Настройка и эксплуатация Cluster в Kubernetes

Введение

Сегодня Kubernetes — это современный стандарт для управления контейнеризированными приложениями: он дает мощные средства для развертывания, масштабирования и автоматизации приложений. Кластер Kubernetes — это сердце всей экосистемы, именно на нем строится вся работа. Корректная настройка, эксплуатация и поддержка кластера — одно из необходимых условий для производительной, отказоустойчивой и безопасной работы систем.

В этой статье вы узнаете, что из себя представляет кластер в Kubernetes, как правильно его развернуть и настроить, а также какие действия нужны для повседневной эксплуатации — от мониторинга до обновления и обеспечения безопасности. Я добавляю практические примеры и пояснения, чтобы вы могли сразу применять полученные знания в своей инфраструктуре.

Что такое кластер Kubernetes

Компоненты кластера

Прежде чем переходить к установке и настройке, давайте разберемся, из чего состоит кластер Kubernetes. Его базовая архитектура включает два основных типа узлов: мастер-узлы (control plane) и рабочие узлы (worker nodes).

• Control Plane (мастер-узлы)
  Управляют состоянием всего кластера, принимают решения о размещении подов, управляют автоскейлингом, поддерживают работу API.

• Worker Nodes (рабочие узлы)
  На этих машинах запускаются контейнеры с вашими приложениями, здесь происходят основные вычисления.

Ключевые компоненты Control Plane:

• kube-apiserver — принимает все команды и изменения состояния кластера.
• etcd — надежное распределенное хранилище всех данных кластера.
• kube-scheduler — решает, на какой node отправлять pod.
• kube-controller-manager — следит за текущим состоянием и изменяет его при необходимости.
• cloud-controller-manager — работает с облачными провайдерами, если кластер разворачивается в облаке.

Кратко о компонентах worker node:

• kubelet — отвечает за запуск и управление контейнерами на ноде.
• kube-proxy — обеспечивает сетевую связанность сервисов.
• container runtime (например, containerd, Docker) — непосредственно запускает контейнеры.

Теперь, когда у вас есть понимание, из чего состоит кластер, давайте перейдем к практике.

Подготовка к установке кластера

Выбор среды запуска

Kubernetes можно развернуть на bare-metal (физических и виртуальных серверах), в облаке (например, AWS, GCP, Yandex Cloud или Azure) или с помощью разных инструментов автоматизации (например, kubeadm, kops, Kubespray, k3s и др.).

Для обучения и тестирования удобно использовать Minikube или Kind (Kubernetes IN Docker), но для продакшена чаще выбирают kubeadm или решения от облачных провайдеров (Managed Kubernetes).

Минимальные требования к системе

Минимальные ресурсы на 1 узел:

• CPU: 2 ядра
• Память: не менее 2 ГБ (для продакшена желательно ≥4 ГБ)
• ОС: Linux (наиболее протестированы Ubuntu, CentOS, Debian)
• Обязателен доступ к сети между всеми узлами
• Совместимая версия Docker/containerd/runc

Настройка узлов перед установкой

• Включите модули ядра для iptables (br_netfilter)
• Отключите swap (обязательно для стабильной работы kubelet)
• Синхронизируйте время (например, через NTP)
• Проверьте имя хоста и настройте корректные записи /etc/hosts

Пример отключения swap и загрузки нужных модулей:

# Отключаем swap
sudo swapoff -a
sudo sed -i '/swap/d' /etc/fstab

# Грузим необходимые модули ядра
sudo modprobe br_netfilter
echo '1' | sudo tee /proc/sys/net/bridge/bridge-nf-call-iptables

Установка и инициализация кластера

Использование kubeadm

kubeadm — один из наиболее удобных инструментов для быстрой и понятной инициализации кластера Kubernetes.

1. Установка необходимых пакетов

# Добавляем репозиторий Kubernetes и устанавливаем пакеты
sudo apt-get update && sudo apt-get install -y apt-transport-https curl
curl -fsSL https://packages.cloud.google.com/apt/doc/apt-key.gpg | sudo apt-key add -
echo "deb https://apt.kubernetes.io/ kubernetes-xenial main" | sudo tee /etc/apt/sources.list.d/kubernetes.list
sudo apt-get update

# Устанавливаем kubelet, kubeadm и kubectl
sudo apt-get install -y kubelet kubeadm kubectl
sudo apt-mark hold kubelet kubeadm kubectl  # блокируем обновления для стабильности кластера

2. Инициализация мастер-узла

# На сервере, который станет мастером, запускаем:
sudo kubeadm init --pod-network-cidr=10.244.0.0/16  # например, Flannel требует этот диапазон

# После успешной инициализации init, копируем конфиг для работы с kubectl
mkdir -p $HOME/.kube
sudo cp -i /etc/kubernetes/admin.conf $HOME/.kube/config
sudo chown $(id -u):$(id -g) $HOME/.kube/config

В результате вы получите вывод с командой для присоединения worker-узлов. Скопируйте ее — она потребуется далее.

3. Установка сетевого плагина для подов

Kubernetes не работает без CNI-плагина. Пример для Flannel:

kubectl apply -f https://raw.githubusercontent.com/coreos/flannel/master/Documentation/kube-flannel.yml

4. Присоединение worker-нод

Выполните команду kubeadm join, которую вы получили при инициализации кластерa, на каждом worker-узле:

sudo kubeadm join <master-ip>:<port> --token <token> --discovery-token-ca-cert-hash sha256:<hash>

Настройка сети в кластере

Сетевая связность — ключевой элемент кластера Kubernetes. Выберите подходящий сетевой плагин: Flannel, Calico, Weave, Cilium и другие.

Вот как выглядит установка Calico:

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

Функции CNI-плагинов:

• Внутрикластерная маршрутизация между контейнерами
• Внедрение политики безопасности (Network Policy)
• Интеграция с балансировщиками, ingress и сервисами Service LoadBalancer

Базовые операции по эксплуатации кластера

Масштабирование кластера

Добавление новых worker-нод

Добавить дополнительный сервер просто — используйте команду kubeadm join, сохраняя сетевые настройки и предварительную подготовку системы.

Удаление worker-нод

Для корректного удаления ноды:

kubectl drain <node-name> --delete-local-data --force --ignore-daemonsets  # выведет node из эксплуатации
kubectl delete node <node-name>  # удалит node из кластера

Это предотвратит потерю сервисов и обеспечит корректное перераспределение подов.

Обновление компонентов кластера

Обновления критичны для безопасности и поддержки новых функций. Главная последовательность — обновлять control plane, затем worker-узлы.

# Обновляем kubeadm, kubelet, kubectl на мастер-узле
sudo apt-get update
sudo apt-get install -y kubeadm=1.24.0-00 kubelet=1.24.0-00 kubectl=1.24.0-00

# Проверяем план обновления
sudo kubeadm upgrade plan

# Выполняем upgrade
sudo kubeadm upgrade apply v1.24.0

# На каждой ноде обновляем kubelet и перезапускаем службу
sudo apt-get install -y kubelet=1.24.0-00
sudo systemctl restart kubelet

Управление ролями и доступом (RBAC)

RBAC (Role-Based Access Control) позволяет выдавать granular-права на ресурсы кластера:

# Пример роли и привязки
apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1
kind: Role
metadata:
  namespace: default
  name: pod-reader
rules:
- apiGroups: [""]
  resources: ["pods"]
  verbs: ["get", "watch", "list"]
---
apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1
kind: RoleBinding
metadata:
  name: read-pods
  namespace: default
subjects:
- kind: User
  name: "dev-user"
  apiGroup: rbac.authorization.k8s.io
roleRef:
  kind: Role
  name: pod-reader
  apiGroup: rbac.authorization.k8s.io

Настройка резервного копирования etcd

etcd — ключевая часть стабильности и отказоустойчивости. Бэкап и restore делайте регулярно.

Пример бэкапа:

ETCDCTL_API=3 etcdctl snapshot save /tmp/etcd-snapshot.db \
  --endpoints=https://127.0.0.1:2379 \
  --cacert=/etc/kubernetes/pki/etcd/ca.crt \
  --cert=/etc/kubernetes/pki/etcd/server.crt \
  --key=/etc/kubernetes/pki/etcd/server.key

Восстановление из бэкапа:

ETCDCTL_API=3 etcdctl snapshot restore /tmp/etcd-snapshot.db --data-dir /var/lib/etcd-new

После восстановления следует корректно переуказать путь до данных etcd в настройках kube-apiserver.

Мониторинг и журналирование кластера

Инструменты мониторинга

• Prometheus + Grafana
  Простейшая и популярная связка. Prometheus собирает метрики, Grafana визуализирует их.

• Kube-state-metrics
  Отдельный сервис, собирающий "живую" статистику о состоянии объектов Kubernetes.

Сбор логов

• EFK Stack (Elasticsearch, Fluentd, Kibana)
• Loki от Grafana

Пример деплоя kube-prometheus-stack (Helm)

helm repo add prometheus-community https://prometheus-community.github.io/helm-charts
helm repo update
helm install monitoring prometheus-community/kube-prometheus-stack

Безопасность кластера

Основные меры

• Используйте последние стабильные версии компонентов
• Изолируйте control plane от внешних сетей (доступ только по VPN или средствам SIEM)
• Применяйте Pod Security Policies или Pod Security Standards
• Используйте NetworkPolicy для ограничения трафика
• Настройте регулярное сканирование уязвимостей образов

Пример NetworkPolicy для запрета доступа между подами разных namespaces

apiVersion: networking.k8s.io/v1
kind: NetworkPolicy
metadata:
  name: deny-other-namespaces
  namespace: prod
spec:
  podSelector: {}
  ingress:
    - from:
        - namespaceSelector:
            matchLabels:
              name: prod

Решение распространенных проблем

Проверка статуса кластера

kubectl get nodes  # Проверка работоспособности всех нод

kubectl get pods --all-namespaces  # Поиск подов в неприводимом статусе

kubectl describe pod <имя> -n <namespace>  # Детальная диагностика проблем в конкретном поде

Восстановление доступа при сбое control plane

Если ваша control plane-нода упала, используйте последние резервные копии etcd, чтобы поднять новый узел или полностью переинициализировать кластер на основе snapshot.

Особенности эксплуатации в разных типах инфраструктур

Managed Kubernetes (например, Yandex Managed Service, Google Kubernetes Engine)

• Установка минимальна: вы указываете только параметры и сеть — все обновления и поддержка на стороне провайдера.
• Важно: часть функций кастомизации и низкоуровневой настройки (например, параметры kubelet или управления etcd) может быть недоступна.

Bare-metal кластеры

• Полный контроль над средой, но все проблемы и обновления — на вашей стороне.
• Важно продумывать вопросы отказоустойчивости, настройки хранилищ (например, Ceph, NFS) и сетей на уровне L2/L3.

Особенности обновления кластера

• Всегда читайте release notes — иногда меняются API или появляются deprecated-фичи.
• Применяйте blue-green или canary-обновления для production (тестируйте сначала на небоевых нодах).
• Обязательно делайте бэкап etcd перед обновлением.

Заключение

Кластер Kubernetes — это сложная система, где надежность работы приложений зависит от корректной настройки, грамотного обслуживания и своевременного реагирования на сбои. Перед эксплуатацией необходимо четко представлять архитектуру, уметь инициализировать и расширять кластер, следить за его здоровьем, а также регулярно обновлять ключевые компоненты и резервировать данные.

Безопасность, масштабируемость и удобство мониторинга — три ключевых направления, в которые стоит вкладываться параллельно с ростом ваших приложений. Смотрите на развитие кластера не только как на техническую задачу — это фундамент, на котором строится цифровая инфраструктура компании.

Частозадаваемые технические вопросы по теме статьи и ответы на них

1. Как перевести кластер Kubernetes в режим высокой доступности (HA)?
Для этого нужно развернуть несколько master-узлов с Keepalived/VIP или использовать внешний LoadBalancer перед kube-apiserver, синхронизировать etcd, настроить совместный доступ к данным и прописать все control plane-адреса в kubeadm.

2. Как поменять сеть подов в уже работающем кластере?
Это не поддерживается штатно. Если необходимо изменить CNI или подсеть, проще создать новый кластер с нужной сетевой конфигурацией, а затем мигрировать службы.

3. Как добавить или удалить etcd-нод в кластере?
Выведите node из etcd вручную через etcdctl member remove <member_id>, затем корректируйте конфиги control-plane. При добавлении используйте etcdctl member add и пропишите новые параметры в kube-apiserver.

4. Как безопасно интегрировать кластер с внешними CI/CD системами?
Создайте специфичную ServiceAccount, настройте через RBAC минимально необходимые права, используйте kubeconfig с короткоживущими токенами, по возможности ограничивайте доступ по IP.

5. Почему не видно новые worker-узлы после kubeadm join?
Возможная причина — несовпадение версий между master и worker, ошибки сетевого слоя, незапущенный kubelet. Проверьте логи kubelet и убедитесь, что все сетевые подключения между нодами открыты.