – 30 GB Arch – s390x

以下是我使用的各个虚拟机的 IP 地址,你可以随时在本文查阅这些 IP 地址代表的含义:

K3s Server 1 – 10.161.129.54K3s Server 2 – 10.161.129.154K3s Agent – 10.161.129.196Postgres – 10.161.129.212Nginx – 10.161.129.118

我在大型机 (s390x) 虚拟机中部署,你也可以在其他任何架构上使用相同的命令。现在,我们来看看安装 Postgres 和 K3s 集群的命令。

安装 Postgres

我在其中一台虚拟机上安装了 postgres10。我们将该虚拟机命名为 Postgres。你可以复制粘贴以下命令来安装 Postgres。为了安全起见,请确保 Postgres 数据库和 K3s 集群之间存在相互 TLS 通信。我使用了自签名证书来识别使用 OpenSSL 创建的 Postgres。

Postgres 虚拟机

  • 使用 zypper 安装 Postgres 包:
  zypper -n in postgresql10 postgresql10-server  systemctl start postgresql  
  • 创建 K3s 数据库、用户角色并授予用户角色的所有访问权限:
  sudo -u postgres psql  create database K3s;  create user K3s with encrypted password 'K3s';  grant all privileges on database K3s to K3s;  exit;  

我们将使用 K3s 数据库来存储集群信息。我们使用 K3s 用户来为 K3s 集群进行 Postgres 数据库身份验证。

  • 创建标识 Postgres 服务器的自签名证书并将它们存储在 /var/lib/pgsql/data/ 中:
  openssl req -new -x509 -days 365 -nodes -text -out /var/lib/pgsql/data/postgres.crt   -keyout /var/lib/pgsql/data/postgres.key -subj "/CN=postgres.rancher.rke2" -addext "subjectAltName=DNS:postgres.rancher.rke2"  
  • 确保限制私钥的访问:
  chmod 0600 /var/lib/pgsql/data/postgres.key  chown postgres:postgres /var/lib/pgsql/data/postgres.key  
  • 将标识 Postgres 的公钥证书复制到两台 K3s Server,使 K3s Server 可以验证 Postgres 的身份以进行 SSL 通信:
  scp /var/lib/pgsql/data/postgres.crt sles@10.161.129.54:  scp /var/lib/pgsql/data/postgres.crt sles@10.161.129.154:  
  • /var/lib/pgsql/data/pg_hba.conf 的内容替换为以下内容:
  # TYPE  DATABASE        USER            ADDRESS                 METHOD    # "local" is for Unix domain socket connections onlyf  local   all             all                                     peer  # IPv4 local connections:  host    all             all             127.0.0.1/32            ident  hostssl all             all             0.0.0.0/0               md5 clientcert=verify-full  

该文件的内容表明,localhost 连接无需密码或 SSL 通信即可连接到数据库。但是,Postgres 的所有其他连接则必须通过 SSL 客户端验证(K3s Server 是 Postgres 的客户端)和密码验证才能进行通信。

在进一步设置 Postgres 数据库之前,我们先创建标识 K3s 集群的证书并将证书复制到 Postgres 虚拟机,以便 Postgres 验证 K3s Server。

K3s Server 1 虚拟机

  • 创建一个标识 K3s 集群的自签名证书,并授予私钥权限:
  openssl req -new -x509 -days 365 -nodes -text -out K3s.crt -keyout K3s.key -subj "/CN=K3s" -addext "subjectAltName=DNS:K3s"  chmod 0600 K3s.key  
  • 将公钥证书复制到 Postgres 主机,以便 Postgres 可以验证 K3s 客户端:
  scp /home/sles/K3s.crt sles@10.161.129.212:  
  • 将公钥和私钥复制到其他 K3s Server。两台 Server 组成 K3s 集群:
  scp /home/sles/K3s.crt /home/sles/K3s.key sles@10.161.129.154:  

接下来,我们继续看 Postgres 虚拟机。

Postgres 虚拟机

  • 将 K3s.crt 移动到 /var/lib/pgsql/data 目录以供 Postgres 配置文件使用:
  mv /home/sles/K3s.crt /var/lib/pgsql/data/  
  • /var/lib/pgsql/data/postgresql.conf 的内容修改为以下值:
  listen_addresses = '*'  ssl = on  #ssl_ciphers = 'HIGH:MEDIUM:+3DES:!aNULL' # allowed SSL ciphers  #ssl_prefer_server_ciphers = on  #ssl_ecdh_curve = 'prime256v1'  #ssl_dh_params_file = ''  ssl_cert_file = '/var/lib/pgsql/data/postgres.crt'  ssl_key_file = '/var/lib/pgsql/data/postgres.key'  ssl_ca_file = '/var/lib/pgsql/data/K3s.crt'  

listen_addresses:设置为 * 或 Postgres 服务器的 IP。这样能确保 Postgres 服务器能侦听节点的 IP 地址。

ssl:打开 SSL 来仅使用安全的方式进行通信。

ssl_cert_file ssl_key_file:标识 Postgres 数据库的证书。我已经在文章开头创建了证书,现在只需要将它们指向证书位置即可。

ssl_ca_file:这是一个 CA(证书颁发机构)证书,用于识别 Postgres 的客户端。在我们的示例中,K3s 是客户端。因此,我为 K3s 创建了一个自签名证书,并将 ssl_ca_file 指向 K3s 集群的自签名公共证书。

  • 重启 Postgres 服务器来应用新配置:
  systemctl restart postgresql  

我们已成功部署了 Postgres 数据库,现在我们转到 K3s 虚拟机并在那里安装 K3s。

K3s Server 1 虚拟机

  • 使用正确的标志和值安装 K3s Server:
  curl -sfL https://get.k3s.io | sh -s - server --datastore-endpoint="postgres://K3s:K3s@postgres.rancher.rke2:5432/K3s" --datastore-cafile="/home/sles/postgres.crt" --token=K3s --datastore-certfile="/home/sles/K3s.crt" --datastore-keyfile="/home/sles/K3s.key" --tls-san=10.161.129.118  

--datastore-endpoint:Postgres 的格式是 postgres://username:password@hostname :port/database-name。在这个示例中,我创建了一个 K3s 角色,密码是 K3s,数据库名称也是 K3s。我使用了 postgres.rancher.rke 作为 hostname,因为证书是使用 CN 值作为名称创建的。

--datastore-cafile:设为 Postgres 的公钥证书,以便 K3s 使用该证书验证 Postgres。在自签名证书中,公共证书充当 CA,可以进行自我验证。

--datastore-certfile:这是标识 K3s 集群的公共证书。

--datastore-keyfile:属于 K3s 集群的私钥。

--token:将创建一个 Secret 密码,以便其他服务器或 Agent 连接到此 K3s 集群。

--tls-san:负载均衡器的 IP 地址。

  • 为了让 K3s 解析 postgres.rancher.rke2,我在 /``etc/hosts 文件末附加了以下内容:
  10.161.129.212  postgres.rancher.rke2  

其中 10.161.129.212 是 Postgres 服务器的 IP 地址。

  • 现在,验证 K3s Server 是否正常运行并已连接到 Postgres:
  export KUBECONFIG=/etc/rancher/k3s/k3s.yaml  kubectl get pods -A  

你应该会看到所有处于 running 状态的 pod。如果没有,你可以运行:

  journalctl -xe  

这能让你查看安装 K3s Server 时发生的错误。

K3s Server 2 虚拟机

  • 使用与安装第一台 Server 相同的命令来安装第二台 K3s Server:
  curl -sfL https://get.k3s.io | sh -s - server --datastore-endpoint="postgres://K3s:K3s@postgres.rancher.rke2:5432/K3s" --datastore-cafile="/home/sles/postgres.crt" --token=K3s --datastore-certfile="/home/sles/K3s.crt" --datastore-keyfile="/home/sles/K3s.key" --tls-san=10.161.129.118  
  • 验证 K3s Server 是否正常运行并已连接到 Postgres:
  export KUBECONFIG=/etc/rancher/k3s/k3s.yaml  kubectl get pods -A  

结果应与以下内容类似:

  NAMESPACE     NAME                                      READY   STATUS    RESTARTS   AGE  kube-system   svclb-traefik-55frd                       2/2     Running   0          11m  kube-system   svclb-traefik-x59vc                       2/2     Running   0          2m43s  kube-system   local-path-provisioner-6c79684f77-55tkc   1/1     Running   0          107s  kube-system   coredns-d76bd69b-5n8s7                    1/1     Running   0          107s  kube-system   traefik-df4ff85d6-88phx                   1/1     Running   0          107s  kube-system   metrics-server-7cd5fcb6b7-x7t2r           1/1     Running   0          107s  
  • 你还可以通过运行此命令检查集群是否有两台 Server,并查看它们是否具有 master 角色:
  kubectl get nodes  

结果应与以下内容类似:

  NAME           STATUS   ROLES                  AGE   VERSION  k3s-server-1   Ready    control-plane,master   14m   v1.23.6+K3s1  k3s-server-2   Ready    control-plane,master   29s   v1.23.6+K3s1  

在连接到调度工作负载的 K3s Agent 之前,我们需要在 Server 前面添加一个负载均衡器,以便用户或 K3s Agent 与其通信。

Nginx 负载均衡器虚拟机

我在网络堆栈第 4 层的 K3s 集群 Server 节点前面使用了 Nginx。我们会将端口 6443 的所有请求转发到负载均衡器,然后再发送其中一台 K3s Server。Kubernetes API server 会侦听该端口。

  • 安装 Nginx 包:
  zypper in nginx  
  • 创建 /etc/nginx/nginx.conf 文件并输入如下内容:
  load_module /usr/lib64/nginx/modules/ngx_stream_module.so;    worker_processes 4;  worker_rlimit_nofile 40000;      events {   worker_connections 8192;  }    stream {   log_format logs '$remote_addr - - [$time_local] $protocol $status $bytes_sent $bytes_received $session_time "$upstream_addr"';     access_log /var/log/nginx/access.log logs;     upstream K3s_api_server {    least_conn;    server 10.161.129.54:6443 max_fails=3 fail_timeout=5s;    server 10.161.129.154:6443 max_fails=3 fail_timeout=5s;   }   server {    listen 6443;    proxy_pass K3s_api_server;   }  

我们使用 least_conn 算法来决定请求应该发送到哪个 K3s Server。Nginx 将根据该算法将请求路由到具有最少 active 连接的 Server。

  • 重启 Nginx 以使更改生效:
  nginx -s reload  systemctl reload nginx && systemctl restart nginx  

至此,我们已设置了负载均衡器,因此现在任何人都可以与我们的 K3s Server 通信。现在我们添加一个 K3s Agent,Agent 会与这个负载均衡器通信并注册 Agent。

K3s Agent 虚拟机

  • 使用以下命令安装 K3s Agent。

--server:负载均衡器 IP 地址。

  curl -sfL https://get.k3s.io | sh -s - agent --token=K3s --server https://10.161.129.118:6443  

K3s Server 1 虚拟机

  • 现在,你可以通过运行此命令检查 K3s Agent 是否已成功注册:
  kubectl get nodes  

结果应与以下内容类似:

  NAME           STATUS   ROLES                  AGE    VERSION  k3s-server-1   Ready    control-plane,master   41m    v1.23.6+K3s1  k3s-server-2   Ready    control-plane,master   28m    v1.23.6+K3s1  k3s-agent      Ready    <none>                 105s   v1.23.6+K3s1  

我们已经成功安装了 Postgres、K3s Server 和一个 K3s Agent。你现在拥有了一个具有外部数据库的 HA K3s 集群。请注意,只有部署了 Postgres 和 Nginx 时才能实现完全 HA。有关更多信息,你可以查看参考中的链接。

参考

  • K3s 架构文档:https://rancher.com/docs/k3s/latest/en/architecture/#high-availability-with-an-external-db

  • K3s 数据存储文档:https://rancher.com/docs/k3s/latest/en/installation/datastore/

  • K3s 安装文档:https://rancher.com/docs/k3s/latest/en/installation/ha/

  • Nginx 负载均衡器文档:https://rancher.com/docs/rancher/v2.5/en/installation/resources/k8s-tutorials/infrastructure-tutorials/nginx/

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作者: 一航技术

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