k8s のマネージドサービスとして GKE や EKS などで出揃った感はあるけど、マネージドサービスでは k8s クラスタの全ての機能を使うことはできないという認識です。特にネットワークなどインフラよりな低レイヤーな部分はマネージドサービス側でいい感じに隠蔽して、利用者は意識する機会は少ないです。最近は仕事でも k8s など docker コンテナ基盤を扱う機会が増えてきていますが、インフラ屋さんとしてはこのような低レイヤーな部分が気になることがあるので、k8s クラスタを手軽に作れる環境が欲しくなりました。

というわけで、Vagrant を使って手元の仮想環境の管理をしつつ、ansible で k8s クラスタの構築する環境を作りました。ただし、ansible で k8s クラスタを構築する、といっても ansible で完結しておらず、一手間が必要です。というわけで、以下のレポジトリでどのように k8s クラスタを作っているかを解説してみます。

構築する k8s クラスタ環境

レポジトリの README.md にありますが、構築する環境は以下のようなネットワークになっています。

             client (172.17.1.0/24 / ASN 64512)
-------+--------------+------------
       |              |
   eth1|.1      enp0s8|.10
  +----+----+   +-----+-----+
  |  rt-01  |   | client-01 |
  +----+----+   +-----------+
   eth2|.1
       |                                          k8s-cluster (172.17.0.0/24 / ASN 64522)
-------+-----+------------------+-----------------+-----------------+--------
             |                  |                 |                 |
       enp0s8|.10         enp0s8|.21        enp0s8|.22        enp0s8|.23
     +-------+-------+   +------+------+   +------+------+   +------+------+
     | k8s-master-01 |   | k8s-node-01 |   | k8s-node-02 |   | k8s-node-03 |
     +---------------+   +-------------+   +-------------+   +-------------+

レポジトリ名から予想がつきますが、k8s の LoadBalancer として metallb を使うため、BGP ルーター(rt-01) も構築しています。また、metallb で使用する AS 番号として 64522 を定義しています。また、k8s の CNI プラグインとして flannel を採用しています。各ネットワークのアドレスブロックは以下のようにしています。

docker0 : 172.17.255.0/24
k8s
- Flannel Pod Network CIDR : 10.244.0.0/16
- Service CIDR : 10.244.0.0/16
- BGP network : 172.17.254.0/24
ASNs
- client 64512
- k8s-cluster 64522

また、k8s クラスタの管理には kubeadm を全面的に採用しています。

k8s クラスタの構築

k8s 環境の構築

https://github.com/nabeo/vagrant-k8s-metallb を git clone してきたディレクトリで make up を実行します。内部的には各 VM 定義に対して vagrant up が実行され、Vagrant の ansible_local によるプロビジョニングが実施されます。ansible_local のプロビジョニングでは以下を実施していないため、後の手順で手動で実施する必要があります。

k8s-node の k8s クラスタへの参加と worker ノードとしての登録
metallb の構築

k8s-node の k8s クラスタへの参加と worker ノードとしての登録

まず、make k8s-master-01-ssh で k8s-master-01 ノードに ssh ログインします。

k8s-master-01 で kubeadm token create --print-join-command を実行して、worker ノードが k8s クラスタに参加するためのトークン発行と k8s クラスタに参加する worker ノードで実行するべき kubeadm join コマンドを表示させます。

次に、各 worker ノードで k8s-master-01 ノードで取得した kubeadm join コマンドを実行して、k8s クラスタに参加させます。

この時点では worker ノードは k8s クラスタに参加していますが、worker ノードとしては認識されていないので、k8s-master-01 で以下を実行して worker ノードとして登録します。

kubectl label nodes <hostname> node-role.kubernetes.io/node=
kubectl label nodes <hostname> type=worker

全ての worker ノードの準備が整ったら、 kubectl get nodes では以下のように表示されていると思います。

NAME            STATUS   ROLES    AGE     VERSION
k8s-master-01   Ready    master   42d     v1.15.1
k8s-node-01     Ready    node     42d     v1.15.1
k8s-node-02     Ready    node     5d18h   v1.15.1
k8s-node-03     Ready    node     5d18h   v1.15.1

metallb の構築

Vagrantfile では vm との synced_folder として ansible プレイブックを配置している ansible ディレクトリの他に雑多なファイルを格納するための shared ディレクトリを登録しています。k8s クラスタで使用するマニフェストファイルも shared ディレクトリに配置しています。

ということで k8s-master-01 で shared/k8s-configs にある以下のファイルを kubectl apply で読み込ませます。

metallb.yaml
metallb-bgp.yaml

metallb.yaml は metallb の v0.7.3 をベースにして、Vagrant 環境で使えるように調整しています。metallb-bgp.yaml は metallb を BGP モードで使用し、rt-01 に BGP ピアを貼るようにしています。

metallb は k8s クラスタの metallb-system という名前空間を使用しています。1つの controller pod と worker ノード数分の speaker pod が立ち上がっているはずです。

k8s クラスタで遊ぶ

試しに nginx をデプロイしてみます。以下のマニフェストを kubectl apply で読み込ませます

---
apiVersion: apps/v1beta2
kind: Deployment
metadata:
  name: nginx-deployment
spec:
  replicas: 6
  selector:
    matchLabels:
      app: nginx
  template:
    metadata:
      labels:
        app: nginx
    spec:
      containers:
      - name: nginx-container
        image: nginx:alpine
        ports:
        - containerPort: 80
---
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: nginx
spec:
  ports:
    - name: http
      port: 80
      protocol: TCP
      targetPort: 80
  selector:
    app: nginx
  type: LoadBalancer

ここでは nginx サービスの type を LoadBalancer とすることで metallb を使うようにしています。kubectl apply によって環境がデプロイされると、rt-01 では以下のように nginx サービスの EXTERNAL-IP である 172.17.254.1 の next hop が worker ノードに向いているような経路が BGP で広報されたことがわかります。

vagrant@rt-01:~$ gobgp monitor adj-in
2019-07-27T07:32:17Z [ROUTE] 172.17.254.1/32 via 172.17.0.23 aspath [64522] attrs [{Origin: ?}]
2019-07-27T07:32:17Z [ROUTE] 172.17.254.1/32 via 172.17.0.21 aspath [64522] attrs [{Origin: ?}]
2019-07-27T07:32:17Z [ROUTE] 172.17.254.1/32 via 172.17.0.22 aspath [64522] attrs [{Origin: ?}]

また、rt-01 では gobgpd で受け取った経路を quagga の zebra でカーネル経路に落とし込んでいるので以下のように ip route でも確認できます。

172.17.254.1 proto zebra metric 20
        nexthop via 172.17.0.22 dev enp0s8 weight 1
        nexthop via 172.17.0.21 dev enp0s8 weight 1
        nexthop via 172.17.0.23 dev enp0s8 weight 1

gobgpd と quagga を使った BGP ルータの構築も https://github.com/nabeo/vagrant-k8s-metallb で構築していますが、ここでは詳しくは触れません。