K8S专栏Kubernetes数据持久化管理

Posted 2022-11-15

Kubernetes为了能更好的支持有状态应用的数据存储问题，除了基本的HostPath和EmptyDir提供的数据持久化方案之外，还提供了PV，PVC和StorageClass资源对象来对存储进行管理。

PV的全称是Persistent Volume（持久化卷），是对底层数据存储的抽象，PV由管理员创建、维护以及配置，它和底层的数据存储实现方法有关，比如Ceph，NFS，ClusterFS等，都是通过插件机制完成和共享存储对接。

PVC的全称是Persistent Volume Claim（持久化卷声明），我们可以将PV比喻为接口，里面封装了我们底层的数据存储，PVC就是调用接口实现数据存储操作，PVC消耗的是PV的资源。

StorageClass是为了满足用于对存储设备的不同需求，比如快速存储，慢速存储等，通过对StorageClass的定义，管理员就可以将存储设备定义为某种资源类型，用户根据StorageClass的描述可以非常直观的知道各种存储资源的具体特性，这样就可以根据应用特性去申请合适的资源了。

安装存储系统

存储系统的选择有很多，常见的有NFS、Ceph、GlusterFS、FastDFS等，具体使用什么根据企业情况而定。在这里使用的是NFS，下面简单介绍一下如何安装。

（1）安装服务

$ yum install nfs-utils rpcbind -y

（2）创建共享目录

$ mkdir /data/k8s -p

（3）配置NFS配置文件

$ vim /etc/exports
/data/k8s *(rw,sync,no_root_squash)

（4）启动服务

$ systemctl start rpcbind
$ systemctl start nfs
$ systemctl enable rpcbind
$ systemctl enable nfs

（5）测试

$ showmount -e 192.168.205.128
Export list for 192.168.205.128:
/data/k8s *

PV

PV（Persistent Volume）作为Kubernetes存储设备，可以由管理员提前配置，也可以通过StorageClass来动态供应。

PV是集群资源，可以通过kubectl explain pv来查看如何配置，主要包括存储能力，访问模式，存储类型，回收信息等关键信息。例如：

apiVersion: v1
kind: PersistentVolume
metadata:
  name: my-pv01
  labels:
    storage: pv
spec:
  accessModes:
  - ReadWriteOnce
  capacity:
    storage: 1Gi
  persistentVolumeReclaimPolicy: Recycle
  nfs:
    path: /data/k8s
    server: 192.168.205.128

参数说明：
（1）、accessMode：访问模式，有ReadWriteOnce，ReadOnlyMany，ReadWriteMany。其中：

• ReadWriteOnce：表示具有读写权限，但是只能被一个node挂载一次
• ReadOnlyMany：表示具有只读权限，可以被多个node多次挂载
• ReadWriteMany：表示具有读写权限，可以被多个node多次挂载

（2）、capacity：持久卷资源和容量的描述，存储大小是唯一可设置或请求的资源。
（3）、persistentVolumeReclaimPolicy： 回收策略，也就是释放持久化卷时的策略，其有以下几种：

• Retain：保留数据，如果要清理需要手动清理数据，默认的策略；
• Delete：删除，将从Kubernetes中删除PV对象，以及外部基础设施中相关的存储资产，比如AWS EBS, GCE PD, Azure Disk, 或Cinder volume；
• Recycle：回收，清楚PV中的所有数据，相当于执行rm -rf /pv-volume/*；

创建过后，PV的状态如下：

$ kubectl get pv
NAME      CAPACITY   ACCESS MODES   RECLAIM POLICY   STATUS      CLAIM   STORAGECLASS   REASON   AGE
my-pv01   1Gi        RWO            Recycle          Available                                   5s

$ kubectl describe pv my-pv01 
Name:            my-pv01
Labels:          storage=pv
Annotations:     <none>
Finalizers:      [kubernetes.io/pv-protection]
StorageClass:    
Status:          Available
Claim:           
Reclaim Policy:  Recycle
Access Modes:    RWO
VolumeMode:      Filesystem
Capacity:        1Gi
Node Affinity:   <none>
Message:         
Source:
    Type:      NFS (an NFS mount that lasts the lifetime of a pod)
    Server:    192.168.205.128
    Path:      /data/k8s
    ReadOnly:  false
Events:        <none>

当前PV的状态是Available，表示处于随时可用状态。PV总共有以下四种状态：

• Available（可用）：表示可用状态，还未被任何 PVC 绑定
• Bound（已绑定）：表示 PVC 已经被 PVC 绑定
• Released（已释放）：PVC 被删除，但是资源还未被集群重新声明
• Failed（失败）： 表示该 PV 的自动回收失败

单纯的创建PV，我们并不能直接使用，需要使用PVC（Persistent Volume Claim）来进行声明。

PVC

PVC（Persistent Volume Claim）用于表达用户对存储的需求，申请PVC会消耗掉PV的资源，可以通过kubectl explain pvc来查看帮助文档。

在上一节我们创建了PV，现在要申明PVC，如下：

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

spec参数说明：
（1）、accessModes：主要定义卷所应该拥有的访问模式
（2）、resources：主要定义卷应该拥有的最小资源
（3）、dataSource：定义如果提供者具有卷快照功能，就会创建卷，并将数据恢复到卷中，反之不创建
（4）、selector：定义绑定卷的标签查询
（5）、storageClassName：定义的storageClass的名字
（6）、volumeMode：定义卷的类型
（7）、volumeName：需要绑定的PV的名称链接

创建过后，查看PV和PVC的状态，如下：

$ kubectl get pvc
NAME       STATUS   VOLUME    CAPACITY   ACCESS MODES   STORAGECLASS   AGE
pvc-test   Bound    my-pv01   1Gi        RWO                           2s
$ kubectl get pv
NAME      CAPACITY   ACCESS MODES   RECLAIM POLICY   STATUS   CLAIM              STORAGECLASS   REASON   AGE
my-pv01   1Gi        RWO            Recycle          Bound    default/pvc-test                           20m

我们从上面可以看到pvc处于Bound状态，Bound的VOLUME是my-pv01，我们再看pv的状态有Available变为Bound，其CLAIM是default/pvc-test，其中default为namespace名称。

在上面我们创建了一个PVC，其绑定了我们创建的PV，如果此时我们再创建一个PVC，结果又会如何？ 我们copy以下上面的PVC文件，将其名称改一下，如下：

apiVersion: v1
kind: PersistentVolumeClaim
metadata:
  name: pvc-test2
spec:
  accessModes:
  - ReadWriteOnce
  resources:
    requests:
      storage: 1Gi

然后查看PVC的状态，如下

$ kubectl get pvc
NAME        STATUS    VOLUME    CAPACITY   ACCESS MODES   STORAGECLASS   AGE
pvc-test    Bound     my-pv01   1Gi        RWO                           3m57s
pvc-test2   Pending                                                      4s

我们可以看到我们刚创建的pvc-test2的STATUS处于Pending状态，这是由于集群里声明的PV都使用完了，PVC在申请的时候没有找到合适的PV，所以处于这个状态，这时候如果我们创建一个新的并满足要求的PV，则可以看到这个PVC会处于Bound状态。如下：

$ kubectl get pv
NAME      CAPACITY   ACCESS MODES   RECLAIM POLICY   STATUS      CLAIM              STORAGECLASS   REASON   AGE
my-pv01   1Gi        RWO            Recycle          Bound       default/pvc-test                           27m
my-pv02   1Gi        RWO            Recycle          Available                                              5s
$ kubectl get pvc
NAME        STATUS   VOLUME    CAPACITY   ACCESS MODES   STORAGECLASS   AGE
pvc-test    Bound    my-pv01   1Gi        RWO                           6m50s
pvc-test2   Bound    my-pv02   1Gi        RWO                           2m57s

PVC也在申领PV的时候也不是随意申领的，它需要符合以下要求： （1）PVC申领的模式要和PV匹配上，假如PVC的模式是ReadWriteOnce，而PV的模式是ReadWriteMany，则申领部成功。 （2）PVC申领的容量要小于等于PV的容量，否则申请不成功。 （3）一个PV只能绑定一个PVC

另外，如果我们的PVC需求的容量小于PV的可用容量，绑定的容量是PV的可用容量。

StorageClass

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。

具体来说，StorageClass会定义一下两部分：

1. PV的属性 ，比如存储的大小、类型等；
2. 创建这种PV需要使用到的存储插件，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，创建出需要的PV。

这里我们以NFS为例，要使用NFS，我们就需要一个nfs-client的自动装载程序，我们称之为Provisioner，这个程序会使用我们已经配置好的NFS服务器自动创建持久卷，也就是自动帮我们创建PV。 说明：

• 自动创建的PV会以$namespace-$pvcName-$pvName的目录格式放到NFS服务器上；
• 如果这个PV被回收，则会以archieved-$namespace-$pvcName-$pvName这样的格式存放到NFS服务器上；

安装NFS Provisioner

（1）创建ServiceAccount，为NFS Provisioner授权

---
apiVersion: v1
kind: ServiceAccount
metadata:
  name: nfs-client-provisioner

---
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"]

---
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

（2）创建NFS Provisioner

---
apiVersion: apps/v1 
kind: Deployment
metadata:
  name: nfs-client-prosioner
spec:
  replicas: 1
  strategy:
    type: Recreate
  selector:
    matchLabels:
      app: nfs-client-prosioner
  template:
    metadata:
      labels:
        app: nfs-client-prosioner
    spec:
      serviceAccountName: nfs-client-provisioner
      containers:
      - name: nfs-client-prosioner
        image: registry.cn-hangzhou.aliyuncs.com/rookieops/nfs-client-provisioner:4.0
        imagePullPolicy: IfNotPresent
        volumeMounts:
        - name: nfs-client-root
          mountPath: /data/pv
        env:
        - name: PROVISIONER_NAME
          value: rookieops/nfs
        - name: NFS_SERVER
          value: 192.168.205.128
        - name: NFS_PATH
          value: /data/k8s
      volumes:
      - name: nfs-client-root
        nfs:
          server: 192.168.205.128
          path: /data/k8s

执行完成后，查看NFS Provisioner的状态，如下：

$ kubectl get po
NAME                                    READY   STATUS    RESTARTS   AGE
nfs-client-prosioner-54d64dfc85-b4ht4   1/1     Running   0          10s

使用StorageClass

上面已经创建好NFS Provisioner，现在我们可以直接创建StroageClass，如下：

apiVersion: storage.k8s.io/v1
kind: StorageClass
metadata:
  name: nfs
provisioner: rookieops/nfs

每个 StorageClass 都包含 provisioner、parameters 和 reclaimPolicy 字段， 这些字段会在 StorageClass 需要动态分配 PersistentVolume 时会使用到。

在配置StorageClass的时候，如果没有指定reclaimPolicy，则默认是Delete，除此之外，还有Retain。

StorageClass 对象的命名很重要，用户使用这个命名来请求生成一个特定的类。 当创建 StorageClass 对象时，管理员设置 StorageClass 对象的命名和其他参数，一旦创建了对象就不能再对其更新。

使用kubectl apply -f sc.yaml创建StorageClass，创建完成过后如下：

$ kubectl get sc
NAME   PROVISIONER     RECLAIMPOLICY   VOLUMEBINDINGMODE   ALLOWVOLUMEEXPANSION   AGE
nfs    rookieops/nfs   Delete          Immediate           false                  9m41s

现在，我们就可以使用动态存储申领PVC，如下：

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

使用kubectl apply -f pvc-from-sc.yaml，查看PVC创建情况，如下：

$ kubectl get pvc
NAME          STATUS   VOLUME                                     CAPACITY   ACCESS MODES   STORAGECLASS   AGE
pvc-from-sc   Bound    pvc-a4a71b8c-5664-4d1a-b286-9e4adcf6f96a   1Gi        RWO            nfs            8s
$ kubectl get pv
NAME                                       CAPACITY   ACCESS MODES   RECLAIM POLICY   STATUS   CLAIM                 STORAGECLASS   REASON   AGE
pvc-a4a71b8c-5664-4d1a-b286-9e4adcf6f96a   1Gi        RWO            Delete           Bound    default/pvc-from-sc   nfs                     86s

可以看到自动创建了一个PV，然后和PVC进行绑定。

为了方便使用，有时候会给集群默认设置一个StorageClass，以便在需要使用动态存储，但是未声明的情况下使用默认的动态存储。设置方式如下：

$ kubectl patch storageclass nfs -p "metadata": "annotations":"storageclass.kubernetes.io/is-default-class":"true"

通过向其添加 storageclass.kubernetes.io/is-default-class 注解来将特定的 StorageClass 标记为默认。 当集群中存在默认的 StorageClass 并且用户创建了一个未指定 storageClassName 的 PersistentVolumeClaim 时， DefaultStorageClass 准入控制器会自动向其中添加指向默认存储类的 storageClassName 字段。

如果要取消默认StorageClass，只需要把注解设置为flase即可，如下：

$ kubectl patch storageclass nfs -p "metadata": "annotations":"storageclass.kubernetes.io/is-default-class":"false"

如果我们要在Pod中使用PVC，则直接如下声明：

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: nginx
spec:
  containers:
  - name: nginx
    image: nginx
    imagePullPolicy: IfNotPresent
    volumeMounts:
    - name: nfs-pvc
      mountPath: /mnt
  restartPolicy: Never
  volumes:
  - name: nfs-pvc
    persistentVolumeClaim:
      claimName: pvc-from-sc

可以进入容器，到挂载目录输出，例如：

$ kubectl exec -it nginx -- /bin/bash
root@nginx:/mnt# echo "test" > /mnt/text.txt

然后到NFS对应的目录查看是否一致。

$ cd /data/k8s/default-pvc-from-sc-pvc-a4a71b8c-5664-4d1a-b286-9e4adcf6f96a
$ cat text.txt 
test

这表示Pod使用持久化成功。

总结

在Kubernetes中，虽然我们建议使用无状态应用，但是对于有些特殊应用，数据持久化还是必不可少的。数据持久化的难度不在于创建几个PV或者PVC，而是后端的存储系统，比如Ceph，如果使用它作为后端存储，你必须对其非常熟悉，方便在出问题的时候好排查，如果你对这些存储系统都不熟悉，在使用的时候可能会出现很多问题。