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이전 글은 Cluster API 가 어떤 것이고 어떻게 동작하는지를 알아봤다면 이번에는 AWS 에 Cluster API를 이용하여 Kubernetes 를 쉽게 설치하는 방법을 설명한다.
사실 AWS를 어느 정도 알고있어야 (특히 VPC, Subnet, Route Table, Nat Gateway, Internet Gateway 같은 네트워크) 해당 내용들을 이해하기가 쉽기 때문에 Cluster API 로 구현되는 최종 Kubernetes Cluster 구성에 대해서 먼저 설명하겠다.

특정 리전 (여기서는 서울)에 3개의 가용존(AZ1~3)에 Kubernetes Master 와 Node 가 설치되게 된다. 하나의 AZ에는 public subnet 과 private subnet 이 만들어지며 public subnet은 인터넷과 통하는 Internet Gateway 와 연결되어 있다. 네트워크 통신을 위해서는 Route Table 을 통해서 default gateway (0.0.0.0/0)를 설정해야 하는데 public subnet 은 Internet Gateway 를 private subnet 은 EIP 가 할당되어 있는 NAT gateway 를 설정한다.

AWS 에서는 Internet Gateway 와 연결되어 있는데 subnet 을 public subnet 으로 명명하며 public IP 가 할당되는 자원들은 모두 public subnet 에 생성한다. 그 외의 subnet 은 private subnet 이라 명명하는데, 이 때 외부 outbound 연결을 하기 위해서는 public subnet 에 NAT Gateway 를 만들어 활용한다. 보라색 점선이 Internet Gateway 와 NAT Gateway 로 default gateway 를 설정한 내용을 보여준다.

요약하면 AWS 에서의 네트워크는 Subnet, Route table, Gateway (Internet 혹은 NAT) 로 구성된다.

모든 VM (Control plane과 Node) instance는 private subnet에 생성되어 외부에서 직접 VM 으로 접속하는 경로를 차단한다. 필요에 따라 외부의 Inbound 를 트래픽을 가능하게 하려면 Load Balancer 를 통해서 연결한다(물론 Internal LB도 가능하다). Load Balancer 가 private subent 의 VM 에 연결되기 위해서는 public subnet 이 LB에 등록되어야 한다. 다이어그램에서 이를 표현한 것이 초록색 점선이다. LB 와 Control plane 을 연결한 것은 API Server 가 LB 에 등록되어 로드밸랜싱된다는 의미이며, 고객 서비스의 연결은 Node VM 에 연결될 수 있다. 이 때 Service 리소스의 Type 을 LoadBalancer 로 지정하면 자동으로 연결된다.

이 기능들이 가능한 이유는 Kubernetes 에 Cloud provider controller 가 내장되어 있기 때문이다. 하지만 이 기능은 deprecated 될 예정으로 버전 1.23 부터는 소스가 분리될 예정이다.

또 한가지 일반적인 방법으로 설치하면 그림의 내용과 같이 모든 Node VM 이 AZ1 의 private subnet 에 몰려서 생성된다. 이는 가용성에 문제가 될 수 있으며 이를 해결하기 위해서는 아직은 experimental 버전인 MachinePool 기능을 사용해야 한다.

이제 본격적으로 Cluster API 로 Kubernetes Cluster 를 설치해 보자.

이전 글을 보면 Management cluster 에 Cluster API Controller 를 설치한 후 Custom Resource (CR) 를 생성하면 자동으로 Workload cluster 가 생성된다는 것을 설명하였다. 이를 잘 기억해 두고 Management cluster 는 존재한다는 가정하에 시작한다(인터넷에서 조회해보면 Kind 로 쉽게 Management cluster 를 구성하는 방법을 찾을 수 있다).

1. clusterctl 설치

clusterctl 은 Managed cluster 에 Cluster API controller 를 설치하고 Workload cluster 를 위한 CR 생성을 도와주는 도구이다.

$ curl -L https://github.com/kubernetes-sigs/cluster-api/releases/download/v0.3.20/clusterctl-linux-amd64 -o clusterctl
$ chmod +x ./clusterctl
$ mv ./clusterctl /usr/local/bin/clusterctl
$ clusterctl version
=== output ===
clusterctl version: &version.Info{Major:"0", Minor:"3", GitVersion:"v0.3.20", GitCommit:"ea9dc4bdc2a9938325aab3817ece3e654873aaab", GitTreeState:"clean", BuildDate:"2021-06-30T22:10:51Z", GoVersion:"go1.13.15", Compiler:"gc", Platform:"linux/amd64"}

2. clusterawsadm 설치

clusterawsadm 은 aws 에 필요한 Role 과 Policy 를 자동으로 생성해 주는 도구이다.

$ curl -L https://github.com/kubernetes-sigs/cluster-api-provider-aws/releases/download/v0.6.6/clusterawsadm-linux-amd64 -o clusterawsadm
$ chmod +x clusterawsadm
$ mv ./clusterawsadm /usr/local/bin/clusterawsadm
$ clusterawsadm version
=== output ===
clusterawsadm version: &version.Info{Major:"0", Minor:"6", GitVersion:"v0.6.6-4-d4593daa95fb96-dirty", GitCommit:"d4593daa95fb961be91dc6db869f26ca4359ebc0", GitTreeState:"dirty", BuildDate:"2021-06-01T20:05:33Z", GoVersion:"go1.13.15", AwsSdkVersion:"v1.36.26", Compiler:"gc", Platform:"linux/amd64"}

3. awscli 및 jq 설치

$ curl -L https://awscli.amazonaws.com/awscli-exe-linux-x86_64-2.2.13.zip -o awscliv2.zip
$ unzip awscliv2.zip
$ ./aws/install
$ aws --version
=== output ===
aws-cli/2.2.13 Python/3.8.8 Linux/4.4.0-87-generic exe/x86_64.ubuntu.16 prompt/off

$ mkdir -p ~/.aws
$ vi ~/.aws/credentials
[default]
aws_access_key_id=<< access_key_id >>
aws_secret_access_key=<< secret_access_key >>

$ vi ~/.aws/config
[default]
region = ap-northeast-2

4. 사전 작업

clusterawsadm 을 활용하여 IAM Role 과 Policy 를 생성한다.

## 설정이 안되어 있을 때 환경 변수로 설정한다.
$ export AWS_REGION=ap-northeast-2
$ export AWS_ACCESS_KEY_ID=<< access_key_id >>
$ export AWS_SECRET_ACCESS_KEY=<< secret_access_key >>

$ clusterawsadm bootstrap iam create-cloudformation-stack

Workload cluster VM 에 접속할 key pair 를 Import 한다.

$ aws ec2 import-key-pair \
  --key-name capi-seungkyu \
  --public-key-material fileb://~/.ssh/id_rsa.pub

5. Management cluster 생성

clusterctl 생성에 필요한 환경 변수를 다음과 같이 설정한다.

$ clusterawsadm bootstrap credentials encode-as-profile
=== output ===
<< crendentials >>

$ vi env.sh
export AWS_REGION=ap-northeast-2
export AWS_ACCESS_KEY_ID=<< access_key_id >>
export AWS_SECRET_ACCESS_KEY=<< secret_access_key >>
export AWS_B64ENCODED_CREDENTIALS=<< crendentials >>

$ source ./env.sh

clusterctl init 명령어를 사용하여 Management cluster 를 생성한다.

$ clusterctl init --core cluster-api:v0.3.20 --infrastructure aws:v0.6.6 --bootstrap kubeadm:v0.3.20 --control-plane kubeadm:v0.3.20 -v5
=== output ===
...
Fetching providers
Installing cert-manager
Waiting for cert-manager to be available...
...
Installing Provider="cluster-api" Version="v0.3.20" TargetNamespace="capi-system"
...
Installing Provider="bootstrap-kubeadm" Version="v0.3.20" TargetNamespace="capi-kubeadm-bootstrap-system"
...
Installing Provider="control-plane-kubeadm" Version="v0.3.20" TargetNamespace="capi-kubeadm-control-plane-system"
...
Installing Provider="infrastructure-aws" Version="v0.6.6" TargetNamespace="capa-system"

Your management cluster has been initialized successfully!

You can now create your first workload cluster by running the following:

  clusterctl config cluster [name] --kubernetes-version [version] | kubectl apply -f -

6. Workload cluster 생성

필요한 환경변수를 설정하고 clusterctl config 명령어를 이용하여 CR 파일을 생성한다.

$ vi env-workload.sh
export AWS_CONTROL_PLANE_MACHINE_TYPE=t3.large
export AWS_NODE_MACHINE_TYPE=t3.large
export AWS_SSH_KEY_NAME=capi-seungkyu

$ source ./env-workload.sh

$ clusterctl config cluster capi-quickstart \
  -n capi-quickstart \
  --kubernetes-version v1.20.5 \
  --control-plane-machine-count=3 \
  --worker-machine-count=3 \
  > capi-quickstart.yaml

capi-quickstart.yaml 을 확인하면 아래와 같다.

$ cat capi-quickstart.yaml
---
apiVersion: cluster.x-k8s.io/v1alpha3
kind: Cluster
metadata:
  name: capi-quickstart
  namespace: capi-quickstart
spec:
  clusterNetwork:
    pods:
      cidrBlocks:
      - 192.168.0.0/16
  controlPlaneRef:
    apiVersion: controlplane.cluster.x-k8s.io/v1alpha3
    kind: KubeadmControlPlane
    name: capi-quickstart-control-plane
  infrastructureRef:
    apiVersion: infrastructure.cluster.x-k8s.io/v1alpha3
    kind: AWSCluster
    name: capi-quickstart
---
apiVersion: infrastructure.cluster.x-k8s.io/v1alpha3
kind: AWSCluster
metadata:
  name: capi-quickstart
  namespace: capi-quickstart
spec:
  region: ap-northeast-2
  sshKeyName: capi-seungkyu
---
apiVersion: controlplane.cluster.x-k8s.io/v1alpha3
kind: KubeadmControlPlane
metadata:
  name: capi-quickstart-control-plane
  namespace: capi-quickstart
spec:
  infrastructureTemplate:
    apiVersion: infrastructure.cluster.x-k8s.io/v1alpha3
    kind: AWSMachineTemplate
    name: capi-quickstart-control-plane
  kubeadmConfigSpec:
    clusterConfiguration:
      apiServer:
        extraArgs:
          cloud-provider: aws
      controllerManager:
        extraArgs:
          cloud-provider: aws
    initConfiguration:
      nodeRegistration:
        kubeletExtraArgs:
          cloud-provider: aws
        name: '{{ ds.meta_data.local_hostname }}'
    joinConfiguration:
      nodeRegistration:
        kubeletExtraArgs:
          cloud-provider: aws
        name: '{{ ds.meta_data.local_hostname }}'
  replicas: 3
  version: v1.20.5
---
apiVersion: infrastructure.cluster.x-k8s.io/v1alpha3
kind: AWSMachineTemplate
metadata:
  name: capi-quickstart-control-plane
  namespace: capi-quickstart
spec:
  template:
    spec:
      iamInstanceProfile: control-plane.cluster-api-provider-aws.sigs.k8s.io
      instanceType: t3.large
      sshKeyName: capi-seungkyu
---
apiVersion: cluster.x-k8s.io/v1alpha3
kind: MachineDeployment
metadata:
  name: capi-quickstart-md-0
  namespace: capi-quickstart
spec:
  clusterName: capi-quickstart
  replicas: 3
  selector:
    matchLabels: null
  template:
    spec:
      bootstrap:
        configRef:
          apiVersion: bootstrap.cluster.x-k8s.io/v1alpha3
          kind: KubeadmConfigTemplate
          name: capi-quickstart-md-0
      clusterName: capi-quickstart
      infrastructureRef:
        apiVersion: infrastructure.cluster.x-k8s.io/v1alpha3
        kind: AWSMachineTemplate
        name: capi-quickstart-md-0
      version: v1.20.5
---
apiVersion: infrastructure.cluster.x-k8s.io/v1alpha3
kind: AWSMachineTemplate
metadata:
  name: capi-quickstart-md-0
  namespace: capi-quickstart
spec:
  template:
    spec:
      iamInstanceProfile: nodes.cluster-api-provider-aws.sigs.k8s.io
      instanceType: t3.large
      sshKeyName: capi-seungkyu
---
apiVersion: bootstrap.cluster.x-k8s.io/v1alpha3
kind: KubeadmConfigTemplate
metadata:
  name: capi-quickstart-md-0
  namespace: capi-quickstart
spec:
  template:
    spec:
      joinConfiguration:
        nodeRegistration:
          kubeletExtraArgs:
            cloud-provider: aws
          name: '{{ ds.meta_data.local_hostname }}'

해당 CR 은 아래 다이어그램 구조로 매칭된다.

Cluster API 는 공통이 Abstract Class 와 같이 기본을 정의해 놓았으며, Provider 는 실제 Cloud 에 맞는 구현을 정의하였다. AWSCluster 에는 VPC, subnet, Route table 등과 같은 인프라 생성 정보를 가지고 있고 AWSMachineTemplate 은 Kubernetes Control Plane 에 대한 정보를 AWSMachineTemplate 에는 Node 정보를 갖고 있다.

CR 을 배포하여 Workload cluster 를 생성한다.

$ kubectl create ns capi-quickstart

$ kubectl apply -f capi-quickstart.yaml
=== output ===
cluster.cluster.x-k8s.io/capi-quickstart created
awscluster.infrastructure.cluster.x-k8s.io/capi-quickstart created
kubeadmcontrolplane.controlplane.cluster.x-k8s.io/capi-quickstart-control-plane created
awsmachinetemplate.infrastructure.cluster.x-k8s.io/capi-quickstart-control-plane created
machinedeployment.cluster.x-k8s.io/capi-quickstart-md-0 created
awsmachinetemplate.infrastructure.cluster.x-k8s.io/capi-quickstart-md-0 created
kubeadmconfigtemplate.bootstrap.cluster.x-k8s.io/capi-quickstart-md-0 created

kubectl 명령어를 위해 아래와 같이 kubeconfig 를 생성한다.

$ clusterctl get kubeconfig capi-quickstart -n capi-quickstart > capi-quickstart.kubeconfig

한가지 중요한 부분은 Cluster API 는 Network 모듈이나, CSI 를 설치해 주지는 않는다. 이는 추가로 설치해야 한다.

$ kubectl --kubeconfig=./capi-quickstart.kubeconfig \
  apply -f https://docs.projectcalico.org/v3.19/manifests/calico.yaml

네트워크 모듈까지 다 설치하면 정상적으로 Kubernetes Cluster 가 설치된 것을 볼 수 있다.

$ kubectl get kubeadmcontrolplane -n capi-quickstart
=== output ===
NAME                            INITIALIZED   API SERVER AVAILABLE   VERSION   REPLICAS   READY   UPDATED   UNAVAILABLE
capi-quickstart-control-plane   true          true                   v1.20.5   3          3       3


$ kubectl --kubeconfig=mycluster.kubeconfig get nodes
=== output ===
NAME                                              STATUS   ROLES                  AGE   VERSION
ip-10-0-143-5.ap-northeast-2.compute.internal     Ready    control-plane,master   23h   v1.20.5
ip-10-0-164-198.ap-northeast-2.compute.internal   Ready                     23h   v1.20.5
ip-10-0-222-84.ap-northeast-2.compute.internal    Ready    control-plane,master   23h   v1.20.5
ip-10-0-255-19.ap-northeast-2.compute.internal    Ready                     23h   v1.20.5
ip-10-0-68-113.ap-northeast-2.compute.internal    Ready                     23h   v1.20.5
ip-10-0-80-79.ap-northeast-2.compute.internal     Ready    control-plane,master   23h   v1.20.5