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#K8S01: Criando Cluster Kubernetes para Fins Didáticos

Introdução

O Kubernetes é um sistema de orquestração de contêineres que automatiza a implantação, o dimensionamento e a gestão de aplicações. Por esses e outros motivos, se tornou uma referência no mercado.

Empresas dos mais variados tamanhos estão empregando o Kubernetes para implantar as suas aplicações na nuvem. Além disso, a academia também está utilizando o Kubernetes no desenvolvimento de novas aplicações. Sendo assim, é fundamental conhecer essa ferramenta nos dias de hoje.

No presente tutorial é descrito como instalar e configurar um cluster Kubernetes com três Nodes (um master e dois workers) utilizando o Virtualbox. Cada um desses Nodes será uma máquina virtual criada através do Virtualbox e rodando o sistema operacional Ubuntu Server 22.04.

Obs.: Esse cluster deve ser utilizado apenas para fins didáticos.

Criando e Configurando as Máquinas Virtuais

Em primeiro lugar, para seguir esse tutorial é necessário a criação de 3 máquinas virtuais com as características descritas na tabela abaixo:

host user ip cpus RAM configuração de rede
k8s_01.contro_plane.net k8s 192.168.0.100 2 2 placa em modo bridge
k8s_02.worker_01.net k8s 192.168.0.101 2 2 placa em modo bridge
k8s_03.worker_03.net s8s 192.168.0.102 2 2 placa em modo bridge

Em todas as máquinas é recomendada a instalação do Ubuntu Server 22.04. Quanto aos recursos relacionados ao hardware, a quantidade de cpu e memória RAM definidas seguem as recomendações mínimas. Além disso, foi definido 20 GB de capacidade de armazenamento para cada nó.

Após a instalação do Ubuntu Server 22.04, altere as configurações de rede (tipo de adaptador) de cada uma das máquinas para o modo bridge. A ideia aqui é que você seja capaz de acessar via ssh os nós do seu cluster por qualquer dispositivo conectado na sua rede local.

Dica: Para acelerar a instalação, crie uma máquina virtual e instale o Ubuntu. Após terminar a instalação faça duas cópias dessa máquina (na opção de cópia selecione a opção de gerar um novo endereço MAC) e as utilize como nós worker. Para deixar tudo organizado, mude o nome das máquinas clonadas editando o arquivo \etc\hostname como no exemplo abaixo:

k8s_01.control_plane.net
#Faça isso em todos os nós
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Além disso, configure a resolução de nome entre os Nodes do seu cluster adicionando o nome e o ip das máquinas no arquivo /etc/hosts, veja o exemplo abaixo:

127.0.0.1 localhost
127.0.1.1 ubuntu

#Inicio do conteúdo adicionado
192.168.0.100   k8s_01.control_plane.net k8s_01
192.168.0.101   k8s_02.worker_01.net k8s_02
192.168.0.102   k8s_03.worker_02.net k8s_03
#fim do conteúdo adicionado

# The following lines are desirable for IPv6 capable hosts
::1     ip6-localhost ip6-loopback
fe00::0 ip6-localnet
ff00::0 ip6-mcastprefix
ff02::1 ip6-allnodes
ff02::2 ip6-allrouters
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Para evitar problemas de mudança de ip dos Nodes do cluster (coisa que pode acontecer caso seja o endereçamento seja configurado via DHCP), na configuração de rede defina ips estáticos. Essa configuração deve ser realizada via netplan. A configuração é simples, por exemplo, considerando a rede local 192.168.0.0, máscara de sub-rede 255.255.255.0 (/24) e gateway 192.168.0.1 o conteúdo do arquivo referente ao netplan deve conter o seguinte conteúdo:

network:
  ethernets:
    enp0s3:
      addresses:
         - 192.168.0.100/24
      nameservers:
        addresses: [1.1.1.1, 8.8.8.8]
      routes:
        - to: default
          via: 192.168.0.1
  version: 2
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Os demais Nodes podem ser configurados de forma semelhante, alterando apenas o campo referente ao ip. Caso seja necessário, consulte os exemplos do netplan.

Após realizar a configuração de rede verifique se todos os Nodes:

  • estão respondendo no endereço ip configurado;
  • possuem acesso a rede para baixar todos os pacotes necessários.

Se os seus Nodes passaram nessa verificação chegou o momento de iniciarmos a instalação do Kubernetes.

Instalando o Kubernetes

A instalação é relativamente simples, atualize o seu sistema com os comandos abaixo e siga cada um dos passos descritos a seguir:

sudo apt update
sudo apt upgrade -y
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Passo 1: Desative o swap e adicione as configurações de kernel necessárias:

⚠️ Esse passo deve ser realizado em todos os Nodes.

#Desativando o swap
sudo swapoff -a
sudo sed -i '/ swap / s/^\(.*\)$/#\1/g' /etc/fstab
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Agora vamos carregar os módulos do kernel necessários em todos nos Nodes:

sudo tee /etc/modules-load.d/containerd.conf <<EOF
overlay
br_netfilter
EOF
sudo modprobe overlay
sudo modprobe br_netfilter
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Após carregar os módulos, vamos configurar parâmetros do Kernel para o Kubernetes:

sudo tee /etc/sysctl.d/kubernetes.conf <<EOF
net.bridge.bridge-nf-call-ip6tables = 1
net.bridge.bridge-nf-call-iptables = 1
net.ipv4.ip_forward = 1
EOF 
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Para finalizar, execute o comando abaixo para que as modificações tenham efeito:

sudo sysctl --system
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Passo 2: Instalando e configurando o containerd runtime

⚠️ Esse passo deve ser realizado em todos os Nodes.

Execute o comando abaixo para instalar as dependências:

sudo apt install -y curl gnupg2 software-properties-common apt-transport-https ca-certificates
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Ative o repositório do Docker:

sudo curl -fsSL https://download.docker.com/linux/ubuntu/gpg | sudo gpg --dearmour -o /etc/apt/trusted.gpg.d/docker.gpg
sudo add-apt-repository "deb [arch=amd64] https://download.docker.com/linux/ubuntu $(lsb_release -cs) stable"
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Agora podemos instalar o containerd:

sudo apt update
sudo apt install -y containerd.io
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Após a instalação, vamos configurar o containerd para que ele inicie usando o systemd como cgroup:

containerd config default | sudo tee /etc/containerd/config.toml >/dev/null 2>&1
sudo sed -i 's/SystemdCgroup \= false/SystemdCgroup \= true/g' /etc/containerd/config.toml
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Para finalizar esse passo, reinicie e ative o serviço do continerd:

sudo systemctl restart containerd
sudo systemctl enable containerd
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Passo 3: Adicionando o repositório apt do Kubernetes e instalando os componentes Kubectl, kubeadm e kubelet:

⚠️ Esse passo deve ser realizado em todos os Nodes.

Faça Download da chave pública do Google:

sudo curl -fsSLo /etc/apt/keyrings/kubernetes-archive-keyring.gpg https://packages.cloud.google.com/apt/doc/apt-key.gpg
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Adicione o repositório apt do Kubernetes:

echo "deb [signed-by=/etc/apt/keyrings/kubernetes-archive-keyring.gpg] https://apt.kubernetes.io/ kubernetes-xenial main" | sudo tee /etc/apt/sources.list.d/kubernetes.list
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Atualize o apt:

sudo apt-get update
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Agora podemos finalizar esse passo instalando os componentes:

sudo apt install -y kubelet kubeadm kubectl
sudo apt-mark hold kubelet kubeadm kubectl
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Passo 4: Configurando o control plane e obtendo informações importantes

⚠️ Esse passo deve ser realizado apenas no nó que será responsável pelo control plane.

Para iniciar, entre no Node que será responsável pelo control plane (o principal Node) e execute o comando abaixo:

sudo kubeadm init
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Exemplo de saída do comando se estiver tudo certo:

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

Alternatively, if you are the root user, you can run:

  export KUBECONFIG=/etc/kubernetes/admin.conf

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 192.168.0.100:6443 --token jfri31.ofryjs5y52dqkqc3 \
        --discovery-token-ca-cert-hash sha256:c7a20a2be5c2adb091f9657166a416aaff60f7b89b9bfc68016c165c129112a1
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Essa saída é muito importante, ela contém as informações para realizar a configuração que vai possibilitar o acesso, adição de nós e etc. Na Figura abaixo, foi destacado o que devemos observar com mais cuidado:

Image description

Logo, observando a figura será necessário executar o comando abaixo como usuário "normal" ou sem privilégios para gerenciar o seu novo cluster:

mkdir -p $HOME/.kube
sudo cp -i /etc/kubernetes/admin.conf $HOME/.kube/config
sudo chown $(id -u):$(id -g) $HOME/.kube/config
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Após essa configuração, vamos adicionar os nós.

Passo 5: Adicionando os nós workers

⚠️ Esse passo deve ser realizado nos Nodes que vão ser adicionados ao cluster.

Na última figura foi apresentada a saída do comando kubeadm init onde foi indicado onde está o comando para adicionar um novo nó. Esse comando deve ser executado nos Nodes que vão ser adicionados ao cluster e é semelhante ao apresentado abaixo:

kubeadm join 192.168.0.100:6443 --token jfri31.ofryjs5y52dqkqc3 \
        --discovery-token-ca-cert-hash sha256:c7a20a2be5c2adb091f9657166a416aaff60f7b89b9bfc68016c165c129112a1
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Obs.: Será necessário executar o comando com permissão de administrador (sudo) no Node worker para adiciona-lo ao cluster!

Se tudo correu bem você verá uma mensagem de sucesso semelhante a apresentada abaixo:

This node has joined the cluster:
* Certificate signing request was sent to apiserver and a response was received.
* The Kubelet was informed of the new secure connection details.

Run 'kubectl get nodes' on the control-plane to see this node join the cluster.
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Pronto, agora podemos verificar o STATUS dos Nodes adicionados com o comando abaixo:

kubectl get nodes
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A saída esperada para 3 Nodes vai ser semelhante a apresentada abaixo:

NAME                     STATUS     ROLES           AGE     VERSION
k8s01.controlplane.net   NotReady   control-plane   10m     v1.26.0
k8s02.worker01.net       NotReady   <none>          4m14s   v1.26.0
k8s03.worker02.net       NotReady   <none>          2m56s   v1.26.0
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Analisando a saída, você provavelmente viu que tem algo errado, os Nodes do nosso cluster estão com o STATUS NotReady. Para que esses Nodes fiquem "prontos" ainda precisamos instalar e configurar um componente, a "rede" do Kubernetes.

Passo 6: Calico Pod Network Add-on:

⚠️ Esse passo deve ser realizado apenas no nó que será responsável pelo control plane.

Existem várias opções de pod network, mas nesse tutorial vamos instalar o Calico Pod Network.

Para instalar o Calico execute os comandos abaixo no seu principal Node:

curl https://projectcalico.docs.tigera.io/manifests/calico.yaml -O
kubectl apply -f calico.yaml
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Após a instalação, verifique o status dos pods no namespace kube-system com o comando kubectl get pods -n kube-system. Observe se os pods do Calico estão com o STATUS Running como na figura abaixo:

Image description

Após checar os pods, aguarde uns segundos e verifique se os Nodes do seu cluster estão com o status Ready como apresentado abaixo:

NAME                     STATUS   ROLES           AGE     VERSION
k8s01.controlplane.net   Ready    control-plane   3h11m   v1.26.0
k8s02.worker01.net       Ready    <none>          3h5m    v1.26.0
k8s03.worker02.net       Ready    <none>          3h3m    v1.26.0
Enter fullscreen mode Exit fullscreen mode

Se sua saída for semelhante a apresentada acima, está tudo certo, já pode começar a quebradeira!

Extra

Aqui no extra vou descrever de maneira breve como você pode criar o seu primeiro pod e trabalhar com mais de uma interface de rede (não recomendo).

Criando nosso primeiro pod

É possível criar um pod de diversas maneiras, a minha preferida é escrevendo o arquivo de manifesto. Sendo assim, crie um arquivo com o nome pod.yaml contendo o conteúdo abaixo:

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: meu-pod
spec:
  containers:
  - name: nginx
    image: nginx
    ports:
    - containerPort: 80
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Após salvar o arquivo execute o comando kubectl apply -f pod.yaml para criar o pod.

Verifique se o pod está sendo executado com o comando kubectl get po. Caso esse pod estaja com o STATUS Running você acaba de criar o seu primeiro pod.

Trabalhando com mais de uma interface de rede

Caso você tenha configurado mais de uma interface de rede, você pode verificar se o ip interno do nó do seu cluster corresponde ao ip da interface esperada com o seguinte comando:

kubectl describe node k8s_01 | grep InternalIP
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Caso o endereço ip não corresponda ao da interface de rede escolhida, você pode ir até o arquivo localizado em /etc/systemd/system/kubelet.service.d/10-kubeadm.conf com o editor da sua preferência, procurar por KUBELET_CONFIG_ARGS e adicionar no final a instrução –node-ip=. O trecho alterado será semelhante abaixo:

Environment="KUBELET_CONFIG_ARGS=--config=/var/lib/kubelet/config.yaml --node-ip=192.168.0.101"
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Salve o arquivo e execute os comandos abaixo para reiniciar a configuração e consequentemente o kubelet.

sudo systemctl daemon-reload
sudo systemctl restart kubelet
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É isso, espero que esse conteúdo tenha sido útil para você, abraço :)

Referências

Livro Descomplicando o Kubernetes

Curso Descomplicando o Kubernetes

O que é Kubernetes

Orquestração de contêineres prontos para produção

How to Install Kubernetes Cluster on Ubuntu 22.04

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