Como criar um cluster ou multi-cluster Kubernetes localmente, em uma máquina Windows, utilizando Hyper-V e Minikube?

Criei este guia com a intenção de, ao mesmo tempo que continuo desenvolvendo meus conhecimentos, também contribuo com o conhecimento que venho absorvendo de outros gigantes, que vem compartilhando muito conteúdo bom e de maneira gratuita.

Registro aqui meus agradecimentos para:

• Jeferson Fernando

• Marcelo Andrade

• Caio Delgado

Para quem esta procurando conteúdo em DevOps, SRE e IaC, estas são as pessoas que você deve acompanhar de perto pelas redes.

---

Antes de começar

PowerShell e Sistema Operacional utilizados

• PowerShell 7 (core)
• Windows 10/11 Professional

Windows 10/11 Single Language (Home) e Powershell 5 infelizmente não funciona com este guia.

O foco aqui é criar um ambiente para estudar Kubernetes e, se você tem apenas um computador com Windows, este guia é para você, agora se você já possui um sistema operacional Linux, recomendo que você treine o Kubernetes diretamente no Linux e descarte este guia ou, se quiser conhecer como as coisas funcionam no Windows será um prazer compartilhar.

Dito isto, neste guia usaremos o mínimo de programas externos, apenas o minikube e o kubectl, todo o resto será feito nativamente no sistema operacional Windows.

Todas as ações serão executadas via PowerShell, como boa parte dos comando requerem elevação das permissões, execute o terminal como a opção Executar como administrador.

---

Preparando o Sistema Operacional Host (Windows)

Cada nó kubernetes utilizará uma máquina virtual que será provisionada utilizando o virtualizador de hardware nativo do Windows, o Hyper-V, que não vem habilitado por padrão.

Habilitando o Hyper-V via PowerShell

Após a execução deste comando, o computador será reiniciado.

Enable-WindowsOptionalFeature -Online -FeatureName Microsoft-Hyper-V -All

---

Instalando minicube e kubectl

Para facilitar a gestão dos binários minikube e kubectl, colocaremos os dois binários em uma única pasta e adicionaremos a localização desta pasta à variável de ambiente Path, para que os binários possam ser executados de qualquer local no sistema apenas pelo seu nome.

Criando pasta minikube em C:

New-Item -Path 'c:\' -Name 'minikube' -ItemType Directory -Force

Adicionando c:\minikube a variável de ambiente "Path"

$oldPath = [Environment]::GetEnvironmentVariable('Path', [EnvironmentVariableTarget]::Machine)
 
if ($oldPath.Split(';') -inotcontains 'C:\minikube'){ `
  [Environment]::SetEnvironmentVariable('Path', $('{0};C:\minikube' -f $oldPath),
  [EnvironmentVariableTarget]::Machine) `
}

O primeiro comando, armazena o conteúdo atual da variável de ambiente "Path", para usar no segundo comando, que verifica se o item que queremos adicionar já existe e, caso o item não exista, c:\minikube será adicionado a variável de ambiente "Path"

Baixando os binários minikube e kubectl

Para utilizarmos o minikube e kubectl, iremos baixar os dois binários diretamente em c:\minikube.

Baixando a última versão do minikube

Invoke-WebRequest -OutFile 'c:\minikube\minikube.exe' -Uri 'https://github.com/kubernetes/minikube/releases/latest/download/minikube-windows-amd64.exe' -UseBasicParsing

Quando provisionei meu primeiro nó kubernetes, percebi que não foi baixado a ultima versão estável do kubernetes, para garantir que usaremos a última versão estável do kubernetes, iremos carregar, na variável $kubeVersion, a última versão estável do kubernetes.

Consultando a última versão estável do kubernetes

$kubeVersion = (Invoke-WebRequest 'https://dl.k8s.io/release/stable.txt').Content
Write-Output $kubeVersion

Baixando o kubectl

Aqui utilizaremos a variável $kubeVersion, que carrega a versão atual do kubernetes para garantir que ambos kubernetes e kubectl estejam na ultima versão estável, caso você tenha fechado o seu terminal, você deve executar o comando anterior novamente.

Invoke-WebRequest -OutFile 'c:\minikube\kubectl.exe' -Uri "https://dl.k8s.io/release/$kubeVersion/bin/windows/amd64/kubectl.exe" -UseBasicParsing

Neste ponto, você pode abrir um novo terminal e testar tanto o comando minikube como o kubectl.

---

Criando um cluster ou multi-cluster kubernetes

Aqui, criarei um cluster de nó único, que pode ser utilizado para estudos mesmo em uma máquina com poucos recursos e mais dois clusters kubernetes (lab-k8s-dev e lab-k8s-prod) idênticos para trabalhar em multi-cluster.

Aqui há um ponto que difere uma implantação "básica" do Kubernetes via minikube. Por padrão, a conexão externa do seu cluster sempre será via NAT (network address translation) e sempre que quiser acessar um recurso no seu cluster, você precisará criar um redirecionamento.

Para garantir que nosso cluster tenha um endereço local da nossa rede, iremos criar um virtual switch que fará uma bridge (ponte de rede) com uma interface física do computador host, garantindo o acesso direto ao cluster sem a necessidade da criação de redirecionamentos e podendo ser acessivel por outros dispositivos na sua rede local.

Obtendo o nome da interface física de rede

Seguindo o critério de "executar todas as ações via terminal", precisamos identificar qual interface física de rede usaremos, identificando o seu ID para usar na criação do virtual switch.

(Get-NetAdapter).Name

Exemplo de saída:

Ethernet
Conexão de Rede Bluetooth
Wi-Fi

Neste guia, usarei a interface de ID "Wi-Fi"):

Criando o Virtual Switch no Hyper-V

New-VMSwitch -name 'Minikube Switch' -NetAdapterName 'Wi-Fi' -AllowManagementOs $true -Notes 'Minikube: switch de comunicação com o Kubernetes.'

Exemplo de saída:

Name            SwitchType NetAdapterInterfaceDescription
----            ---------- ------------------------------
Minikube Switch External   Intel(R) Wi-Fi 6E AX210 160MHz

O sistema irá criar uma bridge entre o virtual switch e a interface física escolhida mas, por algum motivo (bug) que não sei explicar, após a criação desta bridge, a banda da minha interface física Wi-Fi ficou limitada a 8 Mbp/s. Se isto ocorrer com você, apenas desative e ative a bridge ("Ponte de Rede", no Windows) e este bug será corrigido.

(Get-NetAdapter).Name

Saída:

Ethernet
Ponte de Rede
Conexão de Rede Bluetooth
vEthernet (Minikube Switch)
Wi-Fi

Disable-NetAdapter -Name 'Ponte de Rede' -Confirm:$false
Start-Sleep -Seconds 5
Enable-NetAdapter -Name 'Ponte de Rede' -Confirm:$false

Criando um cluster Kubernetes de nó único

O Minikube diferencia um cluster através do parâmetro --profile, se este parâmetro for omitido, ele utiliza o default e sempre irá sobrepor a configuração anterior, caso você trabalhe com mais de um cluster, mesmo que de nó único, recomendo utilizar o parâmetro --profile <nome-do-cluster>, isto preservará as configuração do seu cluster e permitirá que o kubectl interaja com o seu cluster apenas trocando o contexto.

Criando cluster de nó unico

Em um novo terminal, carregue a variável $kubeVersion novamente.

$kubeVersion = (Invoke-WebRequest 'https://dl.k8s.io/release/stable.txt').Content
Write-Output $kubeVersion

Criando o cluster

minikube start --bootstrapper=kubeadm --driver=hyperv --hyperv-virtual-switch 'Minikube Switch' --kubernetes-version=$kubeVersion --memory=4096 --cpus=2 --profile=lab-k8s-01

Se você ver a saída abaixo, sucesso!!!

Done! kubectl is now configured to use "lab-k8s-01" cluster and "default" namespace by default

Note que neste momento, há dois namespaces disponíveis, lab-k8s-01 e default, lembrando que default não foi provisionado.

• Caso o comando retorne o erro No Major.Minor.Patch elements found, é porque a variável $kubeVersion não foi carregada.
• O parâmetro --bootstrapper, --memory e --cpus podem ser omitidos, eu prefiro usá-los para limitar os recursos do cluster.

Criando mais de um cluster com mais de um nó cada (multi-cluster)

No exemplo abaixo, criarei o cluster lab-k8s-prod e o lab-k8s-dev, cada um com 3 nós.

Cluster lab-k8s-prod

minikube start --bootstrapper=kubeadm --driver=hyperv --hyperv-virtual-switch 'Minikube Switch' --kubernetes-version=$kubeVersion --nodes=3 --memory=4096 --cpus=2 --profile=lab-k8s-prod

Cluster lab-k8s-dev

minikube start --bootstrapper=kubeadm --driver=hyperv --hyperv-virtual-switch 'Minikube Switch' --kubernetes-version=$kubeVersion --nodes=3 --memory=4096 --cpus=2 --profile=lab-k8s-dev

---

Verificando e testando o ambiente

Verificando as máquinas virtuais criadas

PS C:\> Get-VM
 
Name             State   CPUUsage(%) MemoryAssigned(M) Uptime           Status               Version
----             -----   ----------- ----------------- ------           ------               -------
lab-k8s-01       Running 1           4096              00:13:26.2690000 Operando normalmente 10.0
lab-k8s-dev      Running 1           4096              00:02:39.3880000 Operando normalmente 10.0
lab-k8s-dev-m02  Running 1           4096              00:01:01.4760000 Operando normalmente 10.0
lab-k8s-dev-m03  Running 10          4096              00:00:10.3750000 Operando normalmente 10.0
lab-k8s-prod     Running 0           4096              00:06:39.9310000 Operando normalmente 10.0
lab-k8s-prod-m02 Running 0           4096              00:05:02.0120000 Operando normalmente 10.0
lab-k8s-prod-m03 Running 0           4096              00:04:12.0960000 Operando normalmente 10.0
 
PS C:\>

Verificando os clusters provisionados pelo Minikube

minikube profile list

Saída:

PS C:\> minikube profile list
|--------------|-----------|---------|----------------|------|---------|---------|-------|
|   Profile    | VM Driver | Runtime |       IP       | Port | Version | Status  | Nodes |
|--------------|-----------|---------|----------------|------|---------|---------|-------|
| lab-k8s-01   | hyperv    | docker  | 192.168.31.248 | 8443 | v1.23.1 | Running |     1 |
| lab-k8s-dev  | hyperv    | docker  | 192.168.31.252 | 8443 | v1.23.1 | Running |     3 |
| lab-k8s-prod | hyperv    | docker  | 192.168.31.249 | 8443 | v1.23.1 | Running |     3 |
|--------------|-----------|---------|----------------|------|---------|---------|-------|
PS C:\>

IP da placa usada na bridge (Ponte de Rede)

(Get-NetIPAddress -InterfaceAlias 'Wi-Fi').IPAddress

Saída:

PS C:\> (Get-NetIPAddress -InterfaceAlias 'Wi-Fi').IPAddress
fe80::cda8:d636:2232:ad2e%6
192.168.31.81
PS C:\>

Aqui notamos o impácto da criação do virtual switch, a inteface física Wi-Fi e os nós dos clusters pertencem a mesma rede (192.168.31.0/24). Este tipo de implantação, também permite que qualquer outro equipamento na mesma rede acesse os clusters (ex: celular, tablet, computador, etc) para testar seus futuros deployments.

Verificando os clusters kubernetes disponíveis no seu ambiente

kubectl config get-contexts

Repare que o cluster lab-k8s-dev é o cluster corrente no kubectl

PS C:\> kubectl config get-contexts
CURRENT   NAME           CLUSTER        AUTHINFO       NAMESPACE
          lab-k8s-01     lab-k8s-01     lab-k8s-01     default
*         lab-k8s-dev    lab-k8s-dev    lab-k8s-dev    default
          lab-k8s-prod   lab-k8s-prod   lab-k8s-prod   default
PS C:\>
 

Trocando para o cluster lab-k8s-prod e listando todos os pods

kubectl config use-context lab-k8s-prod

Verificando o contexto selecionado pelo kubectl:

PS C:\> kubectl config get-contexts
CURRENT   NAME           CLUSTER        AUTHINFO       NAMESPACE
          lab-k8s-01     lab-k8s-01     lab-k8s-01     default
          lab-k8s-dev    lab-k8s-dev    lab-k8s-dev    default
*         lab-k8s-prod   lab-k8s-prod   lab-k8s-prod   default
PS C:\>

Listando todos os pods em todos os namespaces em lab-k8s-prod

PS C:\> kubectl get pods --all-namespaces
NAMESPACE     NAME                                   READY   STATUS    RESTARTS   AGE
kube-system   coredns-64897985d-9nwhj                1/1     Running   0          24m
kube-system   etcd-lab-k8s-prod                      1/1     Running   0          24m
kube-system   kindnet-4pprf                          1/1     Running   0          23m
kube-system   kindnet-bdpm2                          1/1     Running   0          24m
kube-system   kindnet-dgr7h                          1/1     Running   0          22m
kube-system   kube-apiserver-lab-k8s-prod            1/1     Running   0          24m
kube-system   kube-controller-manager-lab-k8s-prod   1/1     Running   0          24m
kube-system   kube-proxy-jkkc6                       1/1     Running   0          22m
kube-system   kube-proxy-lkxz8                       1/1     Running   0          24m
kube-system   kube-proxy-wz4p7                       1/1     Running   0          23m
kube-system   kube-scheduler-lab-k8s-prod            1/1     Running   0          24m
kube-system   storage-provisioner                    1/1     Running   0          24m
PS C:\>

Desligando um cluster específico

minikube stop --profile=lab-k8s-prod

Desligando todos os clusters

minikube stop --all

---

Considerações

Creio que, para quem possui apenas uma máquina com o sistema operacional Windows, este guia vai ajudar nos estudos e testes com Kubernetes.

---

Referências

Todos os comandos que utilizei neste guia, foram consultados nos sites das documentações oficiais das tecnologias empregadas aqui.

• Documentação PowerShell

• Documentação Minikube

• Documentação Kubectl

---