Kubernetes数据持久化方案

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一、介绍

Volume是Pod中能够被多个容器共享的磁盘目录。我们知道，默认情况下Docker容器中的数据都是非持久化的，在容器消亡后数据也会消失。因此Docker提供了Volume机制以便实现数据的持久化。Kubernetes中Volume的概念与Docker中的Volume类似，但不完全相同。具体区别如下：

  • Kubernetes中的Volume与Pod的生命周期相同，但与容器的生命周期不相关。当容器终止或重启时，Volume中的数据也不会丢失。
  • 当Pod被删除时，Volume才会被清理。并且数据是否丢失取决于Volume的具体类型，比如emptyDir类型的Volume数据会丢失，而PV类型的数据则不会丢失。

二、数据卷Volume：

K8s提供了非常丰富的Volume类型，比如：emptyDir、hostPath、gcePersistentDisk。注意，这些 volume 并非全部都是持久化的，比如 emptyDir、secret、gitRepo 等，这些 volume 会随着 Pod 的消亡而消失。

emptyDir

一个emptyDir volume是在Pod分配到Node时创建的。顾名思义，它的初始内容为空，在同一个Pod中的所有容器均可以读写这个emptyDir volume。当 Pod 从 Node 上被删除（Pod 被删除，或者 Pod 发生迁移），emptyDir 也会被删除，并且数据永久丢失。
一个简单的例子：

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: test-pd
spec:
  containers:
  - image: k8s.gcr.io/test-webserver
    name: test-container
    volumeMounts:
    - mountPath: /cache
      name: cache-volume
  volumes:
  - name: cache-volume
    emptyDir: {}

emptyDir类型的volume适合于以下场景：

临时空间。例如某些程序运行时所需的临时目录，无需永久保存。
一个容器需要从另一容器中获取数据的目录（多容器共享目录）

hostPath

hostPath类型的volume允许用户挂在Node上的文件系统到Pod中，如果 Pod 需要使用 Node 上的文件，可以使用 hostPath。
一个简单的例子：

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: test-pd
spec:
  containers:
  - image: k8s.gcr.io/test-webserver
    name: test-container
    volumeMounts:
    - mountPath: /test-pd
      name: test-volume
  volumes:
  - name: test-volume
    hostPath:
      # directory location on host
      path: /data
      # this field is optional
      type: Directory

hostPath支持type属性，它的可选值如下：

hostPath.PNG
hostPath volume通常用于以下场景：

容器中的应用程序产生的日志文件需要永久保存，可以使用宿主机的文件系统进行存储。
需要访问宿主机上Docker引擎内部数据结构的容器应用，通过定义hostPath为/var/lib/docker目录，使容器内应用可以直接访问Docker的文件系统。
在使用hostPath volume时，需要注意：

在不同的Node上具有相同配置的Pod，可能会因为宿主机上的目录和文件不同，而导致对Volume上目录和文件的访问结果不一致。

gcePersistentDisk

gcePersistentDisk 可以挂载 GCE（Google Compute Engine） 上的永久磁盘到容器，需要 Kubernetes 运行在 GCE 的 VM 中。需要注意的是，你必须先创建一个永久磁盘（Persistent Disk，PD）才能使用gcePersistentDisk volume。

volumes:
  - name: test-volume
    # This GCE PD must already exist.
    gcePersistentDisk:
      pdName: my-data-disk
      fsType: ext4
awsElasticBlockStore

与gcePersistentDisk类似，awsElasticBlockStore 使用Amazon Web Service（AWS）提供的EBS Volume，挂在到Pod中。需要 Kubernetes 运行在 AWS 的 EC2 上。另外，需要先创建一个EBS Volume才能使用awsElasticBlockStore。


volumes:
  - name: test-volume
    # This AWS EBS volume must already exist.
    awsElasticBlockStore:
      volumeID: <volume-id>
      fsType: ext4

nfs

NFS 是 Network File System 的缩写，即网络文件系统。Kubernetes 中通过简单地配置就可以挂载 NFS 到 Pod 中，而 NFS 中的数据是可以永久保存的，同时 NFS 支持同时写操作。

volumes:
- name: nfs
  nfs:
    # FIXME: use the right hostname
    server: 10.254.234.223
    path: "/"

gitRepo

通过挂在一个空目录，并从GIT仓库克隆一个repository供Pod使用。

 volumes:
  - name: git-volume
    gitRepo:
      repository: "git@somewhere:me/my-git-repository.git"
      revision: "22f1d8406d464b0c0874075539c1f2e96c253775"

subPath

Pod 的多个容器使用同一个 Volume 时，subPath 非常有用。

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: my-lamp-site
spec:
    containers:
    - name: mysql
      image: mysql
      volumeMounts:
      - mountPath: /var/lib/mysql
        name: site-data
        subPath: mysql
    - name: php
      image: php
      volumeMounts:
      - mountPath: /var/www/html
        name: site-data
        subPath: html
    volumes:
    - name: site-data
      persistentVolumeClaim:
        claimName: my-lamp-site-data

三、PV的生命周期

PV的生命周期包括 5 个阶段：

  • 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及以前版本为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
  • Deleting，删除 PV 并从云存储中删除后段存储
    根据这 5 个阶段，PV 的状态有以下 4 种
  • Available：可用
  • Bound：已经分配给 PVC
  • Released：PVC 解绑但还未执行回收策略
  • Failed：发生错误

一个PV从创建到销毁的具体流程如下：
一个PV创建完后状态会变成Available，等待被PVC绑定。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。Pod使用完后会释放PV，PV的状态变成Released。
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里的数据删除，然后把PV的状态变成Available，又可以被新的PVC绑定使用。

四、数据对象

上文我们学习了Kubernetes中的Volume，我们可以发现前文中的Volume（无论何种类型）和使用它的Pod都是一种静态绑定关系，在Pod定义文件中，同时定义了它使用的Volume。
在这种情况下，Volume是Pod的附属品，我们无法像创建其他资源（例如Pod，Node，Deployment等等）一样创建一个Volume。
因此Kubernetes提出了PersistentVolume（PV）的概念。
PersistentVolume和Volume一样，代表了集群中的一块存储区域，然而Kubernetes将PersistentVolume抽象成了一种集群资源，类似于集群中的Node对象，这意味着我们可以使用Kubernetes API来创建PersistentVolume对象。PV与Volume最大的不同是PV拥有着独立于Pod的生命周期。
而PersistentVolumeClaim（PVC）代表了用户对PV资源的请求。用户需要使用PV资源时，只需要创建一个PVC对象（包括指定使用何种存储资源，使用多少GB，以何种模式使用PV等信息），Kubernetes会自动为我们分配我们所需的PV。

PV的静态创建

示例：

apiVersion: v1
kind: PersistentVolume
metadata:
  name: pv0003
  labels:
    name: pv0003
spec:
  capacity:
    storage: 5Gi
  volumeMode: Filesystem
  accessModes:
    - ReadWriteOnce
  persistentVolumeReclaimPolicy: Recycle
  storageClassName: slow
  mountOptions:
    - hard
    - nfsvers=4.1
  nfs:
    path: /tmp
    server: 172.17.0.2

有三个参数需要注意，accessModes、mountOptions、persistentVolumeReclaimPolicy
1.accessModes:是PV的访问模式，有三种：

  • ReadWriteOnce（RWO）：是最基本的方式，可读可写，但只支持被单个 Pod 挂载。
  • ReadOnlyMany（ROX）：可以以只读的方式被多个 Pod 挂载。
  • ReadWriteMany（RWX）：这种存储可以以读写的方式被多个 Pod 共享。
    注意：不是每一种PV都支持这三种方式，例如ReadWriteMany，目前支持的还比较少。在 PVC 绑定 PV 时通常根据两个条件来绑定，一个是存储的大小，另一个就是访问模式。

2.mountOptions中指定PV的底层数据卷类型，例如上文中创建的PV，底层使用nfs存储。目前Kuberntes支持以下类型：

GCEPersistentDisk
AWSElasticBlockStore
AzureFile
AzureDisk
FC (Fibre Channel)**
FlexVolume
Flocker
NFS
iSCSI
RBD (Ceph Block Device)
CephFS
Cinder (OpenStack block storage)
Glusterfs
VsphereVolume
Quobyte Volumes
HostPath (Single node testing only – local storage is not supported in any way and WILL NOT WORK in a multi-node cluster)
VMware Photon
Portworx Volumes
ScaleIO Volumes
StorageOS

3.persistentVolumeReclaimPolicy指定PVC 释放卷的时候 PV 该如何操作）也有三种：

  • Retain，不清理, 保留 Volume（需要手动清理）
  • Recycle，删除数据，即 rm -rf /thevolume/*（只有 NFS 和 HostPath 支持）
  • Delete，删除存储资源，比如删除 AWS EBS 卷（只有 AWS EBS, GCE PD, Azure Disk 和 Cinder 支持）
  • PVC释放卷是指用户删除一个PVC对象时，那么与该PVC对象绑定的PV就会被释放。

PVC的创建

当我们定义好一个PV后，我们希望像使用Volume那样使用这个PV，那么我们需要做的就是创建一个PVC对象，并在Pod定义中使用这个PVC。
定义一个PVC：

kind: PersistentVolumeClaim
apiVersion: v1
metadata:
  name: myclaim
spec:
  accessModes:
    - ReadWriteOnce
  resources:
    requests:
      storage: 8Gi
  storageClassName: slow
  selector:
    matchLabels:
      release: "stable"

Pod通过挂载Volume的方式应用PVC：

kind: Pod
apiVersion: v1
metadata:
  name: mypod
spec:
  containers:
    - name: myfrontend
      image: dockerfile/nginx
      volumeMounts:
      - mountPath: "/var/www/html"
        name: mypd
  volumes:
    - name: mypd
      persistentVolumeClaim:
        claimName: myclaim

通过示例我们可以看到PVC和PV的绑定，不是简单的通过Label来进行。而是要综合storageClassName，accessModes，matchLabels以及storage来进行绑定。
storageClassName指定了使用哪个数据卷，就是在创建pv时指定的pv的名称。
accessModes设置了需要请求的pv的读写模式
Label标签的意思，这个就不多说了。
总的来说，就是通过这三个参数，请求满足storageClassName=slow，accessModes = ReadWriteOnce并且拥有Label：release: "stable"的PV、

PV的动态创建-云服务的数据卷对象

上文中我们通过PersistentVolume描述文件创建了一个PV。这样的创建方式我们成为静态创建。
这样的创建方式有一个弊端，那就是假如我们创建PV时指定大小为50G，而PVC请求80G的PV，那么此PVC就无法找到合适的PV来绑定。
因此产生了了PV的动态创建。PV的动态创建依赖于StorageClass对象,我们不需要手动创建任何PV，所有的工作都由StorageClass为我们完成。
1）集群管理员预先创建存储类（StorageClass）；
2）用户创建使用存储类的持久化存储声明(PVC：PersistentVolumeClaim)；
3）存储持久化声明通知系统，它需要一个持久化存储(PV: PersistentVolume)；
4）系统读取存储类的信息；
5）系统基于存储类的信息，在后台自动创建PVC需要的PV；
6）用户创建一个使用PVC的Pod；
7）Pod中的应用通过PVC进行数据的持久化；
8）而PVC使用PV进行数据的最终持久化处理。
如此美好，所以得加钱
1.定义存储类

kind: StorageClass
apiVersion: storage.k8s.io/v1
metadata:
  name: slow
provisioner: kubernetes.io/aws-ebs
parameters:
  type: io1
  zones: us-east-1d, us-east-1c
  iopsPerGB: "10"

这个例子使用AWS提供的插件（ kubernetes.io/aws-ebs）创建了一个基于AWS底层存储的StorageClass。
这意味着使用这个StorageClass，那么所有的PV都是AWSElasticBlockStore类型的。
StorageClass的定义包含四个部分：
provisioner：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）。
mountOptions：指定挂载选项，当 PV 不支持指定的选项时会直接失败。比如 NFS 支持 hard 和 nfsvers=4.1 等选项。
parameters：指定 provisioner 的选项，比如 kubernetes.io/aws-ebs 支持 type、zone、iopsPerGB 等参数。
reclaimPolicy：指定回收策略，同 PV 的回收策略。
手动创建的PV时，我们指定了storageClassName=slow的配置项，然后Pod定义中也通过指定storageClassName=slow，从而完成绑定。而通过StorageClass实现动态PV时，
我们只需要指定StorageClass的metadata.name。

回到上文中创建PVC的例子，此时PVC指定了storageClassName=slow。那么Kubernetes会在集群中寻找是否存在metadata.name=slow的StorageClass，
如果存在，此StorageClass会自动为此PVC创建一个accessModes = ReadWriteOnce，并且大小为8GB的PV。

2.供应者
provisioner此参数域决定PV使用什么存储卷插件。

存储卷 内置供应者 配置例子
AWSElasticBlockStore ✓ AWS
AzureFile ✓ Azure File
AzureDisk ✓ Azure Disk
CephFS – –
Cinder ✓ OpenStack Cinder
FC – –
FlexVolume – –
Flocker ✓ –
GCEPersistentDisk ✓ GCE
Glusterfs ✓ Glusterfs
iSCSI – –
PhotonPersistentDisk ✓ –
Quobyte ✓ Quobyte
NFS – –
RBD ✓ Ceph RBD
VsphereVolume ✓ vSphere
PortworxVolume ✓ Portworx Volume
ScaleIO ✓ ScaleIO
StorageOS ✓ StorageOS
Local – Local

五、使用nfs配置Persistent Volume

kubenetes使用nfs配置Persistent Volume部署mysql
创建pv

apiVersion: v1
kind: PersistentVolume
metadata:
  name: pv-mysql-data
spec:
  capacity:
    storage: 20Gi
  accessModes:
    - ReadWriteOnce
  persistentVolumeReclaimPolicy: Recycle
  storageClassName: nfs
  nfs:
    path: /root/nfsdata/pv-mysql-data
    server: k8s-master

创建pvc

apiVersion: v1
kind: PersistentVolumeClaim
metadata:
  name: pvc-mysql-data
spec:
  accessModes:
    - ReadWriteOnce
  resources:
    requests:
      storage: 20Gi
  storageClassName: nfs

六、、错误收集

1.k8s pvc在挂载状态下被删除，状态变为Terminating并无法回滚的问题排查和总结
1、原生k8s不允许执行删除后的回滚动作。——所以删除任何东西前，要想好，k8s的最终一致性可是原则，虽然我认为这个原则不应该在这个管理层面上强制执行的。
2、如果真的删除了，想挽留，在不改k8s原生代码的前提下，只能有以下两种方式挽回：
1）将pvc的persistentVolumeReclaimPolicy从Delete改为Retain，这样起码删除pod之后，pvc即使被删除，底层数据也不会被删。
2）通过修改etcd里面的value值，删除deletionTimestamp和deletionGracePeriodSeconds两个key。（需要有protobuf协议到yaml的相互转换，还没试过）
3）还有一个比较简单的方式，就是修改k8s的代码，将上面截图的那部分限制代码删掉，允许kubectl patch删除deletionTimestamp和deletionGracePeriodSeconds这两个key，个人感觉，这个可以有。

2.关于pv和pvc
用户调用PVC申请PV时，PV实际大小和硬盘实际挂在卷大小有关，亦超过申请容量时，仍然可以继续存储，突破PV的容量限制。但是一旦pv和pvc绑定以后，就无法再次绑定，也就是说一个pvc只能绑定一个pv

参考文档：Kubernetes对象之PersistentVolume，StorageClass和PersistentVolumeClaim
Kubernetes-基于StorageClass的动态存储供应

posted @ 2020-08-19 22:38  名字很长容易被惦记  阅读(514)  评论(0)  编辑  收藏  举报