Raspberry Piで自宅kubernetesクラスタを構築してみた

# はじめに
Raspberri Pi 4 (8GB)を3台使用してkubernetesクラスタを構築します。
物理的な構築の説明は省き、Raspberry Pi起動後のkubernetesクラスタの構築をメインに載せています。

構築は以下の記事を多分に参考にさせていただきました。

- [Raspberry PiでおうちKubernetes構築【物理編】](https://qiita.com/go_vargo/items/d1271ab60f2bba375dcc)
- [Raspberry PiでおうちKubernetes構築【論理編】](https://qiita.com/go_vargo/items/29f6d832ea0a289b4778)
- [自宅にKubernetesクラスター『おうちKubernetes』を作ってみた](https://eng-blog.iij.ad.jp/archives/6304)

# 材料
材料はこちら。購入はすべてAmazonです。
USBケーブルだけ予備で1本余分で用意しました。
総額 42,003円でした。
![image0.jpeg](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/367760/b081dd3a-ddc1-6265-0964-9dea263b5b5d.jpeg)

| 材料 | 個数 |
|:-:|:-:|
| Raspberry Pi 4 Model B (8GB)   |3|
|  Samsung EVO Plus マイクロSDカード 64GB | 3  |
| エレコム LANケーブル 0.3m   |  4 |
| Anker USB Type C ケーブル  |  4 |
| TP-Link ハブ TL-SG105E  | 1  |
|  サンワダイレクト USB充電器 50W 6ポート |  1 |
| 積層式ケース for Raspberry Pi 4 / Pi 3 Model B+  | 1  |

完成系がこちらです。
![image1.jpeg](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/367760/e597b632-70d8-8220-e320-cf53b563d1cf.jpeg)


# 構築

### 環境

- 作業用PC(ラズパイへのSSH)
    - Windows 10 Home
    - Tera Term

- Raspberry Pi 
    - Raspberry Pi 4 Model B (8GB)
    - Raspberry Pi OS Lite (2021-01-11)
   
- kubernetesクラスタ
    - Masterノード1, Workerノード2の3台構成
- kubeadm
    - v1.20.2

### Raspberry Pi初期設定
SSHの設定とcgroupの設定は完了しているため省略しますが、設定自体は必須です。

ライブラリの更新をします。

```
$ sudo apt-get -y upgrade
```

スワップを無効化します。

```
$ sudo dphys-swapfile swapoff
$ sudo dphys-swapfile uninstall
$ sudo update-rc.d dphys-swapfile remove
```

ホスト名を修正します。

```
$ sudo vi /etc/hostname
raspi001
```

hostsファイルも修正します。

```
$ sudo vi/etc/hosts
127.0.0.1       localhost
::1             localhost ip6-localhost ip6-loopback
ff02::1         ip6-allnodes
ff02::2         ip6-allrouters

127.0.1.1       raspi001
```

残りの2台も同様にraspi002,raspi003にhostnameファイルとhostsファイルを修正します。

変更を反映するため再起動します。

```
$ sudo reboot
```

他の2台も同様に修正・再起動します。


ここまでは冒頭で紹介した他の方の記事と同じ内容です。

### Dockerインストール

Dockerをインストールするのですが、docker-ceの最新バージョンをインストールしたところ、kubeadm initの実行時に次のような警告が出たためバージョンを指定してインストールします。おそらく無視して実行もできるのですが、メジャーバージョンをまたいでいるので念のため揃えます。

```
[WARNING SystemVerification]: this Docker version is not on the list of validated versions: 20.10.3. Latest validated version: 19.03
```

まずはパッケージをインストールします。

```
$ sudo apt-get install apt-transport-https ca-certificates curl software-properties-common
```

GPGキーを追加します。

```
$ curl -fsSL https://download.docker.com/linux/$(. /etc/os-release; echo "$ID")/gpg | sudo apt-key add -
```

リポジトリを追加します。

```
$ echo "deb [arch=armhf] https://download.docker.com/linux/$(. /etc/os-release; echo "$ID") \
     $(lsb_release -cs) stable" | \
    sudo tee /etc/apt/sources.list.d/docker.list
```

更新します。

```
$ sudo apt-get update
```

Dockerのドキュメントを参考に特定のバージョンのdocker-ceをインストールします。

まずは利用可能なバージョンを表示します。

```
$ apt-cache madison docker-ce
 docker-ce | 5:20.10.3~3-0~raspbian-buster | https://download.docker.com/linux/raspbian buster/stable armhf Packages
 docker-ce | 5:20.10.2~3-0~raspbian-buster | https://download.docker.com/linux/raspbian buster/stable armhf Packages
 docker-ce | 5:20.10.1~3-0~raspbian-buster | https://download.docker.com/linux/raspbian buster/stable armhf Packages
 docker-ce | 5:20.10.0~3-0~raspbian-buster | https://download.docker.com/linux/raspbian buster/stable armhf Packages
 docker-ce | 5:19.03.15~3-0~raspbian-buster | https://download.docker.com/linux/raspbian buster/stable armhf Packages
 docker-ce | 5:19.03.14~3-0~raspbian-buster | https://download.docker.com/linux/raspbian buster/stable armhf Packages
 docker-ce | 5:19.03.13~3-0~raspbian-buster | https://download.docker.com/linux/raspbian buster/stable armhf Packages
 docker-ce | 5:19.03.12~3-0~raspbian-buster | https://download.docker.com/linux/raspbian buster/stable armhf Packages
 docker-ce | 5:19.03.11~3-0~raspbian-buster | https://download.docker.com/linux/raspbian buster/stable armhf Packages
 docker-ce | 5:19.03.10~3-0~raspbian-buster | https://download.docker.com/linux/raspbian buster/stable armhf Packages
 docker-ce | 5:19.03.9~3-0~raspbian-buster | https://download.docker.com/linux/raspbian buster/stable armhf Packages
 docker-ce | 5:19.03.8~3-0~raspbian-buster | https://download.docker.com/linux/raspbian buster/stable armhf Packages
 docker-ce | 5:19.03.7~3-0~raspbian-buster | https://download.docker.com/linux/raspbian buster/stable armhf Packages
 docker-ce | 5:19.03.6~3-0~raspbian-buster | https://download.docker.com/linux/raspbian buster/stable armhf Packages
 docker-ce | 5:19.03.5~3-0~raspbian-buster | https://download.docker.com/linux/raspbian buster/stable armhf Packages
 docker-ce | 5:19.03.4~3-0~raspbian-buster | https://download.docker.com/linux/raspbian buster/stable armhf Packages
 docker-ce | 5:19.03.3~3-0~raspbian-buster | https://download.docker.com/linux/raspbian buster/stable armhf Packages
 docker-ce | 5:19.03.2~3-0~raspbian-buster | https://download.docker.com/linux/raspbian buster/stable armhf Packages
 docker-ce | 5:19.03.1~3-0~raspbian-buster | https://download.docker.com/linux/raspbian buster/stable armhf Packages
```

19.03の最新バージョンを使うことにします。
バージョンを指定してインストールします。

```
sudo apt-get install docker-ce=5:19.03.15~3-0~raspbian-buster
```

これでバージョンの警告が出なくなりました。
他の2台にも同様にインストールします。

### Kubernetesインストール
この辺は他の方の記事内容と同じです。

kubeadm, kubelet, kubectlをインストールします。

```
$ curl -fsSL https://packages.cloud.google.com/apt/doc/apt-key.gpg|sudo apt-key add -
$ echo "deb http://apt.kubernetes.io/ kubernetes-xenial main" | sudo tee /etc/apt/sources.list.d/kube.list

$ sudo apt-get update
$ sudo apt-get install kubelet kubeadm kubectl
```

他の2台にも同様にインストールします。

### クラスタの構築

#### Masterノードの構築
kubeadm initを実行します。

```
$ sudo kubeadm init --pod-network-cidr=10.244.0.0/16
[init] Using Kubernetes version: v1.20.2
[preflight] Running pre-flight checks
        [WARNING IsDockerSystemdCheck]: detected "cgroupfs" as the Docker cgroup driver. The recommended driver is "systemd". Please follow the guide at https://kubernetes.io/docs/setup/cri/
        [WARNING SystemVerification]: missing optional cgroups: hugetlb
error execution phase preflight: [preflight] Some fatal errors occurred:
        [ERROR Mem]: the system RAM (1 MB) is less than the minimum 1700 MB
        [ERROR Swap]: running with swap on is not supported. Please disable swap
[preflight] If you know what you are doing, you can make a check non-fatal with `--ignore-preflight-errors=...`
To see the stack trace of this error execute with --v=5 or higher
```

失敗しました。
WARNINGはとりあえず無視してERRORを解消していきます。

まず、次のエラーですが、こちらは[issue](https://github.com/kubernetes/kubeadm/issues/2365)が上がっていました。
32bitのマシンで4GBを超えるメモリを使用している場合に、誤ったメモリの値が返ってしまうバグのようです。

```
[ERROR Mem]: the system RAM (1 MB) is less than the minimum 1700 MB
```

コマンドに以下のオプションを加えることでエラーを回避できます。

- --ignore-preflight-errors=Mem

実行します。

```
$ sudo kubeadm init --pod-network-cidr=10.244.0.0/16 --ignore-preflight-errors=Mem
[init] Using Kubernetes version: v1.20.2
[preflight] Running pre-flight checks
        [WARNING Mem]: the system RAM (1 MB) is less than the minimum 1700 MB
        [WARNING IsDockerSystemdCheck]: detected "cgroupfs" as the Docker cgroup driver. The recommended driver is "systemd". Please follow the guide at https://kubernetes.io/docs/setup/cri/
        [WARNING SystemVerification]: missing optional cgroups: hugetlb
error execution phase preflight: [preflight] Some fatal errors occurred:
        [ERROR Swap]: running with swap on is not supported. Please disable swap
[preflight] If you know what you are doing, you can make a check non-fatal with `--ignore-preflight-errors=...`
To see the stack trace of this error execute with --v=5 or higher
```

エラーが出力されなくなりました。

続いてはこちらのエラー。
こちらも[issue](https://github.com/kubernetes/kubeadm/issues/610)が上がっていました。

```
[ERROR Swap]: running with swap on is not supported. Please disable swap
```

swap-off -a コマンドで解消できるそうなので実行します。
このコマンドは他の2台でも実行しておきます。

```
$ sudo swapoff -a
```


再度kubeadm initを実行します。

```
$ sudo kubeadm init --pod-network-cidr=10.244.0.0/16 --ignore-preflight-errors=Mem
[init] Using Kubernetes version: v1.20.2
[preflight] Running pre-flight checks
        [WARNING Mem]: the system RAM (1 MB) is less than the minimum 1700 MB
        [WARNING IsDockerSystemdCheck]: detected "cgroupfs" as the Docker cgroup driver. The recommended driver is "systemd". Please follow the guide at https://kubernetes.io/docs/setup/cri/
        [WARNING SystemVerification]: missing optional cgroups: hugetlb
[preflight] Pulling images required for setting up a Kubernetes cluster
[preflight] This might take a minute or two, depending on the speed of your internet connection
[preflight] You can also perform this action in beforehand using 'kubeadm config images pull'
[certs] Using certificateDir folder "/etc/kubernetes/pki"
[certs] Generating "ca" certificate and key
[certs] Generating "apiserver" certificate and key
[certs] apiserver serving cert is signed for DNS names [kubernetes kubernetes.default kubernetes.default.svc kubernetes.default.svc.cluster.local raspi001] and IPs [10.96.0.1 192.168.2.113]
[certs] Generating "apiserver-kubelet-client" certificate and key
[certs] Generating "front-proxy-ca" certificate and key
[certs] Generating "front-proxy-client" certificate and key
[certs] Generating "etcd/ca" certificate and key
[certs] Generating "etcd/server" certificate and key
[certs] etcd/server serving cert is signed for DNS names [localhost raspi001] and IPs [192.168.2.113 127.0.0.1 ::1]
[certs] Generating "etcd/peer" certificate and key
[certs] etcd/peer serving cert is signed for DNS names [localhost raspi001] and IPs [192.168.2.113 127.0.0.1 ::1]
[certs] Generating "etcd/healthcheck-client" certificate and key
[certs] Generating "apiserver-etcd-client" certificate and key
[certs] Generating "sa" key and public key
[kubeconfig] Using kubeconfig folder "/etc/kubernetes"
[kubeconfig] Writing "admin.conf" kubeconfig file
[kubeconfig] Writing "kubelet.conf" kubeconfig file
[kubeconfig] Writing "controller-manager.conf" kubeconfig file
[kubeconfig] Writing "scheduler.conf" kubeconfig file
[kubelet-start] Writing kubelet environment file with flags to file "/var/lib/kubelet/kubeadm-flags.env"
[kubelet-start] Writing kubelet configuration to file "/var/lib/kubelet/config.yaml"
[kubelet-start] Starting the kubelet
[control-plane] Using manifest folder "/etc/kubernetes/manifests"
[control-plane] Creating static Pod manifest for "kube-apiserver"
[control-plane] Creating static Pod manifest for "kube-controller-manager"
[control-plane] Creating static Pod manifest for "kube-scheduler"
[etcd] Creating static Pod manifest for local etcd in "/etc/kubernetes/manifests"
[wait-control-plane] Waiting for the kubelet to boot up the control plane as static Pods from directory "/etc/kubernetes/manifests". This can take up to 4m0s
[kubelet-check] Initial timeout of 40s passed.
[apiclient] All control plane components are healthy after 41.008727 seconds
[upload-config] Storing the configuration used in ConfigMap "kubeadm-config" in the "kube-system" Namespace
[kubelet] Creating a ConfigMap "kubelet-config-1.20" in namespace kube-system with the configuration for the kubelets in the cluster
[upload-certs] Skipping phase. Please see --upload-certs
[mark-control-plane] Marking the node raspi001 as control-plane by adding the labels "node-role.kubernetes.io/master=''" and "node-role.kubernetes.io/control-plane='' (deprecated)"
[mark-control-plane] Marking the node raspi001 as control-plane by adding the taints [node-role.kubernetes.io/master:NoSchedule]
[bootstrap-token] Using token: ndfm0v.fp1ywggjvsyvqc1e
[bootstrap-token] Configuring bootstrap tokens, cluster-info ConfigMap, RBAC Roles
[bootstrap-token] configured RBAC rules to allow Node Bootstrap tokens to get nodes
[bootstrap-token] configured RBAC rules to allow Node Bootstrap tokens to post CSRs in order for nodes to get long term certificate credentials
[bootstrap-token] configured RBAC rules to allow the csrapprover controller automatically approve CSRs from a Node Bootstrap Token
[bootstrap-token] configured RBAC rules to allow certificate rotation for all node client certificates in the cluster
[bootstrap-token] Creating the "cluster-info" ConfigMap in the "kube-public" namespace
[kubelet-finalize] Updating "/etc/kubernetes/kubelet.conf" to point to a rotatable kubelet client certificate and key
[addons] Applied essential addon: CoreDNS
[addons] Applied essential addon: kube-proxy

Your Kubernetes control-plane has initialized successfully!

To start using your cluster, you need to run the following as a regular user:

  mkdir -p $HOME/.kube
  sudo cp -i /etc/kubernetes/admin.conf $HOME/.kube/config
  sudo chown $(id -u):$(id -g) $HOME/.kube/config

Alternatively, if you are the root user, you can run:

  export KUBECONFIG=/etc/kubernetes/admin.conf

You should now deploy a pod network to the cluster.
Run "kubectl apply -f [podnetwork].yaml" with one of the options listed at:
  https://kubernetes.io/docs/concepts/cluster-administration/addons/

Then you can join any number of worker nodes by running the following on each as root:

kubeadm join 192.168.2.113:6443 --token xxxxxxxxxxxxx \
    --discovery-token-ca-cert-hash sha256:xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx
```

うまくいきました。

次の出力に従いコマンドを実行します。

```
To start using your cluster, you need to run the following as a regular user:

  mkdir -p $HOME/.kube
  sudo cp -i /etc/kubernetes/admin.conf $HOME/.kube/config
  sudo chown $(id -u):$(id -g) $HOME/.kube/config
```

実行します。

```
$ mkdir -p $HOME/.kube
$ sudo cp -i /etc/kubernetes/admin.conf $HOME/.kube/config
$ sudo chown $(id -u):$(id -g) $HOME/.kube/config
```

flannelをインストールします。
flannelのドキュメントページは[こちら](https://github.com/coreos/flannel#flannel)。

最新版をインストール。

```
$ kubectl apply -f https://raw.githubusercontent.com/coreos/flannel/master/Documentation/kube-flannel.yml
podsecuritypolicy.policy/psp.flannel.unprivileged created
clusterrole.rbac.authorization.k8s.io/flannel created
clusterrolebinding.rbac.authorization.k8s.io/flannel created
serviceaccount/flannel created
configmap/kube-flannel-cfg created
daemonset.apps/kube-flannel-ds created
```

うまくいきました。

動いているか確認します。

```
$ kubectl get pods -n kube-system -o wide | grep flannel
kube-flannel-ds-86kzb              1/1     Running   0          88s   192.168.2.113   raspi001   <none>           <none>
```

確認できました。

#### Workerノードの構築

Masterノードでのkubeadm initコマンド実行時に出力された
kubeadm joinというコマンドをWorkerノード2台で実行します。

```
$ kubeadm join 192.168.2.113:6443 --token xxxxxxxxxx \
>     --discovery-token-ca-cert-hash sha256:xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx
[preflight] Running pre-flight checks
        [WARNING IsDockerSystemdCheck]: detected "cgroupfs" as the Docker cgroup driver. The recommended driver is "systemd". Please follow the guide at https://kubernetes.io/docs/setup/cri/
        [WARNING SystemVerification]: missing optional cgroups: hugetlb
[preflight] Reading configuration from the cluster...
[preflight] FYI: You can look at this config file with 'kubectl -n kube-system get cm kubeadm-config -o yaml'
[kubelet-start] Writing kubelet configuration to file "/var/lib/kubelet/config.yaml"
[kubelet-start] Writing kubelet environment file with flags to file "/var/lib/kubelet/kubeadm-flags.env"
[kubelet-start] Starting the kubelet
[kubelet-start] Waiting for the kubelet to perform the TLS Bootstrap...

This node has joined the cluster:
* Certificate signing request was sent to apiserver and a response was received.
* The Kubelet was informed of the new secure connection details.

Run 'kubectl get nodes' on the control-plane to see this node join the cluster
```

もう1台のWorkerノードでも同様に実行します。

3台目のWorkerノードでswapoff -aコマンドを忘れていたため次のようなエラーが出力されました。

```
[preflight] Running pre-flight checks
        [WARNING IsDockerSystemdCheck]: detected "cgroupfs" as the Docker cgroup driver. The recommended driver is "systemd". Please follow the guide at https://kubernetes.io/docs/setup/cri/
        [WARNING SystemVerification]: missing optional cgroups: hugetlb
error execution phase preflight: [preflight] Some fatal errors occurred:
        [ERROR Swap]: running with swap on is not supported. Please disable swap
[preflight] If you know what you are doing, you can make a check non-fatal with `--ignore-preflight-errors=...`
To see the stack trace of this error execute with --v=5 or higher
```

swapoff -aコマンドを実行したところうまくいきました。

MasterノードにWorkerノードが表示されているか確認します。

```
$ kubectl get nodes
kubectl get nodes
NAME       STATUS   ROLES                  AGE     VERSION
raspi001   Ready    control-plane,master   72m     v1.20.2
raspi002   Ready    <none>                 7m39s   v1.20.2
raspi003   Ready    <none>                 4m25s   v1.20.2
```

Workerノードが表示されました。

Workerノードにラベルを追加します。

```
$ kubectl label node raspi002 node-role.kubernetes.io/worker=worker
node/raspi002 labeled
$ kubectl label node raspi003 node-role.kubernetes.io/worker=worker
node/raspi003 labeled
```

再度ノードを確認してみます。

```
$ kubectl get nodes
NAME       STATUS   ROLES                  AGE     VERSION
raspi001   Ready    control-plane,master   75m     v1.20.2
raspi002   Ready    worker                 10m     v1.20.2
raspi003   Ready    worker                 6m52s   v1.20.2
```

ラベルが付与されました。

これでkubernetesクラスタが完成しました。

今後はこのクラスタを活用して色々検証していこうと思います。