本文来自Rancher Labs

介 绍

在Kubernetes 1.14版本中已经GA了对Windows的支持。这一结果凝结了一群优秀的工程师的努力，他们来自微软、Pivotal、VMware、红帽以及现在已经关闭的Apprenda等几家公司。我在Apprenda工作时，不定时会为sig-windows社区做出一些贡献。即便现在在Rancher Labs任职，也一直关注它的动向。所以当公司决定在Rancher中增加对Windows支持时，我极为兴奋。

Rancher 2.3已于本月月初发布，这是首个GA支持Windows容器的Kubernetes管理平台。它极大降低了企业使用Windows容器的复杂性，并为基于Windows遗留应用程序的现代化提供快捷的途径——无论这些程序是在本地运行还是在多云环境中运行。此外，Rancher 2.3还可以将它们容器化并将其转换为高效、安全和可迁移的多云应用程序，从而省去重写应用程序的工作。

在本文中，我们将在运行RKE的Kubernetes集群之上配置Rancher集群。我们也将会配置同时支持Linux和Windows容器的集群。完成配置后，我们将聊聊操作系统的定位，因为Kubernetes scheduler需要指导各种Linux和Windows容器在启动时的部署位置。

我们的目标是以完全自动化的方式执行这一操作。由于Rancher 2.3目前尚未stable，因此这无法在生产环境中使用，但如果你正需要使用Azure和Rancher来完成基础架构自动化，那么这对你们的团队而言将会是一个良好的开端。退一万步而言，即使你不使用Azure，在本例中的许多概念和代码都可以应用于其他环境中。

考虑因素

Windows vs. Linux

在我们正式开始之前，我需要告知你许多注意事项和“陷阱”。首先，最显而易见的就是：Windows不是Linux。Windows新增了支持网络网格中的容器化应用程序所需的子系统，它们是Windows操作系统专有的，由Windows主机网络服务和Windows主机计算服务实现。操作系统以及底层容器运行时的配置、故障排除以及运维维护将会有显著区别。而且，Windows节点收到Windows Server licensing的约束，容器镜像也受Windows容器的补充许可条款的约束。

Windows OS版本

WindowsOS版本需要绑定到特定的容器镜像版本，这是Windows独有的。使用Hyper-V隔离可以克服这一问题，但是从Kubernetes 1.16开始，Kubernetes不支持Hyper-V隔离。因此，K8S 和 Rancher 仅支持 Windows Server Core 1809 或 Windows Server 2019 (Builds 17763) 及其以上的 Windows 服务器 （运行 Docker EE-basic 18.09）。

持久性支持和CSI插件

Kubernetes 1.16版本以来，CSI插件支持alpha版本。Windows节点支持大量的in-tree和flex volume。

CNI插件

Rancher 支持仅限于flannel提供的主机网关（L2Bridge）和VXLAN（Overlay）网络支持。在我们的方案中，我们将利用默认的VXLAN，因为当节点并不都在同一个网络上时，主机网关选项需要User Defined Routes配置。这取决于提供商，所以我们将利用VXLAN功能的简单性。根据Kubernetes文档，这是alpha级别的支持。当前没有支持Kubernetes网络策略API的开源Windows网络插件。

其他限制

请确保你已经阅读了Kubernetes文档，因为在Windows容器中有许多功能无法实现，或者其功能和Linux中的相同功能实现方式有所不同。

Kubernetes文档：

https://kubernetes.io/docs/setup/production-environment/windows/intro-windows-in-kubernetes/#limitations

基础架构即代码

自动化是实现DevOps的第一种方式。我们将自动化我们的Rancher集群和要在该集群中配置的Azure节点的基础架构。

Terraform

Terraform是一个开源的基础架构自动化编排工具，它几乎支持所有市面上能见到的云服务提供商。今天我们将使用这一工具来自动化配置。确保你运行的Terraform版本至少是Terraform 12。在本文中，使用Terraform 版本是v0.12.9。

$ terraform version
Terraform v0.12.9

RKE Provider

用于Terraform 的RKE provider是一个社区项目，并非由Rancher官方进行研发的，但包括我在内的Rancher的很多工程师都在使用。因为这是一个社区provider而不是Terraform官方的provider，因此你需要安装最新版本到你的Terraform插件目录中。对于大部分的Linux发行版来说，你可以使用本文资源库中包含的setup-rke-terraform-provider.sh脚本。

Rancher Provider

用于Terraform的Rancher2 provider是Terraform支持的provider，它通过Rancher REST API来自动化Rancher。我们将用它从Terraform的虚拟机中创建Kubernetes集群，这一虚拟机需要使用Azure Resource Manager和Azure Active Directory Terraform Provider进行创建。

本例的Format

本文中的Terraform模型的每个步骤都会被拆分成子模型，这将增强模型可靠性并且将来如果你创建了其他自动化架构，这些模型都可以重新使用。

Part1：设置Rancher集群

登录到Azure

Azure Resource Manager和Azure Active Directory Terraform Provider将使用一个激活的Azure Cli登录以访问Azure。他们可以使用其他认证方法，但在本例中，我在运行Terraform之前先登录。

az login
Note, we have launched a browser for you to login. For old experience with device code, use "az login --use-device-code"
You have logged in. Now let us find all the subscriptions to which you have access...
[
  {
    "cloudName": "AzureCloud",
    "id": "14a619f7-a887-4635-8647-d8f46f92eaac",
    "isDefault": true,
    "name": "Rancher Labs Shared",
    "state": "Enabled",
    "tenantId": "abb5adde-bee8-4821-8b03-e63efdc7701c",
    "user": {
      "name": "jvb@rancher.com",
      "type": "user"
    }
  }
]

设置Resource Group

Azure Resource Group是Rancher集群的节点和其他虚拟硬件存储的位置范围。我们实际上将会创建两个组，一个用于Rancher集群，另一个用于Kubernetes集群。那将在resource-group module中完成。

https://github.com/JasonvanBrackel/cattle-drive/tree/master/terraform-module/resourcegroup-module

resource "azurerm_resource_group" "resource-group" {
  name     = var.group-name
  location = var.region
}

设置硬件

虚拟网络

我们将需要一个虚拟网络和子网。我们将使用network-module在各自的资源组中分别设置它们。

我们将使用node-module设置每个节点。既然每个节点都需要安装Docker，那么我们在使用Rancher install-docker脚本配置和安装Docker时，我们需要运行cloud-init文件。这个脚本将检测Linux发行版并且安装Docker。

os_profile {
    computer_name = "${local.prefix}-${count.index}-vm"
    admin_username = var.node-definition.admin-username
    custom_data    = templatefile("./cloud-init.template", { docker-version = var.node-definition.docker-version, admin-username = var.node-definition.admin-username, additionalCommand = "${var.commandToExecute} --address ${azurerm_public_ip.publicIp[count.index].ip_address} --internal-address ${azurerm_network_interface.nic[count.index].ip_configuration[0].private_ip_address}"  })
  }

#cloud-config
repo_update: true
repo_upgrade: all

runcmd:
    - [ sh, -c, "curl https://releases.rancher.com/install-docker/${docker-version}.sh | sh && sudo usermod -a -G docker  ${admin-username}" ]
    - [ sh, -c, "${additionalCommand}"]

模板中的附加命令块用这些节点的sleep 0填充，但是稍后该命令将用于Linux节点，以将Rancher管理的自定义集群节点加入平台。

设置节点

接下来，我们将为每个角色创建几组节点：控制平面、etcd和worker。我们需要考虑几件事，因为Azure处理其虚拟网络的方式有一些独特之处。它会保留前几个IP供自己使用，因此在创建静态IP时需要考虑这一特性。这就是在NIC创建中的4个IP，由于我们也管理子网的IP，因此我们在每个IP中都进行了处理。

resource "azurerm_network_interface" "nic" {
  count               = var.node-count
  name                = "${local.prefix}-${count.index}-nic"
  location            = var.resource-group.location
  resource_group_name = var.resource-group.name

  ip_configuration {
    name                          = "${local.prefix}-ip-config-${count.index}"
    subnet_id                     = var.subnet-id
    private_ip_address_allocation = "static"
    private_ip_address            = cidrhost("10.0.1.0/24", count.index + var.address-starting-index + 4)
    public_ip_address_id          = azurerm_public_ip.publicIp[count.index].id
  }
}

为什么不对私有IP使用动态分配？

在创建并完全配置节点之前，Azure的Terraform provider将无法获取IP地址。而通过静态处理，我们可以在生成RKE集群期间使用地址。当然，还有其他方法也能解决这一问题，如将基础架构配置分成多个来运行。但是为简单起见，还是对IP地址进行静态管理。

设置前端负载均衡器

默认情况下，Rancher安装程序将会在每个worker节点安装一个ingress controller，这意味着我们应该在可用的worker节点之间负载均衡任何流量。我们也将会利用Azure的功能来为公共IP创建一个公共的DNS入口，并且将其用于集群。这可以在loadbalancer-module中完成。

https://github.com/JasonvanBrackel/cattle-drive/tree/master/terraform-module/loadbalancer-module

resource "azurerm_public_ip" "frontendloadbalancer_publicip" {
  name                = "rke-lb-publicip"
  location            = var.resource-group.location
  resource_group_name = var.resource-group.name
  allocation_method   = "Static"
  domain_name_label   = replace(var.domain-name-label, ".", "-")
}

作为替代方案，其中包含使用cloudflare DNS的代码。我们在这篇文章中没有使用这一方案，但是你可以不妨一试。如果你使用这个方法，你将需要重置DNS缓存或主机文件入口，以便你的本地计算机可以调用Rancher来使用Rancher terraform provider。

provider "cloudflare" {
  email = "${var.cloudflare-email}"
  api_key = "${var.cloudflare-token}"
}

data "cloudflare_zones" "zones" {
  filter {
    name   = "${replace(var.domain-name, ".com", "")}.*" # Modify for other suffixes
    status = "active"
    paused = false
  }
}

# Add a record to the domain
resource "cloudflare_record" "domain" {
  zone_id = data.cloudflare_zones.zones.zones[0].id
  name   = var.domain-name
  value  = var.ip-address
  type   = "A"
  ttl    = "120"
  proxied = "false"
}

使用RKE安装Kubernetes

我们将使用Azure和Terraform的动态代码块创建的节点与开源RKE Terraform Provider来创建一个RKE集群。

dynamic nodes {
    for_each = module.rancher-control.nodes
    content {
      address = module.rancher-control.publicIps[nodes.key].ip_address
      internal_address = module.rancher-control.privateIps[nodes.key].private_ip_address
      user    = module.rancher-control.node-definition.admin-username
      role    = ["controlplane"]
      ssh_key = file(module.rancher-control.node-definition.ssh-keypath-private)
    }
  }

使用RKE安装Tiller

有很多种方式可以安装Tiller，你可以使用Rancher官方文档中的方法，但是在本教程中我们将利用RKE Add-On的特性。

官方文档：

https://rancher.com/docs/rancher/v2.x/en/installation/ha/helm-init/

  addons = <<EOL
---
kind: ServiceAccount
apiVersion: v1
metadata:
  name: tiller
  namespace: kube-system
---
kind: ClusterRoleBinding
apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1
metadata:
  name: tiller
  namespace: kube-system
subjects:
- kind: ServiceAccount
  name: tiller
  namespace: kube-system
roleRef:
  kind: ClusterRole
  name: cluster-admin
  apiGroup: rbac.authorization.k8s.io
EOL
}

初始化Helm

Terraform可以运行本地脚本。既然我们将要使用Helm来安装cert-manager和Rancher，我们需要初始化Helm。

安装cert-manager

这一步和Rancher文档中【使用Tiller安装cert-manager】的内容一样。

https://rancher.com/docs/rancher/v2.x/en/installation/ha/helm-rancher/#let-s-encrypt

resource "null_resource" "install-cert-manager" {
  depends_on = [null_resource.initialize-helm]
  provisioner "local-exec" {
    command = file("../install-cert-manager.sh")
  }
}

安装Rancher

这一步和官方文档中【安装Rancher】的内容一样。

https://rancher.com/docs/rancher/v2.x/en/installation/ha/helm-rancher/

install-rancher脚本有很多个版本，我们所使用的版本要求要有Let’s Encrypt的证书。如果你更习惯使用自签名的证书，你需要将install-rancher.sh的symlink更改为指向其他版本，并从下面的示例代码中删除let-encrypt变量。

resource "null_resource" "install-rancher" {
  depends_on = [null_resource.install-cert-manager]
  provisioner "local-exec" {
    command = templatefile("../install-rancher.sh", { lets-encrypt-email = var.lets-encrypt-email, lets-encrypt-environment = var.lets-encrypt-environment, rancher-domain-name = local.domain-name })
  }
}

Rancher引导程序

Terraform的Rancher2 Provider包含了一个引导模式。这允许我们可以设置一个admin密码。你可以在rancherbootstrap-module中看到这一步。

provider "rancher2"  {
  alias = "bootstrap"

  api_url   = var.rancher-url
  bootstrap = true

  insecure = true
}

resource "rancher2_bootstrap" "admin" {
  provider = rancher2.bootstrap
  password = var.admin-password
  telemetry = true
}

我们在这里设置集群url。

provider "rancher2" {
  alias = "admin"

  api_url = rancher2_bootstrap.admin.url
  token_key = rancher2_bootstrap.admin.token

  insecure = true
}


resource "rancher2_setting" "url" {
  provider = rancher2.admin
  name = "server-url"
  value = var.rancher-url
}

Part2：设置Rancher管理的Kubernetes集群

为Azure创建服务主体

在我们可以使用Azure cloud来创建Load Balancer 服务和Azure存储之前，我们需要先为Cloud Controller Manager配置connector。因此，我们在cluster-module和serviceprincipal-module中创建了一个服务主体，其作用域为集群的Resource Group。

resource "azuread_application" "ad-application" {
  name                       = var.application-name
  homepage                   = "https://${var.application-name}"
  identifier_uris            = ["http://${var.application-name}"]
  available_to_other_tenants = false
}

resource "azuread_service_principal" "service-principal" {
  application_id                = azuread_application.ad-application.application_id
  app_role_assignment_required  = true
}

resource "azurerm_role_assignment" "serviceprincipal-role" {
  scope                = var.resource-group-id
  role_definition_name = "Contributor"
  principal_id         = azuread_service_principal.service-principal.id
}

resource "random_string" "random" {
  length = 32
  special = true
}

resource "azuread_service_principal_password" "service-principal-password" {
  service_principal_id = azuread_service_principal.service-principal.id
  value                = random_string.random.result
  end_date             = timeadd(timestamp(), "720h")
}

定义自定义集群

我们需要设置flannel 网络选项以支持Windows flannel驱动。你将会注意到Azure provider的配置。

resource "rancher2_cluster" "manager" {
  name = var.cluster-name
  description = "Hybrid cluster with Windows and Linux workloads"
  # windows_prefered_cluster = true Not currently supported
  rke_config {
    network {
      plugin = "flannel"
      options = {
        flannel_backend_port = 4789
        flannel_backend_type = "vxlan"
        flannel_backend_vni = 4096
      }
    }
    cloud_provider {
      azure_cloud_provider {
        aad_client_id = var.service-principal.client-id
        aad_client_secret = var.service-principal.client-secret
        subscription_id = var.service-principal.subscription-id
        tenant_id = var.service-principal.tenant-id
      }
    }
  }
}

创建虚拟机

这些虚拟机的创建过程与早期计算机相同，并且包含Docker安装脚本。这里唯一的改变是使用来自之前创建集群的linux节点命令的附加命令。

module "k8s-worker" {
  source = "./node-module"
  prefix = "worker"

  resource-group = module.k8s-resource-group.resource-group
  node-count = var.k8s-worker-node-count
  subnet-id = module.k8s-network.subnet-id
  address-starting-index = var.k8s-etcd-node-count + var.k8s-controlplane-node-count
  node-definition = local.node-definition
  commandToExecute = "${module.cluster-module.linux-node-command} --worker"
}

创建Windows Workers

Windows worker进程类似于Linux进程，但有一些例外。由于Windows不支持cloud-init文件，我们需要创建一个Windows自定义脚本扩展。你可以在windowsnode-module中看到它：

https://github.com/JasonvanBrackel/cattle-drive/tree/master/terraform-module/windowsnode-module

Windows worker使用密码进行认证，还需要VM Agent来运行自定义脚本扩展。

os_profile {
  computer_name = "${local.prefix}-${count.index}-vm"
  admin_username = var.node-definition.admin-username
  admin_password = var.node-definition.admin-password
}

os_profile_windows_config {
  provision_vm_agent = true
}

加入Rancher

节点配置完成之后，自定义脚本扩展将运行Windows节点命令。

注意：

这是与Terraform文档中不同类型的自定义脚本扩展，适用于Linux虚拟机。Azure可以允许你对Windows节点尝试使用Terraform类型的扩展，但它最终会失败。

耐心一点噢

整个进程需要花费一些时间，需要耐心等待。当Terraform完成之后，将会有一些项目依旧在配置。即使在Kubernetes集群已经启动之后，Windows节点将至少需要10分钟来完全初始化。正常工作的Windows节点看起来类似于下面的终端输出：

C:\Users\iamsuperman>docker ps
CONTAINER ID        IMAGE                                COMMAND                  CREATED             STATUS              PORTS               NAMES
832ef7adaeca        rancher/rke-tools:v0.1.50            "pwsh -NoLogo -NonIn…"   10 minutes ago      Up 9 minutes                            nginx-proxy
7e75dffce642        rancher/hyperkube:v1.15.4-rancher1   "pwsh -NoLogo -NonIn…"   10 minutes ago      Up 10 minutes                           kubelet
e22b656e22e0        rancher/hyperkube:v1.15.4-rancher1   "pwsh -NoLogo -NonIn…"   10 minutes ago      Up 9 minutes                            kube-proxy
5a2a773f85ed        rancher/rke-tools:v0.1.50            "pwsh -NoLogo -NonIn…"   17 minutes ago      Up 17 minutes                           service-sidekick
603bf5a4f2bd        rancher/rancher-agent:v2.3.0         "pwsh -NoLogo -NonIn…"   24 minutes ago      Up 24 minutes                           gifted_poincare

Terraform将为新平台输出凭据。

Outputs:

lets-encrypt-email = jason@vanbrackel.net
lets-encrypt-environment = production
rancher-admin-password = {REDACTED}
rancher-domain-name = https://jvb-win-hybrid.eastus2.cloudapp.azure.com/
windows-admin-password = {REDACTED}

Part3：使用Windows工作负载

通过OS定位工作负载

因为Windows容器镜像和Linux容器镜像并不相同，我们需要使用Kubernetes节点的关联性来确定我们的部署目标。每个节点都有OS标签以帮助实现这一目的。

> kubectl get nodes
NAME           STATUS   ROLES          AGE     VERSION
control-0-vm   Ready    controlplane   16m     v1.15.4
etcd-0-vm      Ready    etcd           16m     v1.15.4
win-0-vm       Ready    worker         5m52s   v1.15.4
worker-0-vm    Ready    worker         12m     v1.15.4
> kubectl describe node worker-0-vm
Name:               worker-0-vm
Roles:              worker
Labels:             beta.kubernetes.io/arch=amd64
                    beta.kubernetes.io/os=linux
                    kubernetes.io/arch=amd64
                    kubernetes.io/hostname=worker-0-vm
                    kubernetes.io/os=linux
                    node-role.kubernetes.io/worker=true
...
> kubectl describe node win-0-vm
Name:               win-0-vm
Roles:              worker
Labels:             beta.kubernetes.io/arch=amd64
                    beta.kubernetes.io/os=windows
                    kubernetes.io/arch=amd64
                    kubernetes.io/hostname=win-0-vm
                    kubernetes.io/os=windows

由Rancher 2.3部署的集群会自动使用NoSchedule污染Linux worker节点，这意味着工作负载将始终流向Windows节点，除非特别调度了Linux节点并且配置为可容忍污染。

根据计划使用集群的方式，您可能会发现，设置类似的Windows或Linux默认首选项可以在启动工作负载时减少开销。

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