手把手实操教程！使用k3s运行轻量级VM

前言

k3s作为轻量级的Kubernetes发行版，运行容器是基本功能。VM的管理原本是IaaS平台的基本能力，随着Kubernetes的不断发展，VM也可以纳入其管理体系。结合Container和VM的各自优势，又发展出轻量级VM的理念，兼具容器的轻量特性，又有VM的隔离安全性，这其中kata-container是时下比较受关注的开源项目。那么轻量级的k3s和轻量级VM碰撞，又有怎样的效果，结合两者进行实践，谨以此文进行说明。

请注意，本文部署时使用的主要软件版本是：

k8s v1.17.2+k3s.1，kata-containers v1.9.3。

环境准备

kata-containers既可以在纯Docker上运行，也可以运行在Kubernetes中，但本文只关注Kubernetes场景。kubelet本身可以支持多种满足CRI接口的runtime，包括CRI-O和CRI-Containerd，Kubernetes的RuntimeClaas可以配置Pod使用那种运行时，创建容器时对应的runtime调用runc创建容器，创建VM时调用kata-runtime创建VM。kata-runtime支持多种形式的轻量VM，kata-qemu是默认支持选项，另外也可以使用firecracker（另一种MicroVM）。整体调用关系如下图所示：

无论哪种VM，KVM的支持是需要的，现在主流的MicroVM技术都是基于KVM，所以我们的环境需要准备支持KVM的Host。你可以用Bare Metal，也可以用支持KVM的PC server，还可以用嵌套虚拟化方式。Host开启KVM支持后，可以用以下命令检查：

# 检测虚拟化情况（需要>0）
grep -cw vmx /proc/cpuinfo

安装k3s和kata-containers

k3s的安装部署非常简单，直接参考官方文档即可：

https://rancher.com/docs/k3s/latest/en/installation/

笔者使用GCP的Host，并开启嵌套虚拟化，所以采用在线脚本安装方式：

curl -sfL https://get.k3s.io | sh -
# 备份 containerd原始配置，后面会用到
cd /var/lib/rancher/k3s/agent/etc/containerd/
cp config.toml config.toml.base

kata-containers部署有些需要注意的地方，kata-deploy（https://github.com/kata-containers/packaging/tree/master/kata-deploy）是官方维护的部署脚本，可以帮助部署kata-containers。但是，kata-deploy的k3s支持有些问题，尽管已经有PR提交声明支持了k3s，笔者整理了这一部署过程遇到的问题，仅作参考。

首先设置RBAC，先安装文档中默认的RBAC yaml，再做一些修改：

kubectl apply -f https://raw.githubusercontent.com/kata-containers/packaging/master/kata-deploy/kata-rbac/base/kata-rbac.yaml
# 编辑 clusterrole node-labeler，添加新的api授权
# 新增coordination.k8s.io的leases授权
kubectl edit clusterrole node-labeler
...
...
rules:
- apiGroups:
  - ""
  resources:
  - nodes
  verbs:
  - get
  - patch
- apiGroups:
  - coordination.k8s.io
  resources:
  - leases
  verbs:
  - get
  - list

部署kata，依然是先安装文档中默认的yaml：

kubectl apply -k github.com/kata-containers/packaging/kata-deploy/kata-deploy/overlays/k3s

查看kata-deploy Pod的运行情况，基本上你肯定会看到出错信息：

crictl ps -a | grep kube-kata
crictl logs <kube-kata-container-id>
...
...
Failed to restart containerd.service: Unit containerd.service not found.

这时候发现containerd虽然配置完成，但是重启失败。k3s目前的containerd是内置在k3s管理的，并不是通过systemd，而kata-deploy无法识别，这需要我们手动来完成这个过程：


# 创建/var/lib/rancher/k3s/agent/etc/containerd/config.toml.tmpl
# 使用之前保留的原始配置
cat config.toml.base > config.toml.tmpl
# 在config.toml.tmpl末尾追加
# 你可以筛选加入你使用的runtimes，也可以全部添加
[plugins.cri.containerd.runtimes.kata]
  runtime_type = "io.containerd.kata.v2"
[plugins.cri.containerd.runtimes.kata.options]
  ConfigPath = "/opt/kata/share/defaults/kata-containers/configuration.toml"
[plugins.cri.containerd.runtimes.kata-fc]
  runtime_type = "io.containerd.kata-fc.v2"
[plugins.cri.containerd.runtimes.kata-fc.options]
  ConfigPath = "/opt/kata/share/defaults/kata-containers/configuration-fc.toml"
[plugins.cri.containerd.runtimes.kata-qemu]
  runtime_type = "io.containerd.kata-qemu.v2"
[plugins.cri.containerd.runtimes.kata-qemu.options]
  ConfigPath = "/opt/kata/share/defaults/kata-containers/configuration-qemu.toml"
[plugins.cri.containerd.runtimes.kata-qemu-virtiofs]
  runtime_type = "io.containerd.kata-qemu-virtiofs.v2"
[plugins.cri.containerd.runtimes.kata-qemu-virtiofs.options]
  ConfigPath = "/opt/kata/share/defaults/kata-containers/configuration-qemu-virtiofs.toml"
[plugins.cri.containerd.runtimes.kata-nemu]
  runtime_type = "io.containerd.kata-nemu.v2"
[plugins.cri.containerd.runtimes.kata-nemu.options]
  ConfigPath = "/opt/kata/share/defaults/kata-containers/configuration-nemu.toml"

由于kata-deploy每次启动都会重写k3s containerd配置，为了避免干扰，在一切就绪后，我们可以删除kata-deploy，并重启k3s：


# 由于kata-deploy stop时会清理安装的kata相关程序，所以删除kata-deploy前，我们先去掉这个机制
# 编辑kata-deploy，删除lifecycle preStop
lifecycle:
  preStop:
    exec:
      command:
      - bash
      - -c
      - /opt/kata-artifacts/scripts/kata-deploy.sh cleanup
kubectl delete -k github.com/kata-containers/packaging/kata-deploy/kata-deploy/overlays/k3s
systemctl restart k3s.service

运行demo

添加RuntimeClass，目前经过笔者测试，k3s只支持kata-qemu，所以我们只安装kata-qemu-runtimeClass：

kubectl apply -f https://raw.githubusercontent.com/kata-containers/packaging/master/kata-deploy/k8s-1.14/kata-qemu-runtimeClass.yaml

添加workload

kubectl apply -f https://raw.githubusercontent.com/kata-containers/packaging/master/kata-deploy/examples/test-deploy-kata-qemu.yaml
kubectl get deploy php-apache-kata-qemu
NAME                   READY   UP-TO-DATE   AVAILABLE   AGE
php-apache-kata-qemu   1/1     1            1           1m

确认kata-qemu正常创建VM：

ps aux| grep qemu
root      3589  0.9  0.9 2490176 151368 ?      Sl   06:49   0:15 /opt/kata/bin/qemu-system-x86_64
# 进入VM
crictl ps | grep php-apache
crictl exec -it <php-apache-container-id> bash
# uname -r
4.19.75
# exit
# 查看Host kernel
uname -r
5.0.0-1029-gcp

我们可以看到通过k3s创建的每个kata容器都具有独立的内核，没有共享主机内核。

后记

随着k3s的进一步发展，越来越多的软件不仅仅支持完整的Kubernetes，也会支持在k3s中安装部署。k3s除了会在devops领域和边缘计算领域外不断发展外，作为软件运行载体也在不断被各个开源产品接受，k3s辅助其他软件给用户提供轻量级的交付体验，开箱即用的使用感受。