K8S集群+负载均衡层+防火墙 实例
实验拓扑图：
实验要求：
（1）Kubernetes 区域可采用 Kubeadm 方式进行安装。
（2）要求在 Kubernetes 环境中，通过yaml文件的方式，创建2个Nginx Pod分别放置在两个不同的节点上，Pod使用hostPath类型的存储卷挂载，节点本地目录共享使用 /data，2个Pod副本测试页面二者要不同，以做区分，测试页面可自己定义。
（3）编写service对应的yaml文件，使用NodePort类型和TCP 30000端口将Nginx服务发布出去。
（4）负载均衡区域配置Keepalived+Nginx，实现负载均衡高可用，通过VIP 192.168.10.100和自定义的端口号即可访问K8S发布出来的服务。
（5）iptables防火墙服务器，设置双网卡，并且配置SNAT和DNAT转换实现外网客户端可以通过12.0.0.1访问内网的Web服务。
实验环境：
| 节点 | IP | 安装组件 |
| master（2C/4G，cpu核心数要求大于2） | 192.168.10.10 | docker、kubeadm、kubelet、kubectl、flannel |
| node01（2C/2G） | 192.168.10.20 | docker、kubeadm、kubelet、kubectl、flannel |
| node02（2C/2G） | 192.168.10.30 | docker、kubeadm、kubelet、kubectl、flannel |
| lb01 | 192.168.10.40 | nginx，keepalived |
| lb02 | 192.168.10.50 | nginx，keepalived |
| 网关服务器 | 内网网卡ens33：192.168.10.1，外网网卡ens36：12.0.0.1 | iptables |
| 客户端 | 12.0.0.12 |
一、kubeadm 部署 K8S 集群架构
1、环境准备
//所有节点，关闭防火墙规则，关闭selinux，关闭swap交换
systemctl stop firewalld
systemctl disable firewalld
setenforce 0
iptables -F && iptables -t nat -F && iptables -t mangle -F && iptables -X
swapoff -a #交换分区必须要关闭
sed -ri 's/.*swap.*/#&/' /etc/fstab #永久关闭swap分区，&符号在sed命令中代表上次匹配的结果
#加载 ip_vs 模块
for i in $(ls /usr/lib/modules/$(uname -r)/kernel/net/netfilter/ipvs|grep -o "^[^.]*");do echo $i; /sbin/modinfo -F filename $i >/dev/null 2>&1 && /sbin/modprobe $i;done
//修改主机名
hostnamectl set-hostname master
hostnamectl set-hostname node01
hostnamectl set-hostname node02
//所有节点修改hosts文件
vim /etc/hosts
192.168.160.20 master
192.168.160.40 node01
192.168.160.90 node02
//调整内核参数
cat > /etc/sysctl.d/kubernetes.conf << EOF
#开启网桥模式，可将网桥的流量传递给iptables链
net.bridge.bridge-nf-call-ip6tables=1
net.bridge.bridge-nf-call-iptables=1
#关闭ipv6协议
net.ipv6.conf.all.disable_ipv6=1
net.ipv4.ip_forward=1
EOF
//生效参数
sysctl --system
2、所有节点安装docker
yum install -y yum-utils device-mapper-persistent-data lvm2
yum-config-manager --add-repo https://mirrors.aliyun.com/docker-ce/linux/centos/docker-ce.repo
yum install -y docker-ce docker-ce-cli containerd.io
mkdir /etc/docker
cat > /etc/docker/daemon.json <<EOF
{
"registry-mirrors": ["https://6g3b0w0w.mirror.aliyuncs.com"],
"exec-opts": ["native.cgroupdriver=systemd"],
"log-driver": "json-file",
"log-opts": {
"max-size": "100m"
}
}
EOF
#使用Systemd管理的Cgroup来进行资源控制与管理，因为相对Cgroupfs而言，Systemd限制CPU、内存等资源更加简单和成熟稳定。
#日志使用json-file格式类型存储，大小为100M，保存在/var/log/containers目录下，方便ELK等日志系统收集和管理日志。
systemctl daemon-reload
systemctl restart docker.service
systemctl enable docker.service
docker info | grep "Cgroup Driver"
3、所有节点安装kubeadm，kubelet和kubectl
//定义kubernetes源，安装kubeadm，kubelet和kubectl
cat > /etc/yum.repos.d/kubernetes.repo << EOF
[kubernetes]
name=Kubernetes
baseurl=https://mirrors.aliyun.com/kubernetes/yum/repos/kubernetes-el7-x86_64
enabled=1
gpgcheck=0
repo_gpgcheck=0
gpgkey=https://mirrors.aliyun.com/kubernetes/yum/doc/yum-key.gpg https://mirrors.aliyun.com/kubernetes/yum/doc/rpm-package-key.gpg
EOF
yum install -y kubelet-1.15.1 kubeadm-1.15.1 kubectl-1.15.1
//开机自启kubelet
systemctl enable kubelet.service #K8S通过kubeadm安装出来以后都是以Pod方式存在，即底层是以容器方式运行，所以kubelet必须设置开机自启
4、部署K8S集群
//查看初始化需要的镜像
kubeadm config images list
//在 master 节点上传 v1.20.11.zip压缩包至 /opt 目录
unzip v1.20.11.zip -d /opt/k8s
cd /opt/k8s/v1.20.11
for i in $(ls *.tar); do docker load -i $i; done
//复制镜像和脚本到 node 节点，并在 node 节点上执行脚本加载镜像文件
scp -r /opt/k8s root@node01:/opt
scp -r /opt/k8s root@node02:/opt
//初始化kubeadm
这里我用的是方法一
方法一：
kubeadm config print init-defaults > /opt/kubeadm-config.yaml
cd /opt/
vim kubeadm-config.yaml
......
11 localAPIEndpoint:
12 advertiseAddress: 192.168.160.20 #指定master节点的IP地址
13 bindPort: 6443
......
34 kubernetesVersion: v1.20.11 #指定kubernetes版本号
35 networking:
36 dnsDomain: cluster.local
37 podSubnet: "10.244.0.0/16" #指定pod网段，10.244.0.0/16用于匹配flannel默认网段
38 serviceSubnet: 10.96.0.0/16 #指定service网段
39 scheduler: {}
--- #末尾再添加以下内容
apiVersion: kubeproxy.config.k8s.io/v1alpha1
kind: KubeProxyConfiguration
mode: ipvs #把默认的service调度方式改为ipvs模式
kubeadm init --config=kubeadm-config.yaml --experimental-upload-certs | tee kubeadm-init.log
#--experimental-upload-certs 参数可以在后续执行加入节点时自动分发证书文件，k8sV1.16版本开始替换为 --upload-certs
#tee kubeadm-init.log 用以输出日志
//查看 kubeadm-init 日志
less kubeadm-init.log
//kubernetes配置文件目录
ls /etc/kubernetes/
//存放ca等证书和密码的目录
ls /etc/kubernetes/pki
方法二：
kubeadm init \
--apiserver-advertise-address=192.168.160.20 \
--image-repository registry.aliyuncs.com/google_containers \
--kubernetes-version=v1.15.1 \
--service-cidr=10.1.0.0/16 \
--pod-network-cidr=10.244.0.0/16--------------------------------------------------------------------------------------------
初始化集群需使用kubeadm init命令，可以指定具体参数初始化，也可以指定配置文件初始化。
可选参数：
--apiserver-advertise-address：apiserver通告给其他组件的IP地址，一般应该为Master节点的用于集群内部通信的IP地址，0.0.0.0表示节点上所有可用地址
--apiserver-bind-port：apiserver的监听端口，默认是6443
--cert-dir：通讯的ssl证书文件，默认/etc/kubernetes/pki
--control-plane-endpoint：控制台平面的共享终端，可以是负载均衡的ip地址或者dns域名，高可用集群时需要添加
--image-repository：拉取镜像的镜像仓库，默认是k8s.gcr.io
--kubernetes-version：指定kubernetes版本
--pod-network-cidr：pod资源的网段，需与pod网络插件的值设置一致。通常，Flannel网络插件的默认为10.244.0.0/16，Calico插件的默认值为192.168.0.0/16；
--service-cidr：service资源的网段
--service-dns-domain：service全域名的后缀，默认是cluster.local
---------------------------------------------------------------------------------------------
方法二初始化后需要修改 kube-proxy 的 configmap，开启 ipvs
kubectl edit cm kube-proxy -n=kube-system
修改mode: ipvs
提示：
......
Your Kubernetes control-plane has initialized successfully!
To start using your cluster, you need to run the following as a regular user:
mkdir -p $HOME/.kube
sudo cp -i /etc/kubernetes/admin.conf $HOME/.kube/config
sudo chown $(id -u):$(id -g) $HOME/.kube/config
You should now deploy a pod network to the cluster.
Run "kubectl apply -f [podnetwork].yaml" with one of the options listed at:
https://kubernetes.io/docs/concepts/cluster-administration/addons/
Then you can join any number of worker nodes by running the following on each as root:
kubeadm join 192.168.160.20:6443 --token abcdef.0123456789abcdef \
--discovery-token-ca-cert-hash sha256:1e59b41e6e5cddb0d8b6798ab758bb1753ade0bb62037b8d1f22853d33333264
//在 node 节点上执行 kubeadm join 命令加入群集
kubeadm join 192.168.160.20:6443 --token abcdef.0123456789abcdef \
--discovery-token-ca-cert-hash sha256:1e59b41e6e5cddb0d8b6798ab758bb1753ade0bb62037b8d1f22853d33333264
//所有节点部署网络插件flannel
方法一：
//所有节点上传flannel镜像 flannel.tar 到 /opt 目录，master节点上传 kube-flannel.yml 文件
cd /opt
docker load -i flannel.tar
//在 master 节点创建 flannel 资源
kubectl apply -f kube-flannel.yml
如果状态还是NotReady，就替换新的cni成旧的cni，因为新的cni有污点，还有flannel.tar，重新下载镜像，kube-flannel.yml替换好了就行了
//在master节点查看节点状态（需要等几分钟）
kubectl get pods -n kube-system
//测试 pod 资源创建
kubectl create deployment nginx --image=nginx
kubectl get pods -o wide
NAME READY STATUS RESTARTS AGE IP NODE NOMINATED NODE READINESS GATES
nginx-6799fc88d8-wltvk 0/1 ContainerCreating 0 22s <none> node01 <none> <none>
//暴露端口提供服务
kubectl expose deployment nginx --port=80 --type=NodePort
kubectl get svc
//扩展3个副本
kubectl scale deployment nginx --replicas=3
kubectl get pods -o wide
二、创建两个自主式Pod资源
要求在 Kubernetes 环境中，通过yaml文件的方式，创建2个Nginx Pod分别放置在两个不同的节点上，Pod使用hostPath类型的存储卷挂载，节点本地目录共享使用 /data，2个Pod副本测试页面二者要不同，以做区分，测试页面可自己定义。
#1、先空跑命令，生成nginx的pod模板文件
kubectl run mynginx --image=nginx:1.14 --port=80 --dry-run=client -o yaml > mynginx.yaml
#2、修改模板文件
vim mynginx.yaml
---
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
labels:
app: mcl-nginx #pod的标签
name: mcl-nginx01
spec:
nodeName: node01 #指定该pod调度到node01节点
containers:
- image: nginx:1.14
name: mynginx
ports:
- containerPort: 80 #定义容器的端口
volumeMounts: #挂载存储卷
- name: page01 #名称需要与下方定义的存储卷的名称一致
mountPath: /usr/share/nginx/html #容器中的挂载点，设置为nginx服务的网页根目录
readOnly: false #可读可写
volumes: #定义一个存储卷
- name: page01 #存储卷的名称
hostPath: #存储卷的类型为 hostPath
path: /data #node节点的共享目录
type: DirectoryOrCreate #该类型表示如果共享目录不存在，则系统会自动创建该目录
---
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
labels:
app: mcl-nginx #pod的标签
name: mcl-nginx02
spec:
nodeName: node02 #指定该pod调度到node02节点
containers:
- name: mynginx
image: nginx:1.14
ports:
- containerPort: 80 #定义容器的端口
volumeMounts: #挂载存储卷
- name: page02 #名称需要与下方定义的存储卷的名称一致
mountPath: /usr/share/nginx/html #容器中的挂载点
readOnly: false
volumes: #定义一个存储卷
- name: page02 #存储卷的名称
hostPath: #存储卷类型为 hostPath
path: /data #node节点的共享目录
type: DirectoryOrCreate #该类型表示如果共享目录不存在，则系统会自动创建该目录
#使用yaml文件创建自主式Pod资源
kubectl apply -f mynginx.yaml
#查看创建的两个pod，被调度到了不同的node节点
[root@master ~]# kubectl get pods -o wide
NAME READY STATUS RESTARTS AGE IP NODE NOMINATED NODE READINESS GATES
mcl-nginx01 1/1 Running 0 35s 10.244.1.15 node01 <none> <none>
mcl-nginx02 1/1 Running 0 35s 10.244.2.4 node02 <none> <none>
nginx-deployment 1/1 Running 0 10d 10.244.1.14 node01 <none> <none>
#---3、两个node节点的存储卷，写入不同的html文件内容，验证访问网页
#node01节点
echo "this is node01" > /data/index.html
#node02节点
echo "this is node02 ~~" > /data/index.html
curl 10.244.1.15 #访问Node01节点的Pod的IP
curl 10.244.2.4 #访问Node02节点的Pod的IP
三、创建service资源
编写service对应的yaml文件，使用NodePort类型和TCP 30000端口将Nginx服务发布出去。
#1、编写service对应的yaml文件
vim myservice.yaml
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
name: mcl-nginx-svc
namespace: default
spec:
type: NodePort #service类型设置为NodePort
ports:
- port: 80 #service使用的端口号，ClusterIP后面跟的端口号。
targetPort: 80 #需要转发到的后端Pod的端口号
nodePort: 30000 #指定映射到物理机的端口号，k8s集群外部可以使用nodeIP:nodePort访问service
selector:
app: mcl-nginx #标签选择器要和上一步创建的pod的标签保持一致
#创建service资源
kubectl apply -f myservice.yaml
#2、查看service资源
kubectl get svc
NAME TYPE CLUSTER-IP EXTERNAL-IP PORT(S) AGE
kubernetes ClusterIP 10.96.0.1 <none> 443/TCP 11d
mcl-nginx-svc NodePort 10.100.5.197 <none> 80:30000/TCP 17s
nginx NodePort 10.105.252.176 <none> 80:30051/TCP 11d
#查看service资源的详细信息
kubectl describe svc yuji-nginx-svc
Name: mcl-nginx-svc
Namespace: default
Labels: <none>
Annotations: <none>
Selector: app=mcl-nginx
Type: NodePort
IP Families: <none>
IP: 10.100.5.197
IPs: 10.100.5.197
Port: <unset> 80/TCP
TargetPort: 80/TCP
NodePort: <unset> 30000/TCP
Endpoints: 10.244.1.15:80,10.244.2.4:80
Session Affinity: None
External Traffic Policy: Cluster
Events: <none>
#3、测试使用nodeIP:nodePort访问nginx网页
curl 192.168.10.20:30000 #node01
curl 192.168.10.30:30000 #node02
四、搭建负载均衡层
负载均衡区域配置Keepalived+Nginx，实现负载均衡高可用，通过VIP 192.168.10.100和自定义的端口号即可访问K8S发布出来的服务。
- lb01：192.168.10.40
- lb02：192.168.10.50
- VIP：192.168.10.100
#---------1、两台负载均衡器配置nginx--------------
#关闭防火墙和selinux
systemctl stop firewalld
systemctl disable firewalld
setenforce 0
sed -i 's/enforcing/disabled/' /etc/selinux/config
#设置主机名
hostnamectl set-hostname lb01
su
hostnamectl set-hostname lb02
su
#配置nginx的官方在线yum源
cat > /etc/yum.repos.d/nginx.repo << 'EOF'
[nginx]
name=nginx repo
baseurl=http://nginx.org/packages/centos/7/$basearch/
gpgcheck=0
EOF
yum install nginx -y
#修改nginx配置文件，配置四层反向代理负载均衡，指定k8s群集2台node的节点ip和30000端口
vim /etc/nginx/nginx.conf
events {
worker_connections 1024;
}
#在http块上方，添加stream块
stream {
upstream k8s-nodes {
server 192.168.160.40:30000; #node01IP:nodePort
server 192.168.160.90:30000; #node02IP:nodePort
}
server {
listen 3344; #自定义监听端口
proxy_pass k8s-nodes;
}
}
http {
......
#include /etc/nginx/conf.d/*.conf; #建议将这一行注释掉，否则会同时加载/etc/nginx/conf.d/default.conf文件中的内容，nginx会同时监听80端口。
}
#检查配置文件语法是否正确
nginx -t
#启动nginx服务，查看到已监听3344端口
systemctl start nginx
systemctl enable nginx
netstat -natp | grep nginx
tcp 0 0 0.0.0.0:80 0.0.0.0:* LISTEN 3088/nginx: master
tcp 0 0 0.0.0.0:3344 0.0.0.0:* LISTEN 3088/nginx: master
#------------2、两台负载均衡器配置keepalived--------
#安装keepalived服务
yum install keepalived -y
#修改keepalived配置文件
vim /etc/keepalived/keepalived.conf
! Configuration File for keepalived
global_defs {
# 接收邮件地址
notification_email {
acassen@firewall.loc
failover@firewall.loc
sysadmin@firewall.loc
}
# 邮件发送地址
notification_email_from Alexandre.Cassen@firewall.loc
smtp_server 127.0.0.1 #修改为本机回环地址
smtp_connect_timeout 30
router_id LB01 #lb01节点的为LB01，lb02节点的为LB02
}
#添加一个周期性执行的脚本
vrrp_script check_nginx {
script "/etc/nginx/check_nginx.sh" #指定检查nginx存活的脚本路径
}
vrrp_instance VI_1 {
state MASTER #lb01节点的为 MASTER，lb02节点的为 BACKUP
interface ens33 #指定网卡名称 ens33
virtual_router_id 51 #指定组ID，两个节点要一致
priority 100 #设置优先级，lb01节点设置为 100，lb02节点设置为 90
advert_int 1
authentication {
auth_type PASS
auth_pass 1111
}
virtual_ipaddress {
192.168.160.100 #指定VIP地址
}
track_script { #追踪脚本
check_nginx #指定vrrp_script配置的脚本
}
}
#将配置文件中剩余的内容全都删除
#主调度器lb01创建nginx状态检查脚本
vim /etc/nginx/check_nginx.sh
#!/bin/bash
#egrep -cv "grep|$$" 用于过滤掉包含grep 或者 $$ 表示的当前Shell进程ID
count=$(ps -ef | grep nginx | egrep -cv "grep|$$")
if [ "$count" -eq 0 ];then
systemctl stop keepalived
fi
chmod +x /etc/nginx/check_nginx.sh #为脚本增加执行权限
#启动keepalived服务（一定要先启动了nginx服务，再启动keepalived服务，否则keepalived检测到nginx没有启动，会杀死自己）
systemctl start keepalived
systemctl enable keepalived
ip addr #查看主节点的VIP是否生成
#测试使用VIP:3344访问web网页
curl 192.168.160.100:3344
#----------3、关闭主调度器的nginx服务，模拟故障，测试keepalived-------
#关闭主调度器lb01的Nginx服务，模拟宕机，观察VIP是否漂移到备节点
systemctl stop nginx
ip addr
systemctl status keepalived #此时keepalived被脚本杀掉了
#备节点查看是否生成了VIP
ip addr #此时VIP漂移到备节点lb02
#恢复主节点
systemctl start nginx #先启动nginx
systemctl start keepalived #再启动keepalived
ip addr
五、配置防火墙服务器
iptables防火墙服务器，设置双网卡，并且配置SNAT和DNAT转换实现外网客户端可以通过12.0.0.1访问内网的Web服务。
- 内网网卡ens33：192.168.10.1
- 外网网卡ens36：12.0.0.1
##两台负载均衡器，将网关地址修改为防火墙服务器的内网IP地址
vim /etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-ens33
GATEWAY="192.168.160.1"
systemctl restart network #重启网络
systemctl restart keepalived #如果VIP丢失，需要重启一下keepalived
##配置防火墙服务器
#-------------1、关闭防火墙和selinux-------------
systemctl stop firewalld
systemctl disable firewalld
setenforce 0
sed -i 's/enforcing/disabled/' /etc/selinux/config
#------------2、开启路由转发功能----------------
vim /etc/sysctl.conf
net.ipv4.ip_forward = 1 //在文件中增加这一行，开启路由转发功能
sysctl -p //加载修改后的配置
#------------3、配置iptables策略---------------
#先将原有的规则清除
iptables -F && iptables -t nat -F && iptables -t mangle -F && iptables -X
#设置SNAT服务，解析源地址。修改nat表中的POSTROUTING链。
#将源地址192.168.10.100转换为为12.0.0.1
iptables -t nat -A POSTROUTING -s 192.168.160.100/24 -o ens36 -j SNAT --to 12.0.0.1
#-t nat //指定nat表
#-A POSTROUTING //在POSTROUTING链中添加规则
#-s 192.168.160.100/24 //数据包的源地址
#-o ens36 //出站网卡
#-j SNAT --to 12.0.0.1 //使用SNAT服务，将源地址转换成公网IP地址。
#设置DNAT服务，解析目的地址。修改nat表中的PRETROUTING链。
#将目的地址12.0.0.1:3344 转换成 192.168.160.100:3344
iptables -t nat -A PREROUTING -i ens36 -d 12.0.0.1 -p tcp --dport 3344 -j DNAT --to 192.168.10.100:3344
#-A PREROUTING //在PREROUTING链中添加规则
#-i ens36 //入站网卡
#-d 12.0.0.254 //数据包的目的地址
#-p tcp --dport 3344 //数据包的目的端口
#-j DNAT --to 192.168.160.100:3344 //使用DNAT功能，将目的地址和端口转换成192.168.10.100:3344
iptables -t nat -nL #查看策略
Chain PREROUTING (policy ACCEPT)
target prot opt source destination
DNAT tcp -- 0.0.0.0/0 12.0.0.1 tcp dpt:3344 to:192.168.160.100:3344
Chain INPUT (policy ACCEPT)
target prot opt source destination
Chain OUTPUT (policy ACCEPT)
target prot opt source destination
Chain POSTROUTING (policy ACCEPT)
target prot opt source destination
SNAT all -- 192.168.160.0/24 0.0.0.0/0 to:12.0.0.1
##客户端修改网关配置文件，测试访问内网的Web服务
客户端IP地址：12.0.0.12，将网关地址设置为防火墙服务器的外网网卡地址：12.0.0.1
浏览器输入 http://12.0.0.1:3344 进行访问
