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株式会社ピーアールオー（あったらいいな！を作ります） Advent Calendar 2023

Day 1
@ogawa_proin株式会社ピー・アール・オー【公式】

K3sでクラスターを作ってみよう

Last updated at Posted at 2023-12-24

はじめに

株式会社ピー・アール・オー Advent Calendar 2023の1日目がなんと空いているので参戦しました。どうぞよろしくお願いします。
今回はK3sでクラスタを作成するまでを記事にします。

K3sとは？

K3sとは、Rancher Labsが開発した軽量なKubernetesディストリビューションです。
公式サイトを見ると、以下のような特徴と利点が挙げられています。

  • エッジコンピューティングやIoTに最適
  • 単一のバイナリファイルとしてパッケージングされているので導入が楽
  • ARM用に最適

端的に述べると、とても軽量で導入が容易なコンテナオーケストレーションシステムということです。
今回はRaspberry Pi 4と、このK3sを使用し、クラスターの構築を行います。

動作確認環境

端末 OS ノードタイプ
Raspberry Pi 4 Model B / 8GB Ubuntu 20.04.4 LTS Server
Raspberry Pi 4 Model B / 8GB Ubuntu 20.04.4 LTS Agent
Raspberry Pi 4 Model B / 8GB Ubuntu 20.04.4 LTS Agent

OSのインストール手順はUbuntu公式サイトのチュートリアルに従うとよいでしょう。

各ノードの共通設定

ローカルIPアドレスの固定

99-config.yamlを編集し、各ノードのローカルIPアドレスを固定します。

# cd /etc/netplan/
# vim 99-config.yaml
99-config.yaml
network:
  version: 2
  renderer: networkd
  ethernets:
    eth0:
      addresses:
        - 192.168.0.16/24
      gateway4: 192.168.0.1
      nameservers:
          addresses: [8.8.8.8]

以下のコマンドで適用します。

# netplan apply

我が家の環境ではそれぞれ以下の通りに設定しました。

  • Server
    • 192.168.0.16
  • Agent1
    • 192.168.0.17
  • Agent2
    • 192.168.0.18

ホストネーム設定

各ノードにホスト名をユニークになるよう設定します。
これは、K3sはデフォルトでホスト名を kubernetes ノード名として使用するためです。

# hostnamectl set-hostname <ホスト名>

NFSのインストール

必要に応じ、NFSをインストールします。
PersistentVolumeを使う場合などは用意しておいた方がよいでしょう。

# apt install nfs-common

以下のコマンドで外付けHDDをマウントします。

# mount -t nfs 192.168.0.4:/external-hdd/ /mnt/ -o hard,intr

OSの日本語化

必須ではないですが、日本語化しておきます。

# apt -y install language-pack-ja-base language-pack-ja ibus-kkc
# localectl set-locale LANG=ja_JP.UTF-8 LANGUAGE="ja_JP:ja"
# source /etc/default/locale
# echo $LANG

WireGuardのインストール

WireGuardをFrannelのバックエンドとして使用することで、クラスター内の通信を暗号化することができ、よりセキュアな運用を行うことができます。
ここでは、クラスター内の全ての端末にWireGuardをインストールし、適用する手順を記載します。

# apt install wireguard -y

キーペアの作成

キーペアを作成します。このキーペアの内容を設定ファイルに記載します。

# wg genkey | tee wg.key | wg pubkey > wg-pub.key

設定ファイルの作成

/etc/wireguard/wg0.confを作成します。
我が家の環境では、それぞれ以下のIPアドレスを利用するようにしました。

  • Server
    • 172.16.0.1
  • Agent1
    • 172.16.0.2
  • Agent2
    • 172.16.0.3
      なお、WireGuardのインターフェース名はwg0としています。

サーバーの場合

wg0.conf(Server)
[Interface]
Address = 172.16.0.1
ListenPort = 51871
PrivateKey = <サーバーで作成した秘密鍵>

[Peer]
PublicKey = <エージェント1で作成した公開鍵>
AllowedIPs = 172.16.0.2

[Peer]
PublicKey = <エージェント2で作成した公開鍵>
AllowedIPs = 172.16.0.3

エージェントの場合

wg0.conf(Agent1)
[Interface]
Address = 172.16.0.2
ListenPort = 51871
PrivateKey = <エージェント1で作成した秘密鍵>

[Peer]
PublicKey = <サーバーで作成した公開鍵>
Endpoint = 192.168.0.16:51871
AllowedIPs = 172.16.0.1
wg0.conf(Agent2)
[Interface]
Address = 172.16.0.3
ListenPort = 51871
PrivateKey = <エージェント2で作成した秘密鍵>

[Peer]
PublicKey = <サーバーで作成した公開鍵>
Endpoint = 192.168.0.16:51871
AllowedIPs = 172.16.0.1

WireGuardの起動

全てのサーバー、エージェントで自動起動を有効にし、起動します。

# systemctl enable wg-quick@wg0
# systemctl start wg-quick@wg0

サーバー側作業

K3sのインストール作業

ファイアウォールの設定

以下のポートを開けます。UFWを使用している場合の例です。

# ufw enable
# ufw allow 22
# ufw allow 6443/tcp
# ufw allow 7946/tcp
# ufw allow 10250/tcp
# ufw allow 51820/udp
# ufw allow 51871/udp

メモリサブシステムの有効化

/boot/firmware/cmdline.txtを編集し、行末にcgroup_memory=1 cgroup_enable=memoryを追加します。
これにより、cgroupのメモリサブシステムを有効化します。

cmdline.txt
elevator=deadline net.ifnames=0 console=serial0,115200 dwc_otg.lpm_enable=0 console=tty1 root=LABEL=writable rootfstype=ext4 rootwait fixrtc quiet splash cgroup_memory=1 cgroup_enable=memory

追記後、マシンをrebootしてください。

# reboot -h now

K3sインストールスクリプトの実行

K3sのインストールスクリプトを実行し、サーバーとしてインストールします。
デフォルトでいくつかのPodが自動的にデプロイされるようになっていますが、--disableオプションを付与することで無効化することができます。
対象はcoredns, servicelb, traefik, local-storage, metrics-serverとなります。
なお、以前のバージョンでは--no-deployで無効化することができましたが、名称が変わっています。旧称で指定するとエラーとなるので注意が必要です。
また、我が家の環境はIPv6 over IPv4に固定IPオプションを利用しています。
そのため、--tls-sanオプションを付与し、明示的に割り当てられた固定IPをAPIサーバーの証明書のSANに設定しています。(ローカルIPも一応指定しています)
これを指定しないと、IPv6アドレスのみSANに設定されてしまい、固定IPでアクセスした際、証明書の検証に失敗してしまうためです。

# curl -sfL https://get.k3s.io | sh -s - --disable traefik,local-storage,servicelb --node-name master --tls-san 固定したIPv4アドレス(グローバル) --tls-san 192.168.0.16 --tls-san 127.0.0.1`

トークンの確認

インストール後、サーバーのトークンを取得します。
このトークンはエージェントのインストール時に使用するため、値を控えておきます。

# cat /var/lib/rancher/k3s/server/node-token

Systemdサービスの編集

/etc/systemd/system/k3s.serviceを編集し、起動オプションと、WireGuardの設定を追加しておきます。

k3s.service
[Unit]
Description=Lightweight Kubernetes
Documentation=https://k3s.io
Wants=network-online.target
After=network-online.target

[Install]
WantedBy=multi-user.target

[Service]
Type=notify
EnvironmentFile=-/etc/default/%N
EnvironmentFile=-/etc/sysconfig/%N
EnvironmentFile=-/etc/systemd/system/k3s.service.env
KillMode=process
Delegate=yes
# Having non-zero Limit*s causes performance problems due to accounting overhead
# in the kernel. We recommend using cgroups to do container-local accounting.
LimitNOFILE=1048576
LimitNPROC=infinity
LimitCORE=infinity
TasksMax=infinity
TimeoutStartSec=0
Restart=always
RestartSec=5s
ExecStartPre=/bin/sh -xc '! /usr/bin/systemctl is-enabled --quiet nm-cloud-setup.service'
ExecStartPre=-/sbin/modprobe br_netfilter
ExecStartPre=-/sbin/modprobe overlay
ExecStart=/usr/local/bin/k3s \
    server \
        '--disable' \
        'traefik,local-storage,servicelb' \
        '--node-name' \
        'server' \
        '--tls-san' \
        '固定したIPv4アドレス(グローバル)' \
        '--tls-san' \
        '192.168.0.16' \
        '--tls-san' \
        '127.0.0.1' \
        '--flannel-backend' \
        'wireguard-native' \
        '--flannel-external-ip' \
        '--flannel-iface' \
        'wg0' \

Unitファイルの変更を反映し、K3sを再起動します。

# systemctl daemon-reload
# systemctl restart k3s

エージェント側作業

本環境ではエージェントを2台用意するため、それぞれの端末に対して手順を実施しています。

K3sのインストール作業

ファイアウォールの設定

以下のポートを開けます。UFWを使用している場合の例です。

# ufw enable
# ufw allow 22
# ufw allow 7946/tcp
# ufw allow 10250/tcp
# ufw allow 51820/udp
# ufw allow 51871/udp

メモリサブシステムの有効化

サーバーと同様に、/boot/firmware/cmdline.txtを編集し、行末にcgroup_memory=1 cgroup_enable=memoryを追加します。
これにより、cgroupのメモリサブシステムを有効化します。

cmdline.txt
elevator=deadline net.ifnames=0 console=serial0,115200 dwc_otg.lpm_enable=0 console=tty1 root=LABEL=writable rootfstype=ext4 rootwait fixrtc quiet splash cgroup_memory=1 cgroup_enable=memory

K3sインストールスクリプトの実行

K3sのインストールスクリプトを実行し、エージェントとしてインストールします。
K3S_TOKENにはサーバーから取得したトークンを指定します。
また、node-nameはクラスタ内でユニークなものにしてください。

# curl -sfL https://get.k3s.io | K3S_URL=https://192.168.0.16:6443 K3S_TOKEN="サーバーから取得したトークン" sh -s - --node-name agent

各ノードの確認

kubectlコマンドでノードを確認すると、クラスタの構築を確認することができます。
ちなみに、Kubeconfigは/etc/rancher/k3s/k3s.yamlに出力されています。

# kubectl get nodes
NAME      STATUS   ROLES                  AGE    VERSION
agent2   Ready    <none>                 209d   v1.26.4+k3s1
server   Ready    control-plane,master   209d   v1.26.4+k3s1
agent1   Ready    <none>                 209d   v1.26.4+k3s1

おわりに

今回はクラスタの構築で一旦終了となりますが、この後時間があれば、実際にPodを載せるところまで別記事に書ければと思っています。

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