Kubernetes 高可用架构实战指南

版本： V1.0日期： [YYYY-MM-DD]编制： [姓名/部门]

1 高可用方案概述

1.1 什么是 K8s 高可用

Kubernetes 高可用（HA）是指通过多节点部署核心组件，确保控制平面在单点甚至多点故障时仍能持续提供服务，保障集群不中断运行。

核心目标：

控制平面零单点：Master 节点（API Server、etcd、Controller Manager、Scheduler）多副本部署
数据持久可靠：etcd 集群通过 Raft 共识算法实现数据强一致性
流量 负载均衡：API Server 和 Ingress 流量通过负载均衡器均匀分发
故障自动恢复：节点宕机自动漂转，业务无感知

1.2 高可用层级

层级	组件	高可用方案
数据存储	etcd	3/5/7 节点 Raft 集群
控制平面	API Server + Controller Manager + Scheduler	多 Master + 负载均衡
流量入口	Ingress	Nginx Ingress 多副本 + 外部 LB
计算节点	Worker Node	多节点 + 自动调度 + Pod 反亲和
管理平台	Rancher / 控制台	多副本部署 + HA 模式

2 架构设计方案

2.1 三种主流高可用方案对比

方案	架构	适用规模	优点	缺点
Keepalived + HAProxy	VIP + L4/L7 负载均衡	中小集群（<250节点）	部署简单、灵活支持 TCP/HTTP	主节点单活跃，其余备份闲置
LVS + Keepalived	L4 调度 + VIP 漂移	大型集群（1000+ PV）	高性能，适合超大规模	LVS 成本投入，自身也需 Keepalived
Node 侧代理	每节点部署 Nginx/OpenResty 反向代理	任意规模	避免单点 LB，利用节点负载	维护成本高，节点扩容后维护量大

2.2 推荐方案：Keepalived + HAProxy

选择理由：

HAProxy 同时支持 L4 TCP + L7 HTTP 两种模式，非常灵活
广泛应用于中大型集群规模
实现 API Server 的 TCP 模式负载均衡
支持 HTTP 到 HTTPS 的强制跳转

scss 复制代码

                    ┌─────────────────────┐
                    │    DNS / 域名解析     │
                    └──────────┬──────────┘
                               │
                    ┌──────────▼──────────┐
                    │   VIP (虚拟IP)       │
                    │   Keepalived 主备    │
                    └──┬──────────┬───────┘
                       │          │
              ┌────────▼──┐  ┌───▼────────┐
              │ HAProxy 1 │  │ HAProxy 2  │
              └─────┬─────┘  └─────┬──────┘
                    │              │
         ┌──────────┼──────────┬───┼──────────┐
         ▼          ▼          ▼   ▼          ▼
    ┌────────┐ ┌────────┐ ┌────────┐ ┌────────┐
    │Master1 │ │Master2 │ │Master3 │ │...     │
    │API-Svr │ │API-Svr │ │API-Svr │ │        │
    └───┬────┘ └───┬────┘ └───┬────┘ └────────┘
        │          │          │
        └──────────┴──────────┘
               │
        ┌──────▼──────┐
        │  etcd 集群   │
        │  (Raft)     │
        └─────────────┘

2.3 部署场景分类

场景一：中小型 集群 （< 100 节点）

管理平台与业务应用共用一套高可用集群及 etcd，统一部署，简化运维。

场景二：大型 集群 （> 250 节点）

管理平台（如 Rancher Server）与下游业务集群分离，各自独立高可用，互不影响。

3 硬件配置推荐

3.1 基础配置清单

角色	CPU (核)	内存 (GB)	根磁盘 (GB)	数据磁盘 (GB)	数量	说明
控制节点 (Master)	8	16	100	500	3	最少 3 节点，可 5/7 扩展
计算节点 (Worker)	16	32	100	500	≥2	根据业务量调整
负载均衡 ( LB )	4	8	300	-	2	HAProxy + Keepalived
镜像仓库	4	16	100	500	1	Harbor / 私有仓库

3.2 资源配置原则

Master 节点：控制平面资源消耗相对固定，3 节点是 etcd 最小高可用配置
Worker 节点：根据业务负载弹性扩展，CPU 和内存是主要瓶颈
etcd 存储：建议 SSD，IOPS 直接影响集群性能
网络：节点间延迟 < 2ms，带宽 ≥ 1Gbps

4 负载均衡器部署

4.1 Keepalived 安装配置

4.1.1 安装

bash 复制代码

# 在线安装
yum install -y keepalived

# 离线安装（制作 RPM 包）
yum install --downloadonly --downloaddir=/data/rpm keepalived
rpm -ivh /data/rpm/*.rpm

4.1.2 配置（主节点 LB1）

bash 复制代码

cat > /etc/keepalived/keepalived.conf << 'EOF'
global_defs {
    router_id lb-master
}

vrrp_instance VI-kube-master {
    state MASTER
    priority 110
    dont_track_primary
    interface <网卡名>          # 如 ens192
    virtual_router_id 95
    advert_int 1
    authentication {
        auth_type PASS
        auth_pass <密码>
    }
    virtual_ipaddress {
        <VIP地址>/24            # 如 10.0.0.100/24
    }
}
EOF

4.1.3 配置（备节点 LB2）

typescript 复制代码

cat > /etc/keepalived/keepalived.conf << 'EOF'
global_defs {
    router_id lb-backup
}

vrrp_instance VI-kube-master {
    state BACKUP
    priority 90               # 低于主节点
    dont_track_primary
    interface <网卡名>
    virtual_router_id 95
    advert_int 1
    authentication {
        auth_type PASS
        auth_pass <密码>
    }
    virtual_ipaddress {
        <VIP地址>/24
    }
}
EOF

⚠️ 注意：同一网络若有多个 Keepalived 实例，需修改 virtual_router_id 避免冲突。

4.1.4 启动与验证

bash 复制代码

# 启动并设置开机自启
systemctl enable keepalived && systemctl restart keepalived

# 验证 VIP 漂移
# 1. 主节点执行 ip addr，确认 VIP 在主节点
# 2. 停掉主节点 keepalived：systemctl stop keepalived
# 3. 备节点执行 ip addr，确认 VIP 已漂移
# 4. 重启主节点，VIP 自动回切

4.2 HAProxy 安装配置

4.2.1 安装

复制代码

yum install -y haproxy

4.2.2 配置（两台 LB 相同）

bash 复制代码

cat > /etc/haproxy/haproxy.cfg << 'EOF'
global
    log /dev/log    local0
    log /dev/log    local1 notice
    chroot /var/lib/haproxy
    stats timeout 30s
    user haproxy
    group haproxy
    daemon
    nbproc 1

defaults
    log     global
    timeout connect 5000
    timeout client  500000
    timeout server  500000

#---------------------------------------------------------------------
# 监控页面
#---------------------------------------------------------------------
listen admin_status
    bind 0.0.0.0:8888
    mode http
    log 127.0.0.1 local3 err
    stats refresh 5s
    stats uri /stats
    stats realm HAProxy\ Statistics
    stats auth admin:<密码>
    stats hide-version
    stats admin if TRUE

#---------------------------------------------------------------------
# API Server 负载均衡（L4 TCP）
#---------------------------------------------------------------------
listen k8s_api
    bind *:6443
    mode tcp
    balance roundrobin
    option tcp-check
    server master1 <Master1_IP>:6443 check inter 5s fall 3 rise 2
    server master2 <Master2_IP>:6443 check inter 5s fall 3 rise 2
    server master3 <Master3_IP>:6443 check inter 5s fall 3 rise 2

#---------------------------------------------------------------------
# Ingress 流量（L4 TCP 443）
#---------------------------------------------------------------------
frontend https_ingress
    bind *:443
    mode tcp
    default_backend https_web_server

backend https_web_server
    mode tcp
    balance roundrobin
    stick-table type ip size 200k expire 30m
    stick on src
    server node1 <Node1_IP>:443 check
    server node2 <Node2_IP>:443 check
    server node3 <Node3_IP>:443 check

#---------------------------------------------------------------------
# HTTP 强制跳转 HTTPS
#---------------------------------------------------------------------
frontend http_frontend
    bind *:80
    mode http
    redirect scheme https if !{ ssl_fc }
    option httpclose
    option forwardfor
EOF

4.2.3 启动与验证

bash 复制代码

systemctl enable haproxy && systemctl restart haproxy

# 验证
telnet <VIP地址> 6443
telnet <VIP地址> 443

# 监控页面：http://<VIP地址>:8888/stats

5 高可用集群部署

5.1 环境准备

5.1.1 系统要求

项目	要求
操作系统	[CentOS 7.6+ / Anolis OS 7.9+ / Ubuntu 20.04+]
内核版本	≥ 4.19
Docker / Containerd	Docker 19.03+ / Containerd 1.4+
网络	节点间互通，端口 6443/2379-2380/10250/10251/10252 开放

5.1.2 基础配置（所有节点）

bash 复制代码

# 关闭防火墙
systemctl stop firewalld && systemctl disable firewalld

# 关闭 SELinux
setenforce 0
sed -i 's/^SELINUX=.*/SELINUX=disabled/' /etc/selinux/config

# 关闭 Swap
swapoff -a
sed -i '/swap/s/^/#/' /etc/fstab

# 加载内核模块
cat > /etc/modules-load.d/k8s.conf << 'EOF'
overlay
br_netfilter
EOF
modprobe overlay && modprobe br_netfilter

# 内核参数
cat > /etc/sysctl.d/k8s.conf << 'EOF'
net.bridge.bridge-nf-call-iptables  = 1
net.bridge.bridge-nf-call-ip6tables = 1
net.ipv4.ip_forward                 = 1
EOF
sysctl --system

5.2 容器运行时安装

安装 Docker

bash 复制代码

# 安装依赖
yum install -y yum-utils device-mapper-persistent-data lvm2

# 添加源
yum-config-manager --add-repo https://download.docker.com/linux/centos/docker-ce.repo

# 安装
yum install -y docker-ce-19.03.4 docker-ce-cli-19.03.4 containerd.io

# 配置
cat > /etc/docker/daemon.json << 'EOF'
{
    "registry-mirrors": ["https://<镜像加速器>"],
    "insecure-registries": ["<私有仓库地址>"],
    "exec-opts": ["native.cgroupdriver=systemd"]
}
EOF

# 启动
systemctl enable docker && systemctl start docker

创建管理用户

xml 复制代码

useradd <用户名>
passwd <用户名>
groupadd docker
usermod -aG docker <用户名>

5.3 SSH 免密登录

bash 复制代码

# 在部署机上生成密钥
ssh-keygen -t rsa -P "" -f ~/.ssh/id_rsa
cat ~/.ssh/id_rsa.pub >> ~/.ssh/authorized_keys
chmod 600 ~/.ssh/authorized_keys

# 分发到各节点
for ip in <Master_IPs> <Worker_IPs>; do
    ssh-copy-id <用户名>@$ip
done

5.4 使用 RKE 部署 K8s 集群

5.4.1 安装 RKE

bash 复制代码

chmod +x rke_linux-amd64
mv rke_linux-amd64 /usr/bin/rke

5.4.2 集群配置文件 cluster.yml

yaml 复制代码

nodes:
  # Master 节点（controlplane + etcd）
  - address: <Master1_IP>
    user: <用户名>
    role: ["controlplane", "etcd"]
  - address: <Master2_IP>
    user: <用户名>
    role: ["controlplane", "etcd"]
  - address: <Master3_IP>
    user: <用户名>
    role: ["controlplane", "etcd"]
  # Worker 节点
  - address: <Node1_IP>
    user: <用户名>
    role: ["worker"]
  - address: <Node2_IP>
    user: <用户名>
    role: ["worker"]

# 私有镜像仓库
private_registries:
  - url: <私有仓库地址>
    user: <用户名>
    password: "<密码>"
    is_default: true

# 服务配置
services:
  etcd:
    backup_config:
      enabled: true
      interval_hours: 6
      retention: 15

# Ingress 配置
ingress:
  provider: nginx
  options:
    use-forwarded-headers: "true"

5.4.3 创建集群

csharp 复制代码

# 执行部署
rke up

# 成功后生成 kube_config_cluster.yml
# 查看节点
kubectl --kubeconfig kube_config_cluster.yml get nodes

# 查看 Pod
kubectl --kubeconfig kube_config_cluster.yml get pods --all-namespaces

5.5 部署管理平台（可选）

5.5.1 安装 Helm

bash 复制代码

tar -zxvf helm-v3.x.x-linux-amd64.tar.gz
cp linux-amd64/helm /usr/bin/
helm version

5.5.2 配置 SSL 证书

ini 复制代码

# 创建命名空间
kubectl create namespace cattle-system

# 创建 TLS 密钥
kubectl -n cattle-system create secret tls tls-rancher-ingress \
  --cert=<证书.pem> \
  --key=<证书.key>

5.5.3 部署管理平台

ini 复制代码

# 添加仓库
helm repo add <仓库名> <仓库URL>

# 渲染模板
helm template <实例名> <chart文件> \
  --output-dir . \
  --namespace cattle-system \
  --set hostname=<域名> \
  --set ingress.tls.source=secret \
  --set systemDefaultRegistry=<私有仓库>

# 应用
kubectl -n cattle-system apply -R -f ./rancher

# 验证
kubectl get pods -n cattle-system

6 etcd 备份与恢复

6.1 自动备份

在 cluster.yml 中配置：

yaml 复制代码

services:
  etcd:
    backup_config:
      enabled: true
      interval_hours: 6      # 备份间隔
      retention: 15           # 保留份数

备份文件存放于 /opt/rke/etcd-snapshots
支持 S3 外部存储

6.2 S3 外部存储备份

yaml 复制代码

services:
  etcd:
    backup_config:
      enabled: true
      s3backupconfig:
        access_key: "<AccessKey>"
        secret_key: "<SecretKey>"
        bucket_name: "<桶名>"
        endpoint: "<S3端点>"
        region: "<区域>"

6.3 手动备份

perl 复制代码

# 手动快照
rke etcd snapshot-save \
  --name snapshot_$(date +%Y-%m-%d_%H%M%S).db \
  --config cluster.yml

# 定时任务
echo '30 02 * * * /usr/bin/rke etcd snapshot-save --name snapshot_$(date +%Y-%m-%d_%H:%M:%S).db --config /path/cluster.yml >> /path/backup.log' | crontab -

6.4 恢复

css 复制代码

# 从快照恢复
rke etcd snapshot-restore \
  --name snapshot_2024-01-01_023001.db \
  --config cluster.yml

⚠️ 恢复注意事项：恢复操作会重建集群，请确保已做好数据保护和业务停机通知。

7 故障排查

7.1 常见问题

问题	原因	解决方法
`kubectl` 连接被拒绝	kubeconfig 未配置或路径错误	将 `.kube/config` 放到正确路径
VIP 不漂移	Keepalived 配置冲突或网络不通	检查 `virtual_router_id`、防火墙
HAProxy 后端不健康	Master 节点 API Server 未启动	检查 API Server 日志和端口
etcd 集群不可用	多数节点宕机	至少保留 (N/2+1) 节点在线
Pod 调度失败	Worker 节点资源不足或污点	检查节点状态、资源、污点标记

7.2 诊断命令

perl 复制代码

# 检查节点状态
kubectl get nodes -o wide

# 检查系统 Pod
kubectl get pods -n kube-system

# 检查 etcd 健康
kubectl exec -n kube-system etcd-<node> -- etcdctl endpoint health

# 检查 API Server 日志
journalctl -u kubelet -f

# 检查 Keepalived 状态
ip addr show | grep <VIP>

# 检查 HAProxy 状态
curl http://<VIP>:8888/stats

8 安全加固

项目	措施
API Server	启用 RBAC，限制匿名访问
etcd	启用 TLS 加密，绑定内网接口
网络策略	使用 NetworkPolicy 限制 Pod 间通信
镜像安全	私有仓库 + 镜像签名 + 漏洞扫描
审计日志	启用 API Server 审计日志
证书管理	定期轮换 TLS 证书

9 附录

附录 A：端口规划

组件	端口	说明
API Server	6443	HTTPS API
etcd	2379	客户端通信
etcd	2380	节点间通信
Kubelet	10250	API
Controller Manager	10257	HTTPS
Scheduler	10259	HTTPS
HAProxy 监控	8888	Stats 页面

附录 B：参考文档

$Kubernetes 官方高可用指南$
$etcd 运维最佳实践$
$HAProxy 配置参考$
$Keepalived 配置参考$

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