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@sigma7641

Raspberry Piを利用してk3sのクラスタ環境を構築

Last updated at Posted at 2025-07-15

利用したもの

以下の３台のRaspberry Piを利用して、k3sのクラスタ環境を構築します。

  • Raspberry Pi 3 Model B
  • Raspberry Pi 4 Model B
  • Raspberry Pi 4 Model B

細かい説明は省略しますが、PoE（Power over Ethernet）を利用して、電源供給とネットワーク接続をしています。重要なことは電源供給が安定していて、互いに通信できることです。

Raspberry Pi OS Liteのインストール

まずはOSイメージを記憶媒体に焼きます。公式のRaspberry Pi Imagerを利用します。

今回はRaspberry Pi OS Liteを利用します。

# raspberry pi imagerのインストール
brew install --cask raspberry-pi-imager
# raspberry pi imagerのアップデート
brew upgrade --cask raspberry-pi-imager

SSHでの接続が可能な設定とします。
Raspberry Pi ヘッドレスセットアップなどを参考にする。

事前準備（OSインストール後）

Raspberry Pi OS Liteをインストールしたら、初期設定を行います。
以下のコマンドを実行して、初期設定を行います。

aptの更新とアップグレード

sudo apt update && sudo apt upgrade -y

固定IPアドレスの設定

/etc/dhcpcd.confを編集して、固定IPアドレスを設定します。

/etc/dhcpcd.conf
interface eth0
static ip_address=192.168.x.xx/24
static routers=192.168.1.1
static domain_name_servers=8.8.8.8

スワップ無効化

Kubernetes/k3sではスワップ使用は推奨されません。Raspberry Pi OSではdphys-swapfile.serviceでスワップが管理されているので、以下でオフにします。

sudo swapoff --all
sudo systemctl disable dphys-swapfile.service --now

cgroupメモリサブシステム有効化

RPi OSのカーネルはデフォルトでcgroupのメモリ制御が無効なので、/boot/firmware/cmdline.txt末尾に以下を追加し、再起動します。
改行をせずに１行で記述することに注意してください。

Kubernetes / k3s / Docker などがメモリ制限をできるようにメモリコントロールグループ（Memory cgroup）を有効にする必要があります。これにより、コンテナが使用できるメモリ量を制限できます。

/boot/firmware/cmdline.txt
cgroup_enable=memory cgroup_memory=1

設定後は再起動します。

sudo reboot

以下のコマンドでcgroupのメモリ制御が有効になっていることを確認します。

zgrep CONFIG_MEMCG /boot/config-$(uname -r)

出力がCONFIG_MEMCG=yであれば有効です。

カーネルモジュールの確認

通常k3sサーバー起動時にこれらをロードしますが、事前にロードしておくと確実です。

モジュール名 役割
overlay コンテナがファイルシステムのレイヤー化を行う際に使用
br_netfilter Linuxブリッジ経由のトラフィックを iptables で処理するために必要
net.ipv4.ip_forward Pod間通信や外部アクセスに必要（ルータ動作）

/etc/modules-load.d/k3s.confを作成して起動時にロードするモジュールを指定します。

/etc/modules-load.d/k3s.conf
echo -e "overlay\nbr_netfilter" | sudo tee /etc/modules-load.d/k3s.conf
sudo tee /etc/sysctl.d/k3s.conf <<EOF
net.bridge.bridge-nf-call-iptables = 1
net.ipv4.ip_forward = 1
EOF

sudo sysctl --systemで設定を反映します。

sudo rebootで再起動して確認してください。

lsmod | grep -E 'overlay|br_netfilter'
sudo sysctl net.bridge.bridge-nf-call-iptables
sudo sysctl net.ipv4.ip_forward

以下のような出力が得られればOKです。

br_netfilter           32768  0
bridge                282624  1 br_netfilter
overlay               143360  0
ipv6                  573440  40 bridge,br_netfilter
net.bridge.bridge-nf-call-iptables = 1
net.ipv4.ip_forward = 1

k3s のインストール

k3sは軽量なKubernetesディストリビューションで、Raspberry Piのようなリソースが限られた環境でも動作します。

マスターノード (サーバー) のセットアップ

マスター（Control-Plane）ノードでは k3s サーバーをインストールします。以下のコマンドでインストーラを実行します。--write-kubeconfig-mode 644 を付けると、出力される kubeconfig ファイルのパーミッションが緩和され、一般ユーザでもアクセスできるようになります。

curl -sfL https://get.k3s.io | sh -s - --write-kubeconfig-mode 644

k3s サーバーのインストールと起動が完了します。ステータスは systemctl status k3sで確認できます。

インストール完了後、初期状態ではマスター自身のみがクラスタに参加しており、kubectl get nodes でノード一覧を確認できます。以下のような出力が得られれば成功です。

NAME        STATUS   ROLES                  AGE   VERSION
pi-master   Ready    control-plane,master   77s   v1.32.6+k3s1

ワーカーノードの参加

マスターで次のコマンドを実行し、参加トークンを確認します。

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

出力されたトークンを控えたら、ワーカーノードに移動して k3s エージェントをインストールします。以下のようにマスターのURLとトークンを環境変数で指定します。

curl -sfL https://get.k3s.io | K3S_URL=https://<マスターのIP>:6443 K3S_TOKEN=<取得したトークン> sh -

全てのワーカーノードで同様の手順を実行します。

マスターノードで kubectl get nodes を実行して、ワーカーノードが正常に参加していることを確認します。
以下のように、ワーカーノードが表示されれば成功です。

NAME          STATUS   ROLES                  AGE     VERSION
pi-master     Ready    control-plane,master   8m28s   v1.32.6+k3s1
pi-worker01   Ready    <none>                 48s     v1.32.6+k3s1
pi-worker02   Ready    <none>                 69s     v1.32.6+k3s1

クラスタ動作確認

ノード確認

kubectl get nodes で全ノードが Ready になっているか確認します。

Pod確認

kubectl get pods -Aで全namespaceのPod一覧を確認します

k3s導入時にデフォルトで動くシステムコンポーネント（CoreDNS、metrics-server、local-path-provisioner、Traefik など）が Running 状態で立ち上がっていることを確認します。

kubectl の利用

k3s は /etc/rancher/k3s/k3s.yaml に管理用の kubeconfig を生成しています。
マスターで kubectl を使う場合はデフォルトで参照されますが、別PCから操作する場合はこのファイルをコピーし、環境変数 KUBECONFIG を設定するなどしてリモートからアクセスできます。

[オプション]Kubernetes Dashboard の導入

Kubernetes公式のWebベースGUI。k3sにも対応しており、ノード・Pod・サービス・イベントなどをリアルタイムで確認・操作できます。

kubectl apply -f https://raw.githubusercontent.com/kubernetes/dashboard/v2.7.0/aio/deploy/recommended.yaml
dashboard-admin-user.yaml
---
apiVersion: v1
kind: ServiceAccount
metadata:
  name: admin-user
  namespace: kubernetes-dashboard
---
apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1
kind: ClusterRoleBinding
metadata:
  name: admin-user
roleRef:
  apiGroup: rbac.authorization.k8s.io
  kind: ClusterRole
  name: cluster-admin
subjects:
- kind: ServiceAccount
  name: admin-user
  namespace: kubernetes-dashboard
---
apiVersion: v1
kind: Secret
metadata:
  name: admin-user-token
  namespace: kubernetes-dashboard
  annotations:
    kubernetes.io/service-account.name: admin-user
type: kubernetes.io/service-account-token

# 1. 管理者ユーザーを作成
kubectl apply -f ~/k8s-dashboard/dashboard-admin-user.yaml

# 2. トークンを取得
kubectl get secret admin-user-token -n kubernetes-dashboard -o jsonpath='{.data.token}' | base64 -d

# 外部からアクセスできるように0.0.0.0にバインド
kubectl port-forward -n kubernetes-dashboard service/kubernetes-dashboard 8443:443 --address 0.0.0.0

# これで https://<remoteアドレス>:8443 でアクセス可能
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