K8S存储卷，PV和PVC

Posted 2022-04-12 Richard_Chiang

K8S存储卷，PV和PVC

存储卷

容器磁盘上的文件的生命周期是短暂的，这就使得在容器中运行重要应用时会出现一些问题。首先， 当容器崩溃时，kubelet会重启它，但是容器中的文件将丢失容器以干净的状态 （镜像最初的状态）重新启动。其次，在Pod中同时运行多个容器时，这些容器之间通常需要共享文件。Kubernetes 中的Volume抽象就很好的解决了这些问题。Pod中的容器通过Pause容器共享Volume。

官方文档：https://kubernetes.io/zh/docs/concepts/storage/volumes/

emptyDir存储卷

当Pod被分配给节点时，首先创建emptyDir卷，并且只要该Pod在该节点上运行，该卷就会存在。正如卷的名字所述，它最初是空的。Pod中的容器可以读取和写入emptyDir卷中的相同文件，尽管该卷可以挂载到每个容器中的相同或不同路径上。当出于任何原因从节点中删除Pod时，emptyDir中的数据将被永久删除。

mkdir test
cd /test
vim pod4.yaml
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: nginx
  labels:
    app: nginx
spec:
  containers:
  - name: nginx1
    image: nginx
    ports:
    - name: http
      containerPort: 80
    volumeMounts:                       #定义容器挂载内容
    - name: html                        #使用存储卷名称，如果跟下面volume字段name值相同，则表示使用volume的这个存储卷
      mountPath: /usr/share/nginx/html/ #挂载至容器中哪个目录
  - name: nginx2
    image: nginx
    volumeMounts:
    - name: html
      mountPath: /data/
    command: [/bin/bash,-c,while true;do echo $(date) >> /data/index.html;sleep 2;done]
  volumes:
  - name: html
    emptyDir: 

kubectl exec -it nginx -c nginx2 sh     #-c指定pod里面的容器名进入

hostPath存储卷

hostPath卷将 node 节点的文件系统中的文件或目录挂载到集群中。
hostPath可以实现持久存储，但是在node节点故障时，也会导致数据的丢失。

#在node01节点上创建挂载目录
mkdir -p /data/pod/volume
echo node1.com > /data/pod/volume/index.html

#在node02节点上创建挂载目录
mkdir -p /data/pod/volume
echo node2.com > /data/pod/volume/index.html

创建 Pod 资源

vim pod-hostpath.yaml 
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  labels: 
    run: myapp
  name: pod1-hostpath
spec:
  volumes:
  - name: html                              #定义存储卷名称
    hostPath:                               #路径，宿主机存储路径
      path: /data/pod/volume                #在宿主机上目录的路径
      type: DirectoryOrCreate               #定义类型，如果宿主机没有此目录会自动创建
  containers:
  - image: soscscs/myapp:v1
    name: nginx
    ports: 
    - containerPort: 80
    volumeMounts:                           #定义容器挂载内容
    - name: html                            #使用存储卷名称于volume定义的name相同
      mountPath: /usr/share/nginx/html/     #定义容器内的挂载目录
      readOnly: false                       #读写挂载方式，默认为读写模式false             

kubectl apply -f pod-hostpath.yaml
kubectl create -f pod-hostpath.yaml
#访问测试
kubectl get pods -o wide
curl 10.244.2.6                             #删除pod重建文件内容依然存在，直接修改主机内的目录也可以

nfs共享存储卷

nfs其实并不是存储设备，它只是一个远程共享存储服务，它可以把文件服务器的文件系统（LVM，raid）给共享出去
生产环境中用NAS（企业级专业存储设备）+ nfs 给共享出去

在新节点（node3）安装nfs并配置服务

systemctl stop firewalld
setenforce 0
rpm -q nfs-utils rpcbind

mkdir /data/nfs-volume -p
chmod 777 /data/nfs-volume/

vim /etc/exports
/data/nfs-volume 192.168.80.0/24(rw,no_root_squash)

systemctl start rpcbind
systemctl start nfs

showmount -e
Export list for localhost.localdomain:
/data/nfs-volume 192.168.80.0/24
hostnamectl set-hostname stor01
cd /data/nfs-volume/
echo node3 > /data/nfs-volume/index.html

master节点操作，k8s集群需要添加主机名映射

vim pod6.yaml 
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: nginx
spec:
  containers:
  - name: nginx
    image: nginx
    volumeMounts:
    - name: html
      mountPath: /usr/share/nginx/html/
  volumes:
    - name: html
      nfs:                                          #指定挂载类型为nfs
        path: /data/nfs-volume/                                         
        server: stor01                              #指定nfs服务器名，只能是主机名不能为IP地址

kubectl apply -f nginx.yaml
kubectl get pods -o wide
kubectl exec -it nginx bash
cat /data/nfs-volume/index.html

K8S存储卷volume小结

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PV和PVC

官方文档：https://kubernetes.io/zh/docs/concepts/storage/storage-classes/

PV全称叫做Persistent Volume，持久化存储卷。它是用来描述或者说用来定义一个存储卷的，这个通常都是由运维工程师来定义。
PVC的全称是Persistent Volume Claim，是持久化存储的请求。它是用来描述希望使用什么样的或者说是满足什么条件的PV存储。
PVC的使用逻辑：在pod中定义一个存储卷（该存储卷类型为PVC），定义的时候直接指定大小，PVC必须与对应的PV建立关系，PVC会根据配置的定义去PV申请，而PV是由存储空间创建出来的。PV和PVC是Kubernetes抽象出来的一种存储资源。

上面介绍的PV和PVc模式是需要运维人员先创建好PV，然后开发人员定义好PVC进行一对一的Bond，但是如果PVC请求成千上万，那么就需要创建成千上万的PV，对于运维人员来说维护成本很高，Kubernetes提供一种自动创建PV的机制，叫StorageClass，它的作用就是创建PV的模板。

创建StorageClass需要定义PV的属性，比如存储类型、大小等；另外创建这种PV需要用到的存储插件，比如Ceph等。
有了这两部分信息，Kubernetes就能够根据用户提交的PVC，找到对应的Storageclass，然后Kubernetes就会调用StorageClass声明的存储插件，自动创建需要的PV并进行绑定。

PV和PVC之间的相互作用遵循这个生命周期：

Provisioning（配置）---> Binding（绑定）--->Using（使用）---> Releasing（释放）---> Recycling（回收）

Provisioning，即PV的创建，可以直接创建PV（静态方式），也可以使用StorageClass动态创建
Binding，将PV分配给PVC
Using，Pod通过PVC使用该Volume，并可以通过准入控制StorageProtection（1.9及以前版木为PVCProtection）阻止删除正在使用的PVC
Releasing，Pod释放Volume并删除PVC
Reclaiming，回收PV，可以保留PV以便下次使用，也可以直接从云存储中删除

根据这5个阶段，PV的状态有以下4种：

• Available（可用）：表示可用状态，还未被任何PVC绑定
• Bound（已绑定）：表示PV己经绑定到PVC
• Released（已释放）：表示PvC被删掉，但是资源尚未被集群回收
• Failed（失败）：丧示该PV的自动回收失败

一个PV从创建到销毁的具体流程如下：

1. 一个PV创建完后状态会变成Available，等待被PVc绑定。
2. 一旦被PVC邦定，PV的状态会变成Bound，就可以被定义了相应PVC的Pod使用。
3. Pod使用院后会释放PV，PV的状态变成Released。
4. 变成Released的PV会根据定义的回收策略做相应的回收工作。有三种回收策略，Retain、Delete和Recycle。Retain就是保留现场，K8S集群什么也不做，等待用户手动去处理PV里的数据，处理完后，再手动删除PV。Delete策略，K8S会自动删除该PV及里面的数据。Recycle方式，K8S会将PV里的数据制除，然后把PV的状态变成Available，又可以被新的PVC绑定使用。

格式

kubectl explain pv                                   #查看pv的定义方式
FIELDS:
    apiVersion 
    kind 
    metadata 
    spec

kubectl explain pv.spec                              #查看pv定义的规格
spec:
  nfs（定义存储类型）
    path（定义挂载卷路径）
    server（定义服务器名称）
  accessModes（定义访问模型，有以下三种访问模型，以列表的方式存在，也就是说可以定义多个访
问模式）
ReadWriteOnce（RWO） 单节点读写    
ReadOnlyMany（ROX）多节点只读    
ReadWriteMany（RWX）多节点读写
  persistentVolumeReclaimPolicy: Retain              #可以定义回收策略
  capacity（定义PV空间的大小）
    storage（指定大小）
kubectl explain pvc                                  #查看PVC的定义方式
KIND: PersistentVolumeClaim
VERSION: v1 
FIELDS:
   apiVersion <string>
   kind <string>
   metadata <Object>
   spec <Object>

kubectl explain pvc.spec 
spec:
  accessModes（定义访问模式，必须是P的访问模式的子集）
  resources （定义申请资源的大小）
requests:       
storage:

NFS使用PV和PVC

静态绑定PV

配置nfs共享目录

创建pv资源设置存储大小访问模式存储卷类型（nfs）

创建pvc资源，配置请求pv资源的大小和访问模式

创建pod资源，存储卷类型设置成persistentVolumeClaim，在容器内挂载存储卷

1、单独一台机器配置nfs存储

mkdir -p /data/v1,2,3,4,5
chmod 777 /data/v1,2,3,4,5

vim /etc/exports
/data/v1 192.168.80.0/24(rw,no_root_squash)
/data/v2 192.168.80.0/24(rw,no_root_squash)
/data/v3 192.168.80.0/24(rw,no_root_squash)
/data/v4 192.168.80.0/24(rw,no_root_squash)
/data/v5 192.168.80.0/24(rw,no_root_squash)
exportfs -arv 
showmount -e

2、定义PV

这里定义5个PV，并且定义挂载的路径以及访问模式，还有PV划分的大小。
vim pv.yaml 
apiVersion: v1
kind: PersistentVolume
metadata:
  name: pv01
  labels:
    name: pv01
spec:
  nfs:
    path: /data/v1
    server: nfs01
  accessModes: ["ReadWriteMany","ReadWriteOnce"]
  capacity:
    storage: 1Gi
---
apiVersion: v1
kind: PersistentVolume
metadata:
  name: pv02
  labels:
    name: pv02
spec:
  nfs:
    path: /data/v2
    server: nfs01
  accessModes: ["ReadWriteOnce"]
  capacity:
    storage: 2Gi
---
apiVersion: v1
kind: PersistentVolume
metadata:
  name: pv03
  labels:
    name: pv03
spec:
  nfs:
    path: /data/v3
    server: nfs01
  accessModes: ["ReadWriteMany","ReadWriteOnce"]
  capacity:
    storage: 2Gi
---
apiVersion: v1
kind: PersistentVolume
metadata:
  name: pv04
  labels:
    name: pv04
spec:
  nfs:
    path: /data/v4
    server: nfs01
  accessModes: ["ReadWriteMany","ReadWriteOnce"]
  capacity:
    storage: 4Gi
---
apiVersion: v1
kind: PersistentVolume
metadata:
  name: pv05
  labels:
    name: pv05
spec:
  nfs:
    path: /data/v5
    server: nfs01
  accessModes: ["ReadWriteMany","ReadWriteOnce"]
  capacity:
    storage: 5Gi
 
kubectl create -f pv.yaml 
 
kubectl get pv

3、定义PVC

这里定义了pvc的访问模式为多路读写，该访问模式必须在前面pv定义的访问模式之中。定义PVc申请的大小为2Gi，此时PVC会自动去匹配多路读写且大小为2Gi的PV，匹配成功获取PVC的状态即为Bound（需要做好node节点和nfs服务器的映射）
vim pvc.yaml
apiVersion: v1
kind: PersistentVolumeClaim
metadata:
  name: nginxpvc
spec:
  accessModes: ["ReadWriteOnce"]
  resources:
    requests:
      storage: 2Gi
---
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: nginx01
spec:
  containers:
  - name: nginx
    image: nginx
    ports:
    - containerPort: 80
    volumeMounts:
    - name: html
      mountPath: /usr/share/nginx/html
  volumes:
    - name: html
      persistentVolumeClaim:
        claimName: nginxpvc

搭建StorageClass+NFS的动态PV创建

Kubernetes 本身支持的动态 PV 创建不包括 NFS，所以需要使用外部存储卷插件分配PV

详见：https://kubernetes.io/zh/docs/concepts/storage/storage-classes/

卷插件称为 Provisioner（存储分配器），NFS 使用的是 nfs-client，这个外部卷插件会使用已经配置好的 NFS 服务器自动创建 PV。
Provisioner：用于指定 Volume 插件的类型，包括内置插件（如 kubernetes.io/aws-ebs）和外部插件（如 external-storage 提供的 ceph.com/cephfs）。

1、在stor01节点上安装nfs，并配置nfs服务

mkdir /opt/k8s
chmod 777 /opt/k8s/

vim /etc/exports
/opt/k8s 192.168.80.0/24(rw,no_root_squash,sync)

systemctl restart nfs

2、创建Service Account，用来管理NFS Provisioner在 k8s 集群中运行的权限，设置nfs-client对PV，PVC，StorageClass等的规则

vim nfs-client-rbac.yaml
#创建 Service Account 账户，用来管理 NFS Provisioner 在 k8s 集群中运行的权限
apiVersion: v1
kind: ServiceAccount
metadata:
  name: nfs-client-provisioner
---
#创建集群角色
apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1
kind: ClusterRole
metadata:
  name: nfs-client-provisioner-clusterrole
rules:
  - apiGroups: [""]
    resources: ["persistentvolumes"]
    verbs: ["get", "list", "watch", "create", "delete"]
  - apiGroups: [""]
    resources: ["persistentvolumeclaims"]
    verbs: ["get", "list", "watch", "update"]
  - apiGroups: ["storage.k8s.io"]
    resources: ["storageclasses"]
    verbs: ["get", "list", "watch"]
  - apiGroups: [""]
    resources: ["events"]
    verbs: ["list", "watch", "create", "update", "patch"]
  - apiGroups: [""]
    resources: ["endpoints"]
    verbs: ["create", "delete", "get", "list", "watch", "patch", "update"]
---
#集群角色绑定
apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1
kind: ClusterRoleBinding
metadata:
  name: nfs-client-provisioner-clusterrolebinding
subjects:
- kind: ServiceAccount
  name: nfs-client-provisioner
  namespace: default
roleRef:
  kind: ClusterRole
  name: nfs-client-provisioner-clusterrole
  apiGroup: rbac.authorization.k8s.io

kubectl apply -f nfs-client-rbac.yaml

3、使用 Deployment 来创建 NFS Provisioner

• NFS Provisione(即 nfs-client)，有两个功能：一个是在 NFS 共享目录下创建挂载点(volume)，另一个则是将 PV 与 NFS 的挂载点建立关联。

#由于1.20版本启用了selfLink，所以 k8s 1.20+ 版本通过nfs provisioner动态生成pv会报错，解决方法如下：
vim /etc/kubernetes/manifests/kube-apiserver.yaml
spec:
  containers:
  - command:
    - kube-apiserver
    - --feature-gates=RemoveSelfLink=false       #添加这一行
    - --advertise-address=192.168.80.20
......

kubectl apply -f /etc/kubernetes/manifests/kube-apiserver.yaml

kubectl get pods -n kube-system | grep apiserver
kubectl delete pods kube-apiserver -n kube-system 

#创建 NFS Provisioner
vim nfs-client-provisioner.yaml
kind: Deployment
apiVersion: apps/v1
metadata:
  name: nfs-client-provisioner
spec:
  replicas: 1
  selector:
    matchLabels:
      app: nfs-client-provisioner
  strategy:
    type: Recreate
  template:
    metadata:
      labels:
        app: nfs-client-provisioner
    spec:
      serviceAccountName: nfs-client-provisioner      #指定Service Account账户
      containers:
        - name: nfs-client-provisioner
          image: quay.io/external_storage/nfs-client-provisioner:latest
          imagePullPolicy: IfNotPresent
          volumeMounts:
            - name: nfs-client-root
              mountPath: /persistentvolumes
          env:
            - name: PROVISIONER_NAME
              value: nfs-storage    #配置provisioner的Name，确保该名称与StorageClass资源中的provisioner名称保持一致
            - name: NFS_SERVER
              value: stor01         #配置绑定的nfs服务器
            - name: NFS_PATH
              value: /opt/k8s       #配置绑定的nfs服务器目录
      volumes:                      #申明nfs数据卷
        - name: nfs-client-root
          nfs:
            server: stor01
            path: /opt/k8s

kubectl apply -f nfs-client-provisioner.yaml 

kubectl get pod
NAME                                   READY   STATUS    RESTARTS   AGE
nfs-client-provisioner-cd6ff67-sp8qd   1/1     Running   0          14s

4、创建StorageClass，负责建立PVC并调用NFS provisioner进行预定的工作，并让PV与PVC建立关联

vim nfs-client-storageclass.yaml
apiVersion: storage.k8s.io/v1
kind: StorageClass
metadata:
  name: nfs-client-storageclass
provisioner: nfs-storage     #这里的名称要和provisioner配置文件中的环境变量PROVISIONER_NAME保持一致
parameters:
  archiveOnDelete: "false"   #false表示在删除PVC时不会对数据进行存档，即删除数据

kubectl apply -f nfs-client-storageclass.yaml

kubectl get storageclass
NAME                      PROVISIONER   AGE
nfs-client-storageclass   nfs-storage   43s

5、创建 PVC 和 Pod 测试

vim test-pvc-pod.yaml
apiVersion: v1
kind: PersistentVolumeClaim
metadata:
  name: test-nfs-pvc
spec:
  accessModes:
    - ReadWriteMany
  storageClassName: nfs-client-storageclass    #关联StorageClass对象
  resources:
    requests:
      storage: 1Gi
---
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: test-storageclass-pod
spec:
  containers:
  - name: busybox
    image: busybox:latest
    imagePullPolicy: IfNotPresent
    command:
    - "/bin/sh"
    - "-c"
    args:
    - "sleep 3600"
    volumeMounts:
    - name: nfs-pvc
      mountPath: /mnt
  restartPolicy: Never
  volumes:
  - name: nfs-pvc
    persistentVolumeClaim:
      claimName: test-nfs-pvc      #与PVC名称保持一致

kubectl apply -f test-pvc-pod.yaml

#PVC 通过 StorageClass 自动申请到空间
kubectl get pvc
NAME            STATUS   VOLUME                                     CAPACITY   ACCESS MODES   STORAGECLASS              AGE
test-nfs-pvc   Bound    pvc-11670f39-782d-41b8-a842-eabe1859a456   1Gi        RWX            nfs-client-storageclass   2s

#查看NFS服务器上是否生成对应的目录，自动创建的PV会以$namespace-$pvcName-$pvName的目录格式放到NFS服务器上
ls /opt/k8s/
default-test-nfs-pvc-pvc-11670f39-782d-41b8-a842-eabe1859a456

#进入Pod在挂载目录/mnt下写一个文件，然后查看NFS服务器上是否存在该文件
kubectl exec -it test-storageclass-pod sh
/ # cd /mnt/
/mnt # echo this is test file > test.txt

#发现 NFS 服务器上存在，说明验证成功
cat /opt/k8s/test.txt

总结