kubernetes中有状态应用的优雅缩容

将有状态的应用程序部署到Kubernetes是棘手的。 StatefulSet使它变得容易得多，但是它们仍然不能解决所有问题。最大的挑战之一是如何缩小StatefulSet而不将数据留在断开连接的PersistentVolume成为孤立对象上。在这篇博客中，我将描述该问题和两种可能的解决方案。

通过StatefulSet创建的每个Pod都有自己的PersistentVolumeClaim（PVC）和PersistentVolume（PV）。当按一个副本按比例缩小StatefulSet的大小时，其Pod之一将终止，但关联的PersistentVolumeClaim和绑定到其的PersistentVolume保持不变。在随后扩大规模时，它们会重新连接到Pod。

Scaling a StatefulSet

现在，想象一下使用StatefulSet部署一个有状态的应用程序，其数据在其pod中进行分区。每个实例仅保存和处理一部分数据。当您缩小有状态应用的规模时，其中一个实例将终止，其数据应重新分配到其余的Pod。如果您不重新分配数据，则在再次进行扩展之前，它仍然不可访问。

Redistributing data on scale-down

在正常关机期间重新分发数据

您可能会想：“既然Kubernetes支持Pod正常关闭的机制，那么Pod是否可以在关闭过程中简单地将其数据重新分配给其他实例呢？”事实上，它不能。为什么不这样做有两个原因：

• Pod（或更确切地说，其容器）可能会收到除缩容以外的其他原因的终止信号。容器中运行的应用程序不知道为什么终止该程序，因此不知道是否要清空数据。
• 即使该应用程序可以区分是缩容还是由于其他原因而终止，它也需要保证即使经过数小时或数天也可以完成关闭程序。 Kubernetes不提供该保证。如果应用程序进程在关闭过程中死掉，它将不会重新启动，因此也就没有机会完全分发数据。

因此，相信在正常关闭期间Pod能够重新分发（或以其他方式处理其所有数据）并不是一个好主意，并且会导致系统非常脆弱。

使用 tear-down 容器?

如果您不是Kubernetes的新手，那么你很可能知道什么是初始化容器。它们在容器的主要容器之前运行，并且必须在主要容器启动之前全部完成。

如果我们有tear-down容器（类似于init容器），但是在Pod的主容器终止后又会运行，该怎么办？他们可以在我们的有状态Pod中执行数据重新分发吗？

假设tear-down容器能够确定Pod是否由于缩容而终止。并假设Kubernetes（更具体地说是Kubelet）将确保tear-down容器成功完成（通过在每次返回非零退出代码时重新启动它）。如果这两个假设都成立，我们将拥有一种机制，可确保有状态的容器始终能够按比例缩小规模重新分配其数据。

但是？

可悲的是，当tear-down容器本身发生瞬态错误，并且一次或多次重新启动容器最终使它成功完成时，像上述的tear-down容器机制将只处理那些情况。但是，在tear-down过程中托管Pod的集群节点死掉的那些不幸时刻又如何呢？显然，该过程无法完成，因此无法访问数据。

现在很明显，我们不应该在Pod关闭时执行数据重新分配。相反，我们应该创建一个新的Pod（可能安排在一个完全不同的集群节点上）以执行重新分发过程。

这为我们带来了以下解决方案：

缩小StatefulSet时，必须创建一个新的容器并将其绑定到孤立的PersistentVolumeClaim。我们称其为“drain pod”，因为它的工作是将数据重新分发到其他地方（或以其他方式处理）。Pod必须有权访问孤立的数据，并且可以使用它做任何想做的事情。由于每个应用程序的重新分发程序差异很大，因此新的容器应该是完全可配置的-用户应该能够在drain Pod内运行他们想要的任何容器。

StatefulSet Drain Controller

由于StatefulSet控制器当前尚不提供此功能，因此我们可以实现一个额外的控制器，其唯一目的是处理StatefulSet缩容。我最近实现了这种控制器的概念验证。您可以在GitHub上找到源代码：

luksa/statefulset-scaledown-controllergithub.com

下面我们解释一下它是如何工作的。

在将控制器部署到Kubernetes集群后，您只需在StatefulSet清单中添加注释，即可将drain容器模板添加到任何StatefulSet中。这是一个例子：

apiVersion: apps/v1
kind: StatefulSet
metadata:
  name: datastore
  annotations:
    statefulsets.kubernetes.io/drainer-pod-template: |
      {
        "metadata": {
          "labels": {
            "app": "datastore-drainer"
          }
        },
        "spec": {
          "containers": [
            {
              "name": "drainer",
              "image": "my-drain-container",
              "volumeMounts": [
                {
                  "name": "data",
                  "mountPath": "/var/data"
                }
              ]
            }
          ]
        }
      }
spec:
  ...

该模板与StatefulSet中的主要Pod模板没有太大区别，只不过它是通过注释定义的。您可以像平常一样部署和扩展StatefulSet。

当控制器检测到按比例缩小了StatefulSet时，它将根据指定的模板创建新的drain容器，并确保将其绑定到PersistentVolumeClaim，该PersistentVolumeClaim先前已绑定至因按比例缩小而删除的有状态容器。

Drain容器获得与已删除的有状态容器相同的身份（即名称和主机名）。这样做有两个原因：

• 一些有状态的应用程序需要稳定的身份-这也可能在数据重新分发过程中适用。
• 如果在执行drain过程时再次扩容StatefulSet，则这将阻止StatefulSet控制器创建重复的容器并将其附加到同一PVC。

如果drain pod或其主机节点崩溃，则drain pod将重新安排到另一个节点上，在该节点上可以重试/恢复其操作。Drain pod完成后， Pod和PVC将被删除。备份StatefulSet时，将创建一个新的PVC。

示例

首先部署drain控制器：

$ kubectl apply -f https://raw.githubusercontent.com/luksa/statefulset-drain-controller/master/artifacts/cluster-scoped.yaml

接着部署示例StatefulSet:

$ kubectl apply -f https://raw.githubusercontent.com/luksa/statefulset-drain-controller/master/example/statefulset.yaml

这将运行三个有状态的Pod。将StatefulSet缩小为两个时，您会看到其中一个Pod开始终止。然后，删除Pod后，drain控制器将立即创建一个具有相同名称的新drain Pod：

$ kubectl scale statefulset datastore --replicas 2
statefulset.apps/datastore scaled
$ kubectl get po
NAME          READY     STATUS        RESTARTS   AGE
datastore-0   1/1       Running       0          3m
datastore-1   1/1       Running       0          2m
datastore-2   1/1       Terminating   0          49s
$ kubectl get po
NAME          READY     STATUS    RESTARTS   AGE
datastore-0   1/1       Running   0          3m
datastore-1   1/1       Running   0          3m
datastore-2   1/1       Running   0          5s    <-- the drain pod

当drain pod 完成其工作时，控制器将其删除并删除PVC：

$ kubectl get po
NAME          READY     STATUS    RESTARTS   AGE
datastore-0   1/1       Running   0          3m
datastore-1   1/1       Running   0          3m
$ kubectl get pvc
NAME               STATUS    VOLUME             CAPACITY   ...
data-datastore-0   Bound     pvc-57224b8f-...   1Mi        ...
data-datastore-1   Bound     pvc-5acaf078-...   1Mi        ...

控制器的另一个好处是它可以释放PersistentVolume，因为它不再受PersistentVolumeClaim约束。如果您的集群在云环境中运行，则可以降低存储成本。

总结

请记住，这仅是概念验证。要成为StatefulSet缩容问题的正确解决方案，需要进行大量工作和测试。理想情况下，Kubernetes StatefulSet控制器本身将支持这样的运行drain容器，而不是需要一个与原始控制器竞争的附加控制器（当您缩容并立即再次扩容时）。

通过将此功能直接集成到Kubernetes中，可以在StatefulSet规范中用常规字段替换注释，因此它将具有模板，volumeClaimTemplates和rainePodTemplate，与使用注释相比，一切都变得更好了。