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K8S集群的高可用性（HA）架构如何设计

article 2024/12/4 9:00:51

Kubernetes (K8S) 高可用性（High Availability, HA）集群架构设计的目标是确保集群在发生组件或节点故障时，仍能提供持续的服务。以下是 HA 架构的设计要点和实现方式：

1. 高可用控制平面 (Control Plane)

控制平面由 kube-apiserver、etcd、kube-scheduler、kube-controller-manager 等组件组成。要实现控制平面的高可用：

1.1 多实例部署

• kube-apiserver：

o 在多个主节点（Master Node）上部署 kube-apiserver。

o kube-apiserver 是无状态的，可通过负载均衡器分发流量。

• kube-scheduler 和 kube-controller-manager：

o 这些组件可以以多实例模式运行，但必须通过选举机制（如基于 leader-elect）来确保只有一个实例在工作。

1.2 etcd 高可用

• 多节点 etcd 集群：

o 推荐奇数节点（如 3 或 5 个节点）来实现分布式一致性。

o 节点数应保证大多数（quorum）节点可用（即 N/2+1）。

o 确保 etcd 数据的持久化存储和定期备份。

• 网络配置： o etcd 节点间网络延迟应尽可能低，以保证写入性能和一致性。

2. 负载均衡

通过负载均衡器将流量分发到多个 kube-apiserver 实例，提供对外统一访问的高可用接口。

2.1 负载均衡器选型 • 外部负载均衡器： o 使用云厂商提供的负载均衡服务（如 AWS ELB、GCP Load Balancer）。

• 内部负载均衡器：

o 使用 HAProxy、Keepalived 或 Nginx。

o 配置 VIP（虚拟 IP），通过 Keepalived 实现高可用的负载均衡服务。

3. 高可用工作节点 (Worker Nodes)

工作节点的高可用性通过以下方式实现：

3.1 多节点分布

• 部署多个工作节点，确保即使部分节点故障，仍有其他节点可以继续运行。

3.2 Pod 调度策略

• 配置 PodAntiAffinity 和 NodeSelector，避免同一应用的副本集中到单个节点。

• 使用 PodDisruptionBudget (PDB) 控制在维护期间受影响的 Pod 数量。

3.3 网络插件

• 选择支持高可用的 CNI（如 Calico、Flannel、Cilium）。

• 确保每个节点间的网络通信畅通。

4. 高可用存储

对于需要持久化存储的应用，存储的高可用性设计至关重要。

4.1 存储选型

• 云原生存储： o 使用 Ceph、Rook 等分布式存储系统。

• 云厂商存储： o 利用云存储（如 AWS EBS、GCP Persistent Disk）提供的高可用特性。

4.2 数据备份

• 使用工具（如 Velero）定期备份 Kubernetes 的 PV 数据。

5. 监控与自动化运维

5.1 监控系统 • 部署 Prometheus + Grafana，用于实时监控集群状态。 • 监控关键组件的性能指标（如 kube-apiserver 延迟、etcd 健康状态）。

5.2 自动恢复 • 配置 Cluster Autoscaler 和 Node Auto-repair，确保节点或 Pod 故障时自动修复。

5.3 灾难恢复 • 制定完整的 DR（Disaster Recovery）计划。 • 定期测试 etcd 数据恢复流程。

6. 示例架构图

sql 复制代码 +-----------------------------+ | External Clients | +-----------------------------+ | +----------------+ | Load Balancer | +----------------+ | +---------------------+ | Control Plane Nodes | +---------------------+ | - kube-apiserver | | - etcd (3+ nodes) | | - kube-scheduler | | - kube-controller | +---------------------+ | +----------------+ | Worker Nodes | +----------------+ | Pods and Services | +-------------------+