Mit ein paar günstigen RasPi-4-Mini-Computern und der leichtgewichtigen Kubernetes-Implementierung Microk8s von Canonical bauen Sie im Handumdrehen einen nützlichen Rechner-Cluster für zu Hause.
Ob ein einfacher Webserver für Security-Experimente, eine eigene Mediawiki-Instanz zum Aufzeichnen wertvoller Notizen oder eine lokale Gitlab-Installation zum Verwalten und automatisierten Übersetzen des Quellcodes: Eine private Mini-Rechen-Cloud, die für kleines Geld zu haben ist, wenig Strom verbraucht und somit dauerhaft im Betrieb sein kann, wäre für verschiedene Hobby-Projekte doch sehr praktisch. Erfreulicherweise gelingt ein solcher Aufbau mithilfe offener Hard- und Software in wenigen Stunden. Der vorliegende Artikel beschreibt eine auf RasPi-4-SBCs basierende Mini-Rechen-Cloud, auf der eine spezielle Kubernetes-Distribution für einen fast professionellen Betrieb verschiedener Applikationen sorgt.
Nachdem das Paket mit drei Raspberry-Pi-4-Minicomputern [1] (die Version mit 4 Gigabyte Arbeitsspeicher) endlich eingetroffen war, machte sich der Autor sofort daran, sie via Ethernet zu einem Cluster zu verbinden und Microk8s [2] von Canonical zu installieren. Dabei handelt es sich um eine leichtgewichtige, einfach zu installierende, weil nur aus einem Paket bestehende Kubernetes-Distribution aus dem Hause Canonical.
Da diese Distribution in Form eines Ubuntu-Snaps verfügbar ist, werden alle benötigten Binaries und die dazugehörigen Bibliotheken automatisch mitgeliefert, und alle Kubernetes-Dienste laufen auf Anhieb. Daher eignet sich diese Kubernetes-Version besonders gut für die Entwicklung von Prototypen, das Einrichten von Testinstallationen oder eben den Aufbau einer heimischen Mini-Rechen-Cloud für Hobbyprojekte. Trotz seiner geringen Größe ist Microk8s von der Cloud Native Computing Foundation [3] zertifiziert und somit bezüglich der Schnittstellen hundertprozentig kompatibel zum großen Bruder Kubernetes [4].
Die hier beschriebene Microk8s-Installation dauerte beim Autor insgesamt etwa zwei Stunden, wobei das eine oder andere nachgeschlagen werden musste. Mit ein wenig mehr Übung – und hoffentlich mithilfe dieses Artikels – kann man das sicherlich auch schneller bewerkstelligen. Die fertig eingerichtete Umgebung auf einem Raspberry-Pi-Cluster bietet dann eine tolle Spielwiese für das Experimentieren und den Betrieb Container-basierter Applikationen – und einen Hauch eines richtigen Rechenzentrums.
Die Hardware
Zusätzlich zu den Mini-Computern selbst benötigen Sie für jeden der RasPis noch drei Komponenten: ein Netzteil, eine MicroSD-Karte und ein Ethernet-Kabel.
Wenngleich es eine große Auswahl an kompatiblen Netzteilen gibt, hat der Autor sehr gute Erfahrungen mit den offiziell von der Raspberry Pi Foundation empfohlenen USB-C-Netzteilen [5] für den RasPi 4 gemacht und rät zu deren Verwendung.
Die MicroSD-Karte dient als nicht flüchtiger Speicher für das Betriebssystem Ubuntu, die Microk8s-Installation und die eigentlichen Applikationen. Für den hier beschriebenen Cluster kamen MicroSD-Karten von SanDisk mit 128 GByte Kapazität zum Einsatz.
Das Ethernet-Kabel stellt die Verbindung zwischen dem Raspberry Pi und dem Router oder Switch her und koppelt damit auch die einzelnen Rechner des Clusters. Aus Platzgründen können dabei flache Ethernet-Kabel vorteilhaft sein.
Ubuntu installieren
Im ersten Schritt müssen Sie auf den Mini-Rechnern ein Betriebssystem installieren. Für das hier beschriebene Setup diente aufgrund der umfangreichen Paket-Repositories und der Langzeitunterstützung (LTS) die Ubuntu Server Distribution von Canonical in der Version 18.04 als Basis. Inzwischen gibt es die Version 20.04 LTS von Ubuntu Server. Die hier beschriebenen Installationsanweisungen sind für beide Versionen gültig.
Das Ubuntu-Image für den Raspberry Pi beziehen Sie über die offizielle Ubuntu-Download-Seite [6]. Laden Sie von dort die 64-Bit-Version des Images herunter [7]. Die Prozessoren des Raspberry Pi basieren auf ARM-Kernen. Die neueste RasPi-4-Version setzt auf die BCM2711-CPU von Broadcom, die mit einer Taktfrequenz von 1,5 GHz läuft und einen 64-Bit-Quad-Core-Kern des Typs ARM Cortex-A72 unter der Haube hat. Da die ARM-Architektur einen eigenen Befehlssatz verwendet, würde ein Ubuntu-Image für x86-Prozessoren nicht funktionieren.
Nach Abschluss des Downloads entpacken Sie die Archivdatei mit dem Image von Ubuntu Server 20.04 zuerst mit einem der üblichen Programme, etwa mit Tar, und kopieren es anschließend auf die MicroSD-Karte. Die Download-Webseite von Canonical enthält dazu Anleitungen für Linux, MacOS und Windows.
Der Autor dieses Artikels ist üblicherweise zu faul, für die initiale Konfiguration einen Bildschirm und eine Tastatur an den Raspberry Pi anzuschließen. Stattdessen nutzt er die Möglichkeit, sich nach dem ersten Boot-Vorgang per SSH mit dem Mini-Rechner zu verbinden. Um den SSH-Dienst standardmäßig – also bereits beim allerersten Start – zu aktivieren, müssen Sie nach dem Beschreiben der MicroSD-Karte in deren Root-Verzeichnis eine Datei namens ssh anlegen, die auch leer sein darf. Das Vorhandensein der Datei aktiviert den SSH-Daemon beim ersten Boot-Vorgang, sodass Sie sich von vornherein über SSH mit dem Raspberry Pi verbinden können.
Damit es nun losgehen kann, bestücken Sie die Mini-Rechner noch mit den MicroSD-Karten, verbinden sie über Ethernet mit einem Router oder Switch und versorgen sie mit Strom. Um sich mit einem der RasPis zu verbinden, müssen Sie zuerst dessen IP-Adresse ermitteln. Dazu loggen Sie sich auf dem Router ein und sehen in der Liste der angeschlossenen Geräte nach. Haben Sie während des Beschreibens der MicroSD-Karten keine weiteren Einstellungen verändert (außer dem Aktivieren des SSH-Daemons), erscheinen die RasPis unter dem Namen ubuntu.
