Cluster API 로 AWS에 Kubernetes 설치하기 (1)

seungkyua 21.06.24

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AWS 에서 Kubernetes 사용하는 방법은 Managed Service 인 EKS 서비스를 신청/설치 방법과 일반 VM 에 Kubernetes 를 설치하는 방법이 있다.

VM 에 Kubernetes 를 설치하는 방법은 VM 을 생성하고 필요한 Security Group 을 지정하고 Muti Control plane 에 ELB 를 연결하여 다중 Master 로 사용가능 하도록 세팅해야할 내용이 제법 있다. Kubernetes 자체 설치도 kubeadm 이나 kubespray 같은 툴을 사용해서 설치한다. - 역시 쉽지 않은 내용임에 분명하다.

Cluster API 란 ?

지금 소개하는 방법은 Kubernetes Cluster Lifecycle SIG 에서 개발하고 있는 Cluster API 로 Operator Pattern 을 활용하여 Kubernetes 를 설치하는 방법이다. Cluster API 란 Management Kubernetes Cluster 에 Custom Controller 를 설치하고 Custom Resource 를 생성하면 자동으로 Cloud 에 VM 을 생성하고 Kubernetes 를 설치하는 방법이다. Controller 로 관리하기 때문에 VM 이 죽으면 다시 살려주는 장점이 있다. Kubernetes 가 설치된 VM 이 다운되었을 때 Self healing 으로 Recovering 해준다니 정말 멋진 아이디어인 것 같다.

Cluster API 의 시작은 2년 정도 전부터 시작되었는데 초장기에는 PoC 정도였다면 지금은 어느 정도 안정화 되어 사용하기에 문제가 없다.

개념을 보면 Management Kubernetes Cluster 를 설치(Kind, Minikube 등도 가능)하고 여기에 필요한 여러 Custom Controller 를 실행시킨다. 그리고 나서 Custom Resource 를 생성하면 지정된 Cloud 에 VM 을 생성하고 Workload Kubernetes Cluster (고객이 사용할 클러스터) 를 자동으로 생성해 주는 방법이다.

Cluster API 구성도

그림에서 보면 좌측 맨 위에 Cluster API Controller 가 있다. Cluster API Controller 는 마치 java class 로 치면 Abstraction Class 의 역활과 동일하다. Cluster Pod Network, Control Plane VM 갯수, Node VM 갯수 등을 관리한다.

이렇게 정의를 하면 Boostrap provider Controller 에서 kubeadm 으로 어떻게 Kubernetes 를 설치할 지를 관리한다.

Infrastructure provider Controller 에서는 AWS, Azure, GCP 와 같이 Public Cloud 의 자원 생성을 관리한다.

마지막으로 Control Plane provider Controller 특별하게 Control Plane 의 설치를 관리한다.

우측 위는 Custom Resource 를 보여주고 있다.

Cluster API Provider Controller 와 Infrastructure Provider Controller 의 상관 관계를 보면 다음과 같다.

Cluster API 는 Infrastructure Provider 에게 이런 식으로 구현을 해야 한다고 알려주는 가이드라고 보면 된다.

이제 세부적으로 하나씩 살펴보자.

Cluster API Controller

Cluster API Controller 는 cluster 의 기본 정보를 관리하는 Controller 이다. 이 Controller 가 관리하는 Custom Resource 는 다음과 같이 4개가 있다.

clusters
machinedeployments
machinehealthchecks
machines

이 중에서 machinehealthchecks 는 AWS Provider 에서는 사용하고 있지 않으므로 이를 제외하고 나머지 3가지만 살펴보겠다.

clusters CR(Custom Resource) 는 다음과 같은 정보를 가지고 있다.

Cluster Pod Network 정보
Kubernetes API url 정보
Control Plane 을 생성하는 CR 정보
Cloud Infrastructure 로 사용되는 CR 정보

  Cluster Network:
    Pods:
      Cidr Blocks:
        192.168.0.0/16
  Control Plane Endpoint:
    Host:  capi-quickstart-apiserver-479433786.ap-northeast-2.elb.amazonaws.com
    Port:  6443
  Control Plane Ref:
    API Version:  controlplane.cluster.x-k8s.io/v1alpha3
    Kind:         KubeadmControlPlane
    Name:         capi-quickstart-control-plane
    Namespace:    capi-quickstart
  Infrastructure Ref:
    API Version:  infrastructure.cluster.x-k8s.io/v1alpha3
    Kind:         AWSCluster
    Name:         capi-quickstart
    Namespace:    capi-quickstart

machinedeployments CR 의 정보는 Kubernetes Worker Node 에 대한 일반적인 내용이며 아래의 내용을 포함한다.

Bootstrap 으로 사용될 Kubeadm Config Template
Infrastructure Provider 에 대한 VM 정보 Template
Cluster name 및 Kubernetes Version 정보

  Cluster Name:               capi-quickstart
  Min Ready Seconds:          0
  Progress Deadline Seconds:  600
  Replicas:                   3
  Revision History Limit:     1
  Selector:
    Match Labels:
      cluster.x-k8s.io/cluster-name:     capi-quickstart
      cluster.x-k8s.io/deployment-name:  capi-quickstart-md-0
  Strategy:
    Rolling Update:
      Max Surge:        1
      Max Unavailable:  0
    Type:               RollingUpdate
  Template:
    Metadata:
      Labels:
        cluster.x-k8s.io/cluster-name:     capi-quickstart
        cluster.x-k8s.io/deployment-name:  capi-quickstart-md-0
    Spec:
      Bootstrap:
        Config Ref:
          API Version:  bootstrap.cluster.x-k8s.io/v1alpha3
          Kind:         KubeadmConfigTemplate
          Name:         capi-quickstart-md-0
      Cluster Name:     capi-quickstart
      Infrastructure Ref:
        API Version:  infrastructure.cluster.x-k8s.io/v1alpha3
        Kind:         AWSMachineTemplate
        Name:         capi-quickstart-md-0
      Version:        v1.20.5

machines CR 은 Kubernetes Control Plane VM 별 정보와 Kubernetes Worker Node VM 별 정보를 갖고 있는데 둘다 아래의 정보를 동일하게 갖고 있다.

Boostrap 으로 KubeadmConfig CR 정보
Infrastructure 로서 AWSMachine CR 정보

  Bootstrap:
    Config Ref:
      API Version:     bootstrap.cluster.x-k8s.io/v1alpha3
      Kind:            KubeadmConfig
      Name:            capi-quickstart-md-0-7f4xk
      Namespace:       capi-quickstart
      UID:             7b095ef9-3380-45cc-950e-9bce8602f954
    Data Secret Name:  capi-quickstart-md-0-7f4xk
  Cluster Name:        capi-quickstart
  Infrastructure Ref:
    API Version:  infrastructure.cluster.x-k8s.io/v1alpha3
    Kind:         AWSMachine
    Name:         capi-quickstart-md-0-dcdcx
    Namespace:    capi-quickstart
    UID:          3383bd5b-1040-4577-a690-741c556d1076
  Provider ID:    aws:///ap-northeast-2a/i-090230ea1d12065ce
  Version:        v1.20.5

Bootstrap Provider Controller

Bootstrap provider controller 는 Kubernetes 를 설치하는 kubeadm 관련 정보를 가지고 있다.

kubeadmconfigs
kubeadmconfigtemplates

kubeadmconfigs 는 kubeadm 으로 kubernetes 를 설치할 때 사용하는 정보로서 Control Plane VM 별 정보와 Work Node VM별 정보를 갖고 있다.

Cluster Configuration 으로 provider 정보를 갖고 있다.
Join Configuration 으로 Token 정보를 갖고 있다.

  Cluster Configuration:
    API Server:
      Extra Args:
        Cloud - Provider:  aws
    Controller Manager:
      Extra Args:
        Cloud - Provider:  aws
    Dns:
    Etcd:
    Networking:
    Scheduler:
  Join Configuration:
    Control Plane:
      Local API Endpoint:
        Advertise Address:
        Bind Port:          0
    Discovery:
      Bootstrap Token:
        API Server Endpoint:  capi-quickstart-apiserver-479433786.ap-northeast-2.elb.amazonaws.com:6443
        Ca Cert Hashes:
          sha256:de8ef58efd55489531f681066eb77cec21a7d7f8e2a04eb41a06ad38b18d066e
        Token:                        xxxx.xxxxxxxxxxx
        Unsafe Skip CA Verification:  false
    Node Registration:
      Kubelet Extra Args:
        Cloud - Provider:  aws
      Name:                {{ ds.meta_data.local_hostname }}

kubeadmconfigtemplates 는 Worker Node 가 join 한 template 정보로 Node 명을 가진다.

  Template:
    Spec:
      Join Configuration:
        Node Registration:
          Kubelet Extra Args:
            Cloud - Provider:  aws
          Name:                {{ ds.meta_data.local_hostname }}

Infrastructure Provider Controller

Infrastructure Provider Controller 는 각각의 Cloud 의 API 를 활용하여 리소스를 관리하는 Controller 로 aws 의 경우에는 아래의 정보를 가진다.

awsclustercontrolleridentities
awsclusterroleidentities
awsclusters
awsclusterstaticidentities
awsfargateprofiles
awsmachinepools
awsmachines
awsmachinetemplates
awsmanagedclusters
awsmanagedmachinepools

이 중에서 awsclusters, awsmachines, awsmachinetemplate 3가지만 살펴본다.

awsclusters 는 aws 에 설치된 Kubernetes workload cluster 에 대한 정보를 갖고 있다.

  Bastion:
    Allowed CIDR Blocks:
      0.0.0.0/0
    Enabled:  false
  Control Plane Endpoint:
    Host:  capi-quickstart-apiserver-479433786.ap-northeast-2.elb.amazonaws.com
    Port:  6443
  Identity Ref:
    Kind:  AWSClusterControllerIdentity
    Name:  default
  Network Spec:
    Cni:
      Cni Ingress Rules:
        Description:  bgp (calico)
        From Port:    179
        Protocol:     tcp
        To Port:      179
        Description:  IP-in-IP (calico)
        From Port:    -1
        Protocol:     4
        To Port:      65535
    Subnets:
      Availability Zone:  ap-northeast-2a
      Cidr Block:         10.0.0.0/20
      Id:                 subnet-04e972e6bfcb98336
      Is Public:          true
      Nat Gateway Id:     nat-0d456fe6c4dd2ce3d
      Route Table Id:     rtb-0dfccca96ffc00732
      Tags:
        Name:                                                          capi-quickstart-subnet-public-ap-northeast-2a
        kubernetes.io/cluster/capi-quickstart:                         shared
        kubernetes.io/role/elb:                                        1
        sigs.k8s.io/cluster-api-provider-aws/cluster/capi-quickstart:  owned
        sigs.k8s.io/cluster-api-provider-aws/role:                     public
      Availability Zone:                                               ap-northeast-2a
      Cidr Block:                                                      10.0.64.0/18
      Id:                                                              subnet-06f2be3eedb46d622
      Is Public:                                                       false
      Route Table Id:                                                  rtb-00090ad5d1de60b20
      Tags:
        Name:                                                          capi-quickstart-subnet-private-ap-northeast-2a
        kubernetes.io/cluster/capi-quickstart:                         shared
        kubernetes.io/role/internal-elb:                               1
        sigs.k8s.io/cluster-api-provider-aws/cluster/capi-quickstart:  owned
        sigs.k8s.io/cluster-api-provider-aws/role:                     private
      Availability Zone:                                               ap-northeast-2b
      Cidr Block:                                                      10.0.16.0/20
      Id:                                                              subnet-02a9eed4c602fd3a2
      Is Public:                                                       true
      Nat Gateway Id:                                                  nat-050244cb7c9cff368
      Route Table Id:                                                  rtb-020e9366a2da25625
      Tags:
        Name:                                                          capi-quickstart-subnet-public-ap-northeast-2b
        kubernetes.io/cluster/capi-quickstart:                         shared
        kubernetes.io/role/elb:                                        1
        sigs.k8s.io/cluster-api-provider-aws/cluster/capi-quickstart:  owned
        sigs.k8s.io/cluster-api-provider-aws/role:                     public
      Availability Zone:                                               ap-northeast-2b
      Cidr Block:                                                      10.0.128.0/18
      Id:                                                              subnet-03880f2f847b3c21e
      Is Public:                                                       false
      Route Table Id:                                                  rtb-06b52ab77da5c5f2c
      Tags:
        Name:                                                          capi-quickstart-subnet-private-ap-northeast-2b
        kubernetes.io/cluster/capi-quickstart:                         shared
        kubernetes.io/role/internal-elb:                               1
        sigs.k8s.io/cluster-api-provider-aws/cluster/capi-quickstart:  owned
        sigs.k8s.io/cluster-api-provider-aws/role:                     private
      Availability Zone:                                               ap-northeast-2c
      Cidr Block:                                                      10.0.32.0/20
      Id:                                                              subnet-09ccabe6dd862df6a
      Is Public:                                                       true
      Nat Gateway Id:                                                  nat-030068539013d5c64
      Route Table Id:                                                  rtb-0973a222fc772ff76
      Tags:
        Name:                                                          capi-quickstart-subnet-public-ap-northeast-2c
        kubernetes.io/cluster/capi-quickstart:                         shared
        kubernetes.io/role/elb:                                        1
        sigs.k8s.io/cluster-api-provider-aws/cluster/capi-quickstart:  owned
        sigs.k8s.io/cluster-api-provider-aws/role:                     public
      Availability Zone:                                               ap-northeast-2c
      Cidr Block:                                                      10.0.192.0/18
      Id:                                                              subnet-0be3353fd3b6f1637
      Is Public:                                                       false
      Route Table Id:                                                  rtb-0854effe818750d33
      Tags:
        Name:                                                          capi-quickstart-subnet-private-ap-northeast-2c
        kubernetes.io/cluster/capi-quickstart:                         shared
        kubernetes.io/role/internal-elb:                               1
        sigs.k8s.io/cluster-api-provider-aws/cluster/capi-quickstart:  owned
        sigs.k8s.io/cluster-api-provider-aws/role:                     private
    Vpc:
      Availability Zone Selection:    Ordered
      Availability Zone Usage Limit:  3
      Cidr Block:                     10.0.0.0/16
      Id:                             vpc-070a545cb4b967dd7
      Internet Gateway Id:            igw-03a4ee0ca0f8d0f72
      Tags:
        Name:                                                          capi-quickstart-vpc
        sigs.k8s.io/cluster-api-provider-aws/cluster/capi-quickstart:  owned
        sigs.k8s.io/cluster-api-provider-aws/role:                     common
  Region:                                                              ap-northeast-2
  Ssh Key Name:                                                        capi-seungkyu

awsmachinetemplates 은 aws vm spec 에 대한 정보를 template 으로 갖고 있다. template 은 control plane 과 worker node 각 1개씩 가진다.

control plane template

  Template:
    Spec:
      Iam Instance Profile:  control-plane.cluster-api-provider-aws.sigs.k8s.io
      Instance Type:         t3.large
      Ssh Key Name:          capi-seungkyu

worker node template

  Template:
    Spec:
      Iam Instance Profile:  nodes.cluster-api-provider-aws.sigs.k8s.io
      Instance Type:         t3.large
      Ssh Key Name:          capi-seungkyu

awsmachines 은 awsmachinetemplates 으로 연결된 control plane 과 worker node 별 aws VM 에 대한 정보를 갖는다.

contol plane vm1

  Ami:
  Cloud Init:
    Secure Secrets Backend:  secrets-manager
  Iam Instance Profile:      control-plane.cluster-api-provider-aws.sigs.k8s.io
  Instance ID:               i-0433d589b68e42cd0
  Instance Type:             t3.large
  Provider ID:               aws:///ap-northeast-2c/i-0433d589b68e42cd0
  Ssh Key Name:              capi-seungkyu

Control plane Provider Controller

Control plane provider controller 는 Kubernetes control plane 에 대한 정보를 관리하는 Controller 이다.

kubeadmcontrolplanes

kubeadmcontrolplanes 은 말그래도 control plane 의 정보를 담고 있으며 앞에서 살펴본 정보들을 활용한다.

Infrastructure Template 으로 AWSMachineTemplate 을 사용
Kubeadm Config 로 Init Configuration 과 Join Configuration 정보
Replicas 개수 정보
Kubernetes version 정보

  Infrastructure Template:
    API Version:  infrastructure.cluster.x-k8s.io/v1alpha3
    Kind:         AWSMachineTemplate
    Name:         capi-quickstart-control-plane
    Namespace:    capi-quickstart
  Kubeadm Config Spec:
    Cluster Configuration:
      API Server:
        Extra Args:
          Cloud - Provider:  aws
      Controller Manager:
        Extra Args:
          Cloud - Provider:  aws
      Dns:
      Etcd:
      Networking:
      Scheduler:
    Init Configuration:
      Local API Endpoint:
        Advertise Address:
        Bind Port:          0
      Node Registration:
        Kubelet Extra Args:
          Cloud - Provider:  aws
        Name:                {{ ds.meta_data.local_hostname }}
    Join Configuration:
      Discovery:
      Node Registration:
        Kubelet Extra Args:
          Cloud - Provider:  aws
        Name:                {{ ds.meta_data.local_hostname }}
  Replicas:                  3
  Rollout Strategy:
    Rolling Update:
      Max Surge:  1
    Type:         RollingUpdate
  Version:        v1.20.5

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