Kubernetns 容器与VM的编排与监控实战

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使用Kubernetes进行容器编排的好处是众所周知的。但是，如果您的业务不适合容器化，那又该怎么办?也许您有一个基于第三方VM的应用，该应用不太容易也不太合适进行容器化，又或者可能需要与Kubernetes平台运行不同的内核或OS。

您真正想要的是让Kubernetes与基于标准容器一起编排VM的方式，就像普通Pod一样。最近，有两个比较好的项目旨在使您做到这一点。分别是是KubeVirt和OpenShift CNV。

在此博客中，我将逐步介绍KubeVirt，您可以按照自己的步骤，使用Calico网络将KubeVirt添加到群集中，然后使用Calico网络策略来保护VM。

开始之前

我在开发集群中使用Ubuntu 20.04和两个裸机服务器。尽管我在“第1步”中对如何创建类似的开发集群进行了解释，但是如果您已经选择了其他Kubernetes或OpenShift环境，则可以安全地跳过它。

要求：

至少一台具有2个CPU，4GB Ram和20GB存储空间的主机

kubectl命令行实用程序

SSH客户端

KubeVirt安装与管理

步骤1：建立集群

在开始创建集群之前，让我们对主机进行初始化配置以适合Kubernetes。查看这个官方的教程(https://kubernetes.io/docs/setup/production-environment/tools/kubeadm/install-kubeadm/)并准备您的主机。

让我们创建一个Kubernetes集群

sudo kubeadm init --pod-network-cidr=192.168.0.0/16 

执行以下命令来配置kubectl：

mkdir -p $HOME/.kube 
sudo cp -i /etc/kubernetes/admin.conf $HOME/.kube/config 
sudo chown $(id -u):$(id -g) $HOME/.kube/config 

移除master上的污点，以便您可以在其上调度pod。

kubectl taint nodes --all node-role.kubernetes.io/master- 

它应该返回以下内容：

node/<your-hostname> untainted 

步骤2：安装Calico

使用清单安装Calico

kubectl apply -f https://docs.projectcalico.org/manifests/calico.yaml 

步骤3：安装KubeVirt

使用namespace，我们可以将资源隔离到逻辑模块中，并且可以更轻松地管理它们。

kubectl create namespace kubevirt 

建议使用支持硬件虚拟化的主机，以确保您的主机能够使用virt-host-validate二进制文件。

virt-host-validate qemu 
QEMU: Checking for hardware virtualization               :PASS 

如果主机缺少此命令，则可以使用发行版软件包管理器进行安装，也可以使用来检查kvm文件夹是否可用 ls /dev/kvm。

默认情况下，KubeVirt尝试利用硬件仿真。但是，此功能并非在所有环境中都可用，在这种情况下，您可以使用以下方式启用软件仿真：

kubectl create configmap -n kubevirt kubevirt-config \ 
--from-literal debug.useEmulation=true 

应用这些清单并运行KubeVirt operator以自动安装所有必需的资源。

kubectl apply -f https://github.com/kubevirt/kubevirt/releases/download/v0.38.1/kubevirt-operator.yaml 
kubectl apply -f https://github.com/kubevirt/kubevirt/releases/download/v0.38.1/kubevirt-cr.yaml 

启用迁移功能。(该功能依赖于存储)

kubectl create configmap -n kubevirt kubevirt-config --from-literal feature-gates="LiveMigration" 

启用VNC代理功能组件。

kubectl apply -f kubevirt/vnc.yaml 

您可以使用此命令检查KubeVirt的安装进度。

kubectl -n kubevirt wait kv kubevirt --for condition=Available 

步骤4：创建一个简单的VM

首先，我们创建一个namespace来隔离此演示的资源。

kubectl create namespace kv-policy-demo 

现在，使用虚拟机实例(VMI)定制资源，我们可以创建与Kubernetes完全集成的VM。

kubectl create -f - <<EOF 
apiVersion: kubevirt.io/v1alpha3 
kind: VirtualMachineInstance 
metadata: 
  name: vmi-cirros 
  namespace: kv-policy-demo 
  labels: 
    special: l-vmi-cirros 
spec: 
  domain: 
    devices: 
      disks: 
      - disk: 
          bus: virtio 
        name: containerdisk 
    resources: 
      requests: 
        memory: 64M 
  volumes: 
  - name: containerdisk 
    containerDisk: 
      image: kubevirt/cirros-registry-disk-demo:latest 
EOF 

请注意，如果您使用的是软件仿真，则启动虚拟机可能会非常慢，并且完成IP地址分配可能需要5到6分钟的时间。

kubectl create -f - <<EOF 
apiVersion: v1 
kind: Service 
metadata: 
  name: vmi-cirros-ssh-svc 
  namespace: kv-policy-demo 
spec: 
  ports: 
  - name: crrios-ssh-svc 
    nodePort: 30000 
    port: 27017 
    protocol: TCP 
    targetPort: 22 
  selector: 
    special: l-vmi-cirros 
  type: NodePort 
EOF 

通过使用您节点的IP地址通过服务节点端口进行访问，确认我们可以使用SSH访问VM 。默认密码是gocubsgo。

ssh cirros@10.1.2.3 -p 30000 

通过从新的虚拟机ping google来确认虚拟机可以访问外界。

ping www.google.com -c 5 

步骤5：添加网络安全性

应用以下策略在其namespace中隔离VM。这将仅将允许入向为SSH的协议，并且阻止所有出现的流量VM。(取决于您的VM，您将需要其他策略，但是此简单策略对本教程很有用。)

kubectl create -f - <<EOF 
apiVersion: networking.k8s.io/v1 
kind: NetworkPolicy 
metadata: 
 name: only-allow-ingress-ssh-to-vm 
 namespace: kv-policy-demo 
spec: 
 podSelector: 
   matchLabels:  
    special: l-vmi-cirros 
 policyTypes: 
 - Ingress 
 - Egress 
 ingress: 
 - from: 
   ports: 
   - port: 22 
EOF 

SSH进入虚拟机，然后尝试再次ping google。

您将无法执行此操作，因为该策略将阻止所有从Pod发起的与外界的通信。这非常强大–您可以使用与保护Pod相同的范例来保护VM!

步骤6：访问虚拟机

现在我们已经为基于Kubernetes的VM管理设置了Kubevirt，现在让我们访问我们的VM。

• 使用NodePort服务和弱密码在外部公开VM时要小心
• 串行控制台仅可通过kubectl virt插件使用
• SSH以root用户身份登录

通过virt：

• SSH访问：

kubectl virt expose vmi test-vm --port=22 --name=test-vm-ssh --type=NodePort 

• 串行控制台：

virtctl console test-vm 

不通过virt：

apiVersion: v1 
kind: Service 
metadata: 
  name: test-vm-ssh 
  namespace: default 
spec: 
  ports: 
  - name: test-vm-ssh 
    protocol: TCP 
    port: 22 
    targetPort: 22 
  selector: 
    kubevirt.io/name: test-vm 
  type: NodePort 

使用VNC：

• 如果尚未启用VNC

kubectl apply -f kubevirt/vnc/vnc.yaml 

• 查找VNC服务节点端口
• 在以下位置访问VM

http://NODE_IP:NODEPORT/?namespace=VM_NAMESPACE

• 仅显示namespace VM_NAMESPACE下的VM。选择所需虚拟机所在的namespace。

步骤7：测试CDI

• 在应用之前，请确保填写DataVolume/VM清单中的所有变量以适合您的环境
• 尝试创建一个DataVolume

kubectl apply -f datavolume/datavolume-cirros.yaml 
kubectl apply -f datavolume/datavolume-ubuntu.yaml 
kubectl get datavolumes 

• 在VM清单中即时使用DataVolume

kubectl apply -f vm/CDI-PVC.yaml 

步骤8：清理

要清除本指南中使用的namespace和VM，可以运行以下命令

kubectl delete namespace kv-policy-demo 

其他：故障排除

• 确保Kubernetes有足够的备用CPU/RAM来部署您请求的VM
• 确保硬件虚拟化受支持并且可用，或者ConfigMap中存在软件虚拟化标志
• 更改标志需要重新启动部署
• 确保服务选择器正确定位到VM Pod
• 检查Docker MTU和CNI插件MTU是否适合您的网络
• 使用kubectl virt console $VM_NAME_HERE以确保虚拟机已启动

从内部监控KubeVirt VM

部署Prometheus Operator

一旦准备好了k8s集群，就是部署Prometheus Operator。原因是KubeVirt CR安装在群集上时将检测ServiceMonitor CR是否已存在。如果是这样，那么它将创建ServiceMonitors，这些ServiceMonitors被配置为可立即监控所有KubeVirt组件(virt-controller，virt-api和virt-handler)。

尽管本文中没有介绍监控KubeVirt本身，但是还是在部署KubeVirt之前先部署Prometheus Operator。

要部署Prometheus Operator，您需要首先创建其namespace，例如monitoring：

kubectl create ns monitoring 

然后在新的namespace中部署operator：

helm fetch stable/prometheus-operator 
tar xzf prometheus-operator*.tgz 
cd prometheus-operator/ && helm install -n monitoring -f values.yaml kubevirt-prometheus stable/prometheus-operator 

部署完所有内容后，您可以删除helm下载的所有内容：

cd .. 
rm -rf prometheus-operator* 

要记住的一件事是我们在此处添加的版本名称：kubevirt-prometheus。ServiceMonitor稍后声明我们时将使用版本名称。

部署具有持久性存储的VirtualMachine

现在，我们已经准备好所需要的一切。下面让我们配置虚拟机。

我们将从CDI的DataVolume(https://github.com/kubevirt/containerized-data-importer/blob/master/doc/datavolumes.md)资源PersistenVolume开始。由于我没有动态存储提供程序，因此我将创建2个PV，引用将声明它们的PVC。注意每个PV的claimRef。

apiVersion: v1 
kind: PersistentVolume 
metadata: 
  name: example-volume 
spec: 
  storageClassName: "" 
  claimRef: 
    namespace: default 
    name: cirros-dv 
  accessModes: 
    - ReadWriteOnce 
  capacity: 
    storage: 2Gi 
  hostPath: 
    path: /data/example-volume/ 
--- 
apiVersion: v1 
kind: PersistentVolume 
metadata: 
  name: example-volume-scratch 
spec: 
  storageClassName: "" 
  claimRef: 
    namespace: default 
    name: cirros-dv-scratch 
  accessModes: 
    - ReadWriteOnce 
  capacity: 
    storage: 2Gi 
  hostPath: 
    path: /data/example-volume-scratch/ 

有了永久性存储后，我们可以使用以下清单创建虚拟机：

apiVersion: kubevirt.io/v1alpha3 
kind: VirtualMachine 
metadata: 
  name: monitorable-vm 
spec: 
  running: true 
  template: 
    metadata: 
      name: monitorable-vm 
      labels: 
        prometheus.kubevirt.io: "node-exporter" 
    spec: 
      domain: 
        resources: 
          requests: 
            memory: 1024Mi 
        devices: 
          disks: 
          - disk: 
              bus: virtio 
            name: my-data-volume 
      volumes: 
      - dataVolume: 
          name: cirros-dv 
        name: my-data-volume 
  dataVolumeTemplates: 
  - metadata: 
      name: "cirros-dv" 
    spec: 
      source: 
          http: 
             url: "https://download.cirros-cloud.net/0.4.0/cirros-0.4.0-x86_64-disk.img" 
      pvc: 
        storageClassName: "" 
        accessModes: 
          - ReadWriteOnce 
        resources: 
          requests: 
            storage: "2Gi" 

注意，KubeVirt的VirtualMachine资源有一个VirtualMachine模板和一个dataVolumeTemplate。在VirtualMachine模板上，重要的是要注意我们已将VM命名为VM monitorable-vm，以后将使用该名称连接到其控制台virtctl。我们添加的标签prometheus.kubevirt.io: "node-exporter"也很重要，因为在VM内部安装与配置node-exporter时将会使用到它。

在dataVolumeTemplate上，需要注意的是，我们将PVC命名为cirros-dv，DataVolume资源将用它创建2个PVC，cirros-dv和cirros-dv-scratch。注意，cirros-dv和cirros-dv-scratch是PersistentVolume清单上引用的名称。名称必须匹配才能工作。

在VM内安装node-exporter

一旦VirtualMachineInstance运行，我们就可以使用virtctl console monitorable vm连接到它的控制台。如果需要用户和密码，请提供相应的凭据。如果您使用的是本指南中的同一磁盘映像，则用户和密码分别为cirros和gocubsgo

以下脚本将安装node-exporter并将虚拟机配置为在启动时候自启：

curl -LO -k https://github.com/prometheus/node_exporter/releases/download/v1.0.1/node_exporter-1.0.1.linux-amd64.tar.gz 
gunzip -c node_exporter-1.0.1.linux-amd64.tar.gz | tar xopf - 
./node_exporter-1.0.1.linux-amd64/node_exporter & 
 
sudo /bin/sh -c 'cat > /etc/rc.local <<EOF 
#!/bin/sh 
echo "Starting up node_exporter at :9100!" 
 
/home/cirros/node_exporter-1.0.1.linux-amd64/node_exporter 2>&1 > /dev/null & 
EOF' 
sudo chmod +x /etc/rc.local 

PS：如果您使用其他基础映像，请配置node-exporter以在启动时相应地启动

配置Prometheus抓取VM的node-exporter

配置Prometheus来抓取node-exporter非常简单。我们需要做的就是创建一个新的Service和一个ServiceMonitor：

apiVersion: v1 
kind: Service 
metadata: 
  name: monitorable-vm-node-exporter 
  labels: 
    prometheus.kubevirt.io: "node-exporter" 
spec: 
  ports: 
  - name: metrics 
    port: 9100 
    targetPort: 9100 
    protocol: TCP 
  selector: 
    prometheus.kubevirt.io: "node-exporter" 
--- 
apiVersion: monitoring.coreos.com/v1 
kind: ServiceMonitor 
metadata: 
  name: kubevirt-node-exporters-servicemonitor 
  namespace: monitoring 
  labels: 
    prometheus.kubevirt.io: "node-exporter" 
    release: monitoring 
spec: 
  namespaceSelector: 
    any: true 
  selector: 
    matchLabels: 
      prometheus.kubevirt.io: "node-exporter" 
  endpoints: 
  - port: metrics 
    interval: 15s 

让我们分解一下，以确保我们正确设置了所有内容。从Service开始：

spec: 
  ports: 
  - name: metrics 
    port: 9100 
    targetPort: 9100 
    protocol: TCP 
  selector: 
    prometheus.kubevirt.io: "node-exporter" 

在规范中，我们正在创建一个名为metrics的新端口，该端口将重定向到每个标记为prometheus.kubevirt.io: "node-exporter"，此处为端口9100，这是node_exporter的默认端口号。

apiVersion: v1 
kind: Service 
metadata: 
  name: monitorable-vm-node-exporter 
  labels: 
    prometheus.kubevirt.io: "node-exporter" 

我们还在为服务本身贴上标签prometheus.kubevirt.io: "node-exporter"，将由ServiceMonitor对象使用。现在让我们看看我们的ServiceMonitor规范：

spec: 
  namespaceSelector: 
    any: true 
  selector: 
    matchLabels: 
      prometheus.kubevirt.io: "node-exporter" 
  endpoints: 
  - port: metrics 
    interval: 15s 

由于我们的ServiceMonitor将部署在monitoring namespace中，而我们的服务则在default namespace中，因此我们需要设置namespaceSelector.any=true。

我们还告诉ServiceMonitor，Prometheus需要从标记为prometheus.kubevirt.io: "node-exporter"以及哪些端口被命名为metrics。幸运的是，我们的service就是这么做的!

最后一件要注意的事。Prometheus配置可以设置为监视多个ServiceMonitors。我们可以通过以下命令查看prometheus正在监视的服务：

# Look for Service Monitor Selector 
kubectl describe -n monitoring prometheuses.monitoring.coreos.com monitoring-prometheus-oper-prometheus 

确保我们的ServiceMonitor具有Prometheus的Service Monitor Selector的所有标签。一个常见的选择器是我们在部署helm的prometheus时设置的版本名称!

测试

您可以通过端口转发Prometheus Web UI并执行一些PromQL来进行快速测试：

kubectl port-forward -n monitoring prometheus-monitoring-prometheus-oper-prometheus-0 9090:9090 

为确保一切正常，请访问localhost:9090/graph并执行PromQL up{pod=~"virt-launcher.*"}。Prometheus应该返回从monitorable-vm的node-exporter收集的数据。

您可以试用virtctl，停止和启动VM，以查看指标的行为。您会注意到，使用停止VM时virtctl stop monitorable-vm，VirtualMachineInstance被杀死，因此它也是Pod。这将导致我们的服务无法找到pod的端点，然后将其从Prometheus的目标中删除。

由于这种行为，下面的告警规则将无法正常工作，因为我们的目标实际上已经消失了，而不是降级了。

- alert: KubeVirtVMDown 
    expr: up{pod=~"virt-launcher.*"} == 0 
    for: 1m 
    labels: 
      severity: warning 
    annotations: 
      summary: KubeVirt VM {{ $labels.pod }} is down. 

但是，如果VM在不停止的情况下连续崩溃，则pod不会被杀死，并且仍将监视目标。node-exporter永远不会启动或将与VM一起不断关闭，因此这样的警报可能会起作用：

- alert: KubeVirtVMCrashing 
    expr: up{pod=~"virt-launcher.*"} == 0 
    for: 5m 
    labels: 
      severity: critical 
    annotations: 
      summary: KubeVirt VM {{ $labels.pod }} is constantly crashing before node-exporter starts at boot. 

结论：

在此博客文章中，首先，我们简单介绍以及快速安装体验了kubevirt， 然后我们使用node-exporter从KubeVirt VM中公开了监控指标。我们还配置了Prometheus Operator来收集这些指标。本文也是将Kubernetes监控实践与KubeVirt VM运行的应用程序结合使用。