k8s之数据存储

Kubernetes 如何管理存储资源。

首先我们会学习 Volume，以及 Kubernetes 如何通过 Volume 为集群中的容器提供存储；然后我们会实践几种常用的 Volume 类型并理解它们各自的应用场景；最后，我们会讨论 Kubernetes 如何通过 Persistent Volume 和 Persistent Volume Claim 分离集群管理员与集群用户的职责，并实践 Volume 的静态供给和动态供给。

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Volume

本节我们讨论 Kubernetes 的存储模型 Volume，学习如何将各种持久化存储映射到容器。

我们经常会说：容器和 Pod 是短暂的。
其含义是它们的生命周期可能很短，会被频繁地销毁和创建。容器销毁时，保存在容器内部文件系统中的数据都会被清除。

为了持久化保存容器的数据，可以使用 Kubernetes Volume。

Volume 的生命周期独立于容器，Pod 中的容器可能被销毁和重建，但 Volume 会被保留。

本质上，Kubernetes Volume 是一个目录，这一点与 Docker Volume 类似。当 Volume 被 mount 到 Pod，Pod 中的所有容器都可以访问这个 Volume。Kubernetes Volume 也支持多种 backend 类型，包括 emptyDir、hostPath、GCE Persistent Disk、AWS Elastic Block Store、NFS、Ceph 等，完整列表可参考 https://kubernetes.io/docs/concepts/storage/volumes/#types-of-volumes

Volume 提供了对各种 backend 的抽象，容器在使用 Volume 读写数据的时候不需要关心数据到底是存放在本地节点的文件系统中呢还是云硬盘上。对它来说，所有类型的 Volume 都只是一个目录。

我们将从最简单的 emptyDir 开始学习 Kubernetes Volume。

emptyDir

emptyDir 是最基础的 Volume 类型。正如其名字所示，一个 emptyDir Volume 是 Host 上的一个空目录。

emptyDir Volume 对于容器来说是持久的，对于 Pod 则不是。当 Pod 从节点删除时，Volume 的内容也会被删除。但如果只是容器被销毁而 Pod 还在，则 Volume 不受影响。

也就是说：emptyDir Volume 的生命周期与 Pod 一致。

Pod 中的所有容器都可以共享 Volume，它们可以指定各自的 mount 路径。下面通过例子来实践 emptyDir，配置文件如下：

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: producer-consumer
spec:
  containers:
  - image: busybox
    name: producer
    volumeMounts:
    - mountPath: /producer_dir
      name: shared-volume
    args:
    - /bin/sh
    - -c
    - echo "hello world"> /producer_dir/hello ; sleep 30000

  - image: busybox
    name: consumer
    volumeMounts:
    - mountPath: /consumer_dir
      name: shared-volume
    args:
    - /bin/sh
    - -c
    - cat /consumer_dir/hello ; sleep 30000

  volumes:
  - name: shared-volume
    emptyDir: {}

这里我们模拟了一个 producer-consumer 场景。Pod 有两个容器 producer和 consumer，它们共享一个 Volume。producer 负责往 Volume 中写数据，consumer 则是从 Volume 读取数据。

① 文件最底部 volumes 定义了一个 emptyDir 类型的 Volume shared-volume。

② producer 容器将 shared-volume mount 到 /producer_dir 目录。

③ producer 通过 echo 将数据写到文件 hello 里。

④ consumer 容器将 shared-volume mount 到 /consumer_dir 目录。

⑤ consumer 通过 cat 从文件 hello 读数据。

执行如下命令创建 Pod：

# kubectl apply -f emptyDir.yaml
pod/producer-consumer created

# kubectl get pod
NAME                READY   STATUS    RESTARTS   AGE
producer-consumer   2/2     Running   0          87s

# kubectl logs producer-consumer consumer 
hello world

kubectl logs 显示容器 consumer 成功读到了 producer 写入的数据，验证了两个容器共享 emptyDir Volume。

因为 emptyDir 是 Docker Host 文件系统里的目录，其效果相当于执行了 docker run -v /producer_dir 和 docker run -v /consumer_dir。通过 docker inspect 查看容器的详细配置信息，我们发现两个容器都 mount 了同一个目录：

 {
                "Type": "bind",
                "Source": "/var/lib/kubelet/pods/188767a3-cf18-4bf9-a89b-b0c4cf4124bb/volumes/kubernetes.io~empty-dir/shared-volume",
                "Destination": "/consumer_dir",
                "Mode": "",
                "RW": true,
                "Propagation": "rprivate"
            }

"Mounts": [
            {
                "Type": "bind",
                "Source": "/var/lib/kubelet/pods/188767a3-cf18-4bf9-a89b-b0c4cf4124bb/volumes/kubernetes.io~empty-dir/shared-volume",
                "Destination": "/producer_dir",
                "Mode": "",
                "RW": true,
                "Propagation": "rprivate"
            },

这里 /var/lib/kubelet/pods/3e6100eb-a97a-11e7-8f72-0800274451ad/volumes/kubernetes.io~empty-dir/shared-volume 就是 emptyDir 在 Host 上的真正路径。

emptyDir 是 Host 上创建的临时目录，其优点是能够方便地为 Pod 中的容器提供共享存储，不需要额外的配置。但它不具备持久性，如果 Pod 不存在了，emptyDir 也就没有了。根据这个特性，emptyDir 特别适合 Pod 中的容器需要临时共享存储空间的场景，比如前面的生产者消费者用例。

hostPath Volume。

hostPath Volume 的作用是将 Docker Host 文件系统中已经存在的目录 mount 给 Pod 的容器。大部分应用都不会使用 hostPath Volume，因为这实际上增加了 Pod 与节点的耦合，限制了 Pod 的使用。不过那些需要访问 Kubernetes 或 Docker 内部数据（配置文件和二进制库）的应用则需要使用 hostPath。

比如 kube-apiserver 和 kube-controller-manager 就是这样的应用，通过

kubectl edit --namespace=kube-system pod kube-apiserver-k8s-master
查看 kube-apiserver Pod 的配置，下面是 Volume 的相关部分：

   volumeMounts:
    - mountPath: /etc/ssl/certs
      name: ca-certs
      readOnly: true
    - mountPath: /etc/pki
      name: etc-pki
      readOnly: true
    - mountPath: /etc/kubernetes/pki
      name: k8s-certs
      readOnly: true

  volumes:
  - hostPath:
      path: /etc/ssl/certs
      type: DirectoryOrCreate
    name: ca-certs
  - hostPath:
      path: /etc/pki
      type: DirectoryOrCreate
    name: etc-pki
  - hostPath:
      path: /etc/kubernetes/pki
      type: DirectoryOrCreate
    name: k8s-certs

这里定义了三个 hostPath volume k8s、certs 和 pki，分别对应 Host 目录 /etc/kubernetes、/etc/ssl/certs 和 /etc/pki。

如果 Pod 被销毁了，hostPath 对应的目录也还会被保留，从这点看，hostPath 的持久性比 emptyDir 强。不过一旦 Host 崩溃，hostPath 也就没法访问了。

真正持久性的 Volume。

外部 Storage Provider

如果 Kubernetes 部署在诸如 AWS、GCE、Azure 等公有云上，可以直接使用云硬盘作为 Volume，下面是 AWS Elastic Block Store 的例子：

要在 Pod 中使用 ESB volume，必须先在 AWS 中创建，然后通过 volume-id 引用。其他云硬盘的使用方法可参考各公有云厂商的官方文档。

Kubernetes Volume 也可以使用主流的分布式存，比如 Ceph、GlusterFS 等，下面是 Ceph 的例子：

Ceph的 /some/path/in/side/cephfs 目录被 mount 到容器路径 /test-ceph。

相对于 emptyDir 和 hostPath，这些 Volume 类型的最大特点就是不依赖 Kubernetes。Volume 的底层基础设施由独立的存储系统管理，与 Kubernetes 集群是分离的。数据被持久化后，即使整个 Kubernetes 崩溃也不会受损。

当然，运维这样的存储系统通常不是项简单的工作，特别是对可靠性、高可用和扩展性有较高要求时。

Volume 提供了非常好的数据持久化方案，不过在可管理性上还有不足。下一节我们将学习具有更高管理性的存储方案：PersistentVolume & PersistentVolumeClaim。

PV & PVC

Volume 提供了非常好的数据持久化方案，不过在可管理性上还有不足。

拿前面 AWS EBS 的例子来说，要使用 Volume，Pod 必须事先知道如下信息：

当前 Volume 来自 AWS EBS。
EBS Volume 已经提前创建，并且知道确切的 volume-id。

Pod 通常是由应用的开发人员维护，而 Volume 则通常是由存储系统的管理员维护。开发人员要获得上面的信息：

要么询问管理员。
要么自己就是管理员。

这样就带来一个管理上的问题：应用开发人员和系统管理员的职责耦合在一起了。如果系统规模较小或者对于开发环境这样的情况还可以接受。但当集群规模变大，特别是对于生成环境，考虑到效率和安全性，这就成了必须要解决的问题。

Kubernetes 给出的解决方案是 PersistentVolume 和 PersistentVolumeClaim。

PersistentVolume (PV) 是外部存储系统中的一块存储空间，由管理员创建和维护。与 Volume 一样，PV 具有持久性，生命周期独立于 Pod。

PersistentVolumeClaim (PVC) 是对 PV 的申请 (Claim)。PVC 通常由普通用户创建和维护。需要为 Pod 分配存储资源时，用户可以创建一个 PVC，指明存储资源的容量大小和访问模式（比如只读）等信息，Kubernetes 会查找并提供满足条件的 PV。

有了 PersistentVolumeClaim，用户只需要告诉 Kubernetes 需要什么样的存储资源，而不必关心真正的空间从哪里分配，如何访问等底层细节信息。这些 Storage Provider 的底层信息交给管理员来处理，只有管理员才应该关心创建 PersistentVolume 的细节信息。

Kubernetes 支持多种类型的 PersistentVolume，比如 AWS EBS、Ceph、NFS 等，完整列表请参考 https://kubernetes.io/docs/concepts/storage/persistent-volumes/#types-of-persistent-volumes

NFS PersistentVolume

通过 NFS 实践PV和PVC。

作为准备工作，我们已经在 k8s-master 节点上搭建了一个 NFS 服务器，目录为 /nfsdata：

[root@k8s-master ~]# showmount -e
Export list for k8s-master:
/nfsdata 192.168.168.0/24

下面创建一个 PV mypv1，配置文件 nfs-pv1.yml 如下：

apiVersion: v1
kind: PersistentVolume
metadata:
  name: mypv1
spec:
  capacity:
    storage: 1Gi
  accessModes:
    - ReadWriteOnce
  persistentVolumeReclaimPolicy: Recycle
  storageClassName: nfs
  nfs:
    path: /nfsdata/pv1
    server: 192.168.168.10

① capacity 指定 PV 的容量为 1G。

② accessModes 指定访问模式为 ReadWriteOnce，支持的访问模式有：
ReadWriteOnce – PV 能以 read-write 模式 mount 到单个节点。
ReadOnlyMany – PV 能以 read-only 模式 mount 到多个节点。
ReadWriteMany – PV 能以 read-write 模式 mount 到多个节点。

③ persistentVolumeReclaimPolicy 指定当 PV 的回收策略为 Recycle，支持的策略有：
Retain – 需要管理员手工回收。
Recycle – 清除 PV 中的数据，效果相当于执行 rm -rf /thevolume/*。
Delete – 删除 Storage Provider 上的对应存储资源，例如 AWS EBS、GCE PD、Azure Disk、OpenStack Cinder Volume 等。

④ storageClassName 指定 PV 的 class 为 nfs。相当于为 PV 设置了一个分类，PVC 可以指定 class 申请相应 class 的 PV。

⑤ 指定 PV 在 NFS 服务器上对应的目录。

创建 mypv1：

[root@k8s-master ~]# kubectl apply -f nfs-pv1.yml 
persistentvolume/mypv1 created
[root@k8s-master ~]# kubectl get pv
NAME    CAPACITY   ACCESS MODES   RECLAIM POLICY   STATUS      CLAIM   STORAGECLASS   REASON   AGE
mypv1   1Gi        RWO            Recycle          Available           nfs                     7s

STATUS 为 Available，表示 mypv1 就绪，可以被 PVC 申请。

接下来创建 PVC mypvc1，配置文件 nfs-pvc1.yml 如下：

kind: PersistentVolumeClaim
apiVersion: v1
metadata:
  name: mypvc1
spec:
  accessModes:
    - ReadWriteOnce
  resources:
    requests:
      storage: 1Gi
  storageClassName: nfs

PVC 就很简单了，只需要指定 PV 的容量，访问模式和 class。

创建 mypvc1：

[root@k8s-master ~]# kubectl apply -f nfs-pvc1.yml 
persistentvolumeclaim/mypvc1 created
[root@k8s-master ~]# kubectl get pvc
NAME     STATUS   VOLUME   CAPACITY   ACCESS MODES   STORAGECLASS   AGE
mypvc1   Bound    mypv1    1Gi        RWO            nfs            6s
[root@k8s-master ~]# kubectl get pv
NAME    CAPACITY   ACCESS MODES   RECLAIM POLICY   STATUS   CLAIM            STORAGECLASS   REASON   AGE
mypv1   1Gi        RWO            Recycle          Bound    default/mypvc1   nfs                     2m18s
[root@k8s-master ~]#

从 kubectl get pvc 和 kubectl get pv 的输出可以看到 mypvc1 已经 Bound 到 mypv1，申请成功。

接下来就可以在 Pod 中使用存储了，Pod 配置文件 pod1.yml 如下：

kind: Pod
apiVersion: v1
metadata:
  name: mypod1
spec:
  containers:
    - name: mypod1
      image: busybox
      args:
      - /bin/sh
      - -c
      - sleep 30000
      volumeMounts:
      - mountPath: "/mydata"
        name: mydata
  volumes:
    - name: mydata
      persistentVolumeClaim:
        claimName: mypvc1

与使用普通 Volume 的格式类似，在 volumes 中通过 persistentVolumeClaim 指定使用 mypvc1 申请的 Volume。

创建 mypod1：

[root@k8s-master ~]# kubectl apply -f pod1.yml
pod/mypod1 created

[root@k8s-master ~]# kubectl get pod -o wide     
NAME     READY   STATUS    RESTARTS   AGE     IP           NODE        NOMINATED NODE   READINESS GATES
mypod1   1/1     Running   0          3m19s   10.244.1.2   k8s-node1

验证 PV 是否可用：

[root@k8s-master ~]# kubectl exec mypod1 touch /mydata/hello
[root@k8s-master ~]# ll /nfsdata/pv1/
total 0
-rw-r--r-- 1 root root 0 Oct 12 16:36 hello

可见，在 Pod 中创建的文件 /mydata/hello 确实已经保存到了 NFS 服务器目录 /nfsdata/pv1 中。

如果不再需要使用 PV，可用删除 PVC 回收 PV。

MySQL 如何使用 PV 和 PVC？

本节演示如何为 MySQL 数据库提供持久化存储，步骤为：

创建 PV 和 PVC。

部署 MySQL。

向 MySQL 添加数据。

模拟节点宕机故障，Kubernetes 将 MySQL 自动迁移到其他节点。

验证数据一致性。

首先创建 PV 和 PVC，配置如下：

mysql-pv.yml

apiVersion: v1
kind: PersistentVolume
metadata:
  name: mysql-pv
spec:
  accessModes:
    - ReadWriteOnce
  capacity:
    storage: 1Gi
  persistentVolumeReclaimPolicy: Retain
  storageClassName: nfs
  nfs:
    path: /nfsdata/mysql-pv
    server: 192.168.77.10

mysql-pvc.yml

kind: PersistentVolumeClaim
apiVersion: v1
metadata: 
  name: mysql-pvc
spec:
  accessModes:
    - ReadWriteOnce
  resources:
    requests:
      storage: 1Gi
  storageClassName: nfs

创建 mysql-pv 和 mysql-pvc：

接下来部署 MySQL，配置文件如下：

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: mysql
spec:
  ports:
  - port: 3306
  selector:
    app: mysql

---
apiVersion: apps/v1beta1
kind: Deployment
metadata:
  name: mysql
spec:
  selector:
    matchLabels:
      app: mysql
  template:
    metadata:
      labels:
        app: mysql
    spec:
      containers:
      - image: mysql:5.6
        name: mysql
        env:
        - name: MYSQL_ROOT_PASSWORD
          value: password
        ports:
        - containerPort: 3306
          name: mysql
        volumeMounts:
        - name: mysql-persistent-storage
          mountPath: /var/lib/mysql
      volumes:
      - name: mysql-persistent-storage
        persistentVolumeClaim:
          claimName: mysql-pvc

PVC mysql-pvc Bound 的 PV mysql-pv 将被 mount 到 MySQL 的数据目录 var/lib/mysql。

MySQL 被部署到 k8s-node2，下面通过客户端访问 Service mysql：

# kubectl run -it --rm --image=mysql:5.6 --restart=Never mysql-client -- mysql -h mysql -ppassword

更新数据库：

[root@k8s-master ~]# kubectl run -it --rm --image=mysql:5.6 --restart=Never mysql-client -- mysql -h mysql -ppassword
If you don't see a command prompt, try pressing enter.

mysql> use mysql 
Reading table information for completion of table and column names
You can turn off this feature to get a quicker startup with -A

Database changed
mysql> create table my_id(id int(4));
Query OK, 0 rows affected (0.09 sec)

mysql> insert into my_id values(111);
Query OK, 1 row affected (0.00 sec)

mysql> select * from my_id;
+------+
| id   |
+------+
|  111 |
+------+
1 row in set (0.00 sec)

① 切换到数据库 mysql。

② 创建数据库表 my_id。

③ 插入一条数据。

④ 确认数据已经写入。

关闭 k8s-node2，模拟节点宕机故障。

# systemctl poweroff

一段时间后，Kubernetes 将 MySQL 迁移到 k8s-node1。

[root@k8s-master ~]# kubectl get pod
NAME                     READY   STATUS        RESTARTS   AGE
mysql-84bdf65dd5-bjz8b   1/1     Terminating   0          22m
mysql-84bdf65dd5-ddlhc   1/1     Running       0          34s

验证数据的一致性：

[root@k8s-master ~]# kubectl run -it --rm --image=mysql:5.6 --restart=Never mysql-client -- mysql -h mysql -ppassword           If you don't see a command prompt, try pressing enter.

mysql> use mysql
Reading table information for completion of table and column names
You can turn off this feature to get a quicker startup with -A

Database changed

mysql> select * from my_id;
+------+
| id   |
+------+
|  111 |
+------+
1 row in set (0.01 sec)

mysql> quit

MySQL 服务恢复，数据也完好无损。

emptyDir 和 hostPath 类型的 Volume 很方便，但可持久性不强，Kubernetes 支持多种外部存储系统的 Volume。

PV 和 PVC 分离了管理员和普通用户的职责，更适合生产环境。。

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