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《Kubernetes 1.21高可用部署之负载均衡解决方案全解析》
Kubernetes（k8s）作为容器编排领域的事实标准，在现代分布式应用的部署和管理中发挥着至关重要的作用，在生产环境中，确保k8s集群的高可用性是一项关键任务，负载均衡是实现k8s高可用的重要组成部分，它能够有效地分配流量，避免单点故障，提高整个集群的可靠性和性能，本文将详细探讨基于k8s 1.21版本的高可用部署负载均衡解决方案。
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二、Kubernetes 1.21高可用架构概述
1、控制平面高可用
- 在k8s 1.21中，控制平面组件（如kube - apiserver、kube - controller - manager、kube - scheduler等）的高可用性是基础，kube - apiserver是整个集群的核心入口，多个kube - apiserver实例可以通过负载均衡器进行前端代理，可以使用软件负载均衡器（如HAProxy或Nginx）来将客户端请求均匀地分发到不同的kube - apiserver实例上。
- kube - controller - manager和kube - scheduler虽然在集群中通常只有一个处于活跃状态，但可以通过选举机制来确保在主节点故障时能够快速切换到备用节点。
2、节点高可用
- 工作节点（worker nodes）需要具备一定的冗余性，通过在多个节点上部署容器化应用，可以避免单个节点故障导致应用不可用，k8s的调度器会根据节点的资源状况和策略将Pod调度到合适的节点上。
负载均衡器类型
1、软件负载均衡器
HAProxy
- HAProxy是一款流行的开源软件负载均衡器，在k8s高可用部署中，它可以配置为监听特定端口（如kube - apiserver的6443端口），然后根据预定义的算法（如轮询、加权轮询、源IP哈希等）将传入的请求转发到后端的kube - apiserver实例，对于轮询算法，它会依次将请求发送到每个kube - apiserver实例，从而实现负载均衡。
- 在配置HAProxy时，需要设置后端服务器的IP地址和端口，以及健康检查机制，健康检查可以通过定期发送HTTP请求到kube - apiserver的健康检查端点来确定后端实例是否可用，如果某个实例不可用，HAProxy会自动将其从后端服务器池中移除，不再向其转发请求。
Nginx
- Nginx也可以用作k8s的负载均衡器，它以高性能和低资源消耗而闻名，与HAProxy类似，Nginx可以配置为反向代理，将请求转发到kube - apiserver实例，Nginx的配置文件可以定义不同的服务器块，每个服务器块对应一个kube - apiserver实例。
- Nginx支持多种负载均衡算法，如least_conn（将请求发送到连接数最少的后端服务器），Nginx还可以进行SSL/TLS终止，这在安全通信方面非常有用，当客户端通过HTTPS访问k8s集群时，Nginx可以解密SSL流量，然后以HTTP形式将请求转发到kube - apiserver。
2、硬件负载均衡器
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- 硬件负载均衡器（如F5 Big - IP）提供了更强大的性能和高级功能，它们通常具有更高的吞吐量和更复杂的流量管理能力，在大型企业级k8s部署中，硬件负载均衡器可以处理大量的并发请求。
- 硬件负载均衡器可以与k8s集成，例如通过配置虚拟服务器来监听kube - apiserver的端口，并将流量分发到后端的kube - apiserver实例，它们还可以提供诸如会话保持、流量过滤等功能，以满足特定的安全和性能要求。
四、负载均衡在Kubernetes 1.21中的应用
1、服务暴露的负载均衡
- 在k8s中，Service是一种抽象，用于将一组Pod暴露给其他组件或外部网络，对于类型为LoadBalancer的服务，k8s可以与云提供商的负载均衡器集成（在云环境中），或者可以使用自定义的负载均衡器（在本地环境或非云环境中）。
- 当创建一个LoadBalancer类型的服务时，k8s会向负载均衡器发送请求，以配置负载均衡规则，将流量分发到一组提供相同服务的Pod上，负载均衡器会根据Pod的IP地址和端口进行转发，并且会根据Pod的动态变化（如Pod的创建、删除或迁移）更新转发规则。
2、Ingress资源与负载均衡
- Ingress是k8s中的一种资源，用于管理外部对集群内服务的HTTP和HTTPS访问，Ingress控制器（如Nginx Ingress Controller或Traefik）可以与负载均衡器协同工作。
- Nginx Ingress Controller可以作为负载均衡器的后端，接收来自外部负载均衡器的请求，并根据Ingress资源的定义将请求转发到相应的服务，Ingress资源可以定义路由规则，如基于域名、路径等将请求路由到不同的服务，而负载均衡器则负责将外部流量均匀地分发到Ingress控制器上。
高可用负载均衡的部署实践
1、基于HAProxy的部署示例
- 安装HAProxy，在CentOS系统上，可以通过yum包管理器进行安装，安装完成后，编辑HAProxy的配置文件。
- 在配置文件中，定义全局配置，如日志级别、进程数等，定义前端部分，监听kube - apiserver的端口（如6443），在后端部分，添加kube - apiserver实例的IP地址和端口，并设置健康检查的参数。
global
log 127.0.0.1 local0
maxconn 4096
daemon
frontend kube - api - frontend
bind *:6443
default_backend kube - api - backend
backend kube - api - backend
option httpchk GET /healthz
server k8s - master1 192.168.1.10:6443 check
server k8s - master2 192.168.1.11:6443 check- 保存配置文件后，启动HAProxy服务，这样，HAProxy就可以开始对kube - apiserver进行负载均衡操作了。
2、基于Nginx的部署示例
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- 安装Nginx后，编辑其配置文件，在http块中，可以定义多个server块，每个server块对应一个kube - apiserver实例。
-
http {
upstream kube - api - servers {
least_conn;
server 192.168.1.10:6443;
server 192.168.1.11:6443;
}
server {
listen 6443;
location / {
proxy_pass http://kube - api - servers;
proxy_set_header Host $host;
}
}
}- 启动Nginx服务后，它就能够对kube - apiserver进行负载均衡，Nginx还可以根据需要进行进一步的配置优化，如调整缓存策略、增加安全相关的配置等。
高可用负载均衡的监控与故障处理
1、监控指标
- 对于负载均衡器的监控至关重要，常见的监控指标包括连接数（如当前连接数、最大连接数等）、吞吐量（每秒处理的请求数量）、响应时间等。
- 对于软件负载均衡器，如HAProxy和Nginx，可以通过它们自身的状态页面或者日志来获取这些指标，HAProxy的统计页面可以显示每个后端服务器的连接数、健康状态等信息，Nginx可以通过配置监控模块（如nginx - status模块）来获取类似的信息。
- 在k8s环境中，还可以使用Prometheus等监控工具来收集负载均衡器的指标，并通过Grafana进行可视化展示，这样可以方便地观察负载均衡器的运行状态，及时发现潜在的问题。
2、故障处理
- 当负载均衡器检测到后端kube - apiserver实例故障时，如通过健康检查发现某个实例无响应，它需要能够自动进行故障处理，对于软件负载均衡器，这通常意味着将故障实例从后端服务器池中移除，停止向其转发请求。
- 在整个k8s集群层面，需要有机制来处理负载均衡器自身的故障，可以使用冗余的负载均衡器，通过Keepalived等工具实现主备切换，如果主负载均衡器故障，备用负载均衡器可以迅速接管流量，确保k8s集群的正常运行。
在Kubernetes 1.21的高可用部署中，负载均衡是一个不可或缺的环节，无论是软件负载均衡器还是硬件负载均衡器，都能够有效地提高k8s集群的可靠性和性能，通过合理选择和部署负载均衡器，结合有效的监控和故障处理机制，可以构建出一个稳定、高效的k8s高可用集群，满足现代企业级应用的需求，随着k8s的不断发展，负载均衡技术也将不断演进，以适应更加复杂的应用场景和需求。
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