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云原生Kubernetes技术之持久化存储

tea_year 发表于 2024/11/24 22:00:53 2024/11/24

【摘要】 12 - 存储：解决数据持久化问题什么是 PersistentVolume 因为 Pod 里的容器是由镜像产生的，而镜像文件本身是只读的，进程要读写磁盘只能用一个临时的存储空间，一旦 Pod 销毁，临时存储也就会立即回收释放，数据也就丢失了。为了保证即使 Pod 销毁后重建数据依然存在，我们就需要找出一个解决方案，让 Pod产生的数据可以持久化存储。我们在 ConfiMap 的章节用过 K...

12 - 存储：解决数据持久化问题

什么是 PersistentVolume

因为 Pod 里的容器是由镜像产生的，而镜像文件本身是只读的，进程要读写磁盘只能用一个临时的存储空间，一旦 Pod 销毁，临时存储也就会立即回收释放，数据也就丢失了。

为了保证即使 Pod 销毁后重建数据依然存在，我们就需要找出一个解决方案，让 Pod产生的数据可以持久化存储。

我们在 ConfiMap 的章节用过 Kubernetes 的 Volume ，它只是定义了有这么一个“存储卷”，而这个“存储卷”是什么类型、有多大容量、怎么存储，我们都可以自由发挥。Pod 不需要关心那些专业、复杂的细节，只要设置好 volumeMounts，就可以把 Volume 加载进容器里使用。

Kubernetes 就顺着 Volume 的概念，延伸出了 PersistentVolume 对象，它专门用来表示持久存储设备，但隐藏了存储的底层实现，我们只需要知道它能安全可靠地保管数据就可以了。

作为存储的抽象，PV 实际上就是一些存储设备、文件系统，比如 Ceph、GlusterFS、MFS、NFS，或是本地磁盘，管理它们已经超出了 Kubernetes 的能力范围，所以，一般会由系统管理员单独维护，然后再在 Kubernetes 里创建对应的 PV。

PV 属于集群的系统资源，是和 Node 平级的一种对象，Pod 对它没有管理权，只有使用权。

什么是 PersistentVolumeClaim/StorageClass

有了 PV，我们是不是可以直接在 Pod 里挂载使用了呢？

还不行。因为不同存储设备的差异实在是太大了：有的速度快，有的速度慢；有的可以共享读写，有的只能独占读写；有的容量小，只有几百 MB，有的容量大到 TB、PB 级别……

这么多种存储设备，只用一个 PV 对象来管理还是有点太勉强了，不符合“单一职责”的原则，让 Pod 直接去选择 PV 也很不灵活。于是 Kubernetes 就又增加了两个新对象，PersistentVolumeClaim 和 StorageClass

PersistentVolumeClaim，简称 PVC，从名字上看比较好理解，就是用来向 Kubernetes 申请存储资源的。PVC 是给 Pod 使用的对象，它相当于是 Pod 的代理，代表 Pod 向系统申请 PV。一旦资源申请成功，Kubernetes 就会把 PV 和 PVC 关联在一起，这个动作叫做“绑定”（bind）。

系统里的存储资源非常多，如果要 PVC 去直接遍历查找合适的 PV 也很麻烦，所以就要用到 StorageClass。

StorageClass 的作用有点像 IngressClass，它抽象了特定类型的存储系统（比如 Ceph、NFS），在 PVC 和 PV 之间充当“协调人”的角色，帮助 PVC 找到合适的 PV。也就是说它可以简化 Pod 挂载“虚拟盘”的过程，让 Pod 看不到 PV 的实现细节。

使用 YAML 描述 PersistentVolume

Kubernetes 里有很多种类型的 PV，我们先看看最容易的本机存储“HostPath”，它和 Docker 里挂载本地目录的 -v 参数非常类似，可以用它来初步认识一下 PV 的用法。

因为 Pod 会在集群的任意节点上运行，所以首先，我们要在 Worker 节点上创建一个目录，它将会作为本地存储卷挂载到 Pod 里。

在 /tmp 里创建 host-10m-pv 的目录，表示一个只有 10MB 容量的存储设备。

PV 对象只能用 kubectl api-resources、kubectl explain 查看 PV 的字段说明，手动编写 PV 的 YAML 描述文件。

YAML
apiVersion: v1
kind: PersistentVolume
metadata:
  name: host-10m-pv
spec:
  storageClassName: host-test
  accessModes:
  - ReadWriteOnce
  capacity: # 容量
    storage: 10Mi
  hostPath:
    path: /tmp/host-10m-pv/

PV 对象的文件头部分很简单，还是 API 对象的老样子。

“storageClassName”就是刚才说过的，对存储类型的抽象 StorageClass。这个 PV 是我们手动管理的，名字可以任意起，这里我写的是 host-test，你也可以把它改成 manual、hand-work 之类的词汇。

“accessModes”定义了存储设备的访问模式，简单来说就是虚拟盘的读写权限，和 Linux 的文件访问模式差不多，目前 Kubernetes 里有 3 种：

ReadWriteOnce：存储卷可读可写，但只能被一个节点上的 Pod 挂载。 hostPath
ReadOnlyMany：存储卷只读不可写，可以被任意节点上的 Pod 多次挂载。共享存储
ReadWriteMany：存储卷可读可写，也可以被任意节点上的 Pod 多次挂载。共享存储 NFS

第三个字段“capacity”就很好理解了，表示存储设备的容量，这里我设置为 10MB。

最后一个字段“hostPath”最简单，它指定了存储卷的本地路径，也就是我们在节点上创建的目录。

使用 YAML 描述 PersistentVolumeClaim

有了 PV，就表示集群里有了这么一个持久化存储可以供 Pod 使用，我们需要再定义 PVC 对象，向 Kubernetes 申请存储。

下面这份 YAML 就是一个 PVC，要求使用一个 10MB 的存储设备，访问模式是 ReadWriteOnce：

YAML
apiVersion: v1
kind: PersistentVolumeClaim
metadata:
  name: host-10m-pvc
spec:
  storageClassName: host-test
  accessModes:
    - ReadWriteOnce
  resources:
    requests:
      storage: 10Mi

PVC 的内容与 PV 很像，但它不表示实际的存储，而是一个“申请”或者“声明”，spec 里的字段描述的是对存储的“期望状态”。

所以 PVC 里的 storageClassName、accessModes 和 PV 是一样的，但不会有字段 capacity，而是要用 resources.request 表示希望要有多大的容量。

这样，Kubernetes 就会根据 PVC 里的描述，去找能够匹配 StorageClass 和容量的 PV，然后把 PV 和 PVC“绑定”在一起。

在 Kubernetes 里使用 PersistentVolume

现在我们已经准备好了 PV 和 PVC，就可以让 Pod 实现持久化存储了。

Bash
kubectl apply -f host-10m-pv.yaml
kubectl get pv

接下来创建 PVC

Bash
kubectl apply -f host-10m-pvc.yaml
kubectl get pvc

一旦 PVC 对象创建成功，Kubernetes 就会立即通过 StorageClass、resources 等条件在集群里查找符合要求的 PV，如果找到合适的存储对象就会把它俩“绑定”在一起。

如果没有找到满足条件的PV，PVC的状态会显示为 Pending 状态

为 Pod 挂载 PersistentVolume

PV 和 PVC 绑定好了，有了持久化存储，现在我们就可以为 Pod 挂载存储卷。

使用方法和我们在ConfigMap章节学到的差不多，先要在 spec.volumes 定义存储卷，然后在 containers.volumeMounts 挂载进容器。

YAML
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  labels:
    app: nginx-dep
  name: nginx-dep
spec:
  replicas: 1
  selector:
    matchLabels:
      app: nginx-dep
  template:
    metadata:
      labels:
        app: nginx-dep
    spec:
      volumes:
      - name: host-pvc-vol
        persistentVolumeClaim:
          claimName: host-10m-pvc
      containers:
      - image: nginx:1.22.1
        name: nginx
        volumeMounts:
        - name: host-pvc-vol
          mountPath: /tmp

YAML
kubectl apply -f nginx-dep.yaml
kubectl get pods -o wide

测试文件写入

使用网络存储

要想让存储卷真正能被 Pod 任意挂载，我们需要变更存储的方式，不能限定在本地磁盘，而是要改成网络存储，这样 Pod 无论在哪里运行，只要知道 IP 地址或者域名，就可以通过网络通信访问存储设备。

安装 NFS 服务器

YAML
yum install -y nfs-utils rpcbind

mkdir /data/nfs

echo "/data/nfs 172.19.16.0/24(rw,sync,no_subtree_check,no_root_squash,insecure)" >> /etc/exports

systemctl restart nfs

安装NFS 客户端

Bash
yum -y install nfs-utils
showmount -e 172.19.16.14

客户端测试目录挂载

如何使用 NFS 存储卷

现在我们已经为 Kubernetes 配置好了 NFS 存储系统，就可以使用它来创建新的 PV 存储对象了。

先来手工分配一个存储卷，需要指定 storageClassName 是 nfs，而 accessModes 可以设置成 ReadWriteMany，这是由 NFS 的特性决定的，它支持多个节点同时访问一个共享目录。

因为这个存储卷是 NFS 系统，所以我们还需要在 YAML 里添加 nfs 字段，指定 NFS 服务器的 IP 地址和共享目录名。

这里我在 NFS 服务器的 /tmp/nfs 目录里又创建了一个新的目录 5g-pv，表示分配了 5GB 的可用存储空间，相应的，PV 里的 capacity 也要设置成同样的数值，也就是 5Gi。

把这些字段都整理好后，我们就得到了一个使用 NFS 网络存储的 YAML 描述文件：

YAML
apiVersion: v1
kind: PersistentVolume
metadata:
  name: nfs-5g-pv
spec:
  storageClassName: nfs
  accessModes:
    - ReadWriteMany
  capacity:
    storage: 5Gi
  nfs:
    path: /data/nfs/5g-pv
    server: 172.19.16.14

Bash
kubectl apply -f nfs-static-pv.yml
kubectl get pv

有了 PV，我们就可以定义申请存储的 PVC 对象了，它的内容和 PV 差不多，但不涉及 NFS 存储的细节，只需要用 resources.request 来表示希望要有多大的容量，这里我写成 5GB，和 PV 的容量相同：

YAML
apiVersion: v1
kind: PersistentVolumeClaim
metadata:
  name: nfs-static-pvc
spec:
  storageClassName: nfs
  accessModes:
    - ReadWriteMany
  resources:
    requests:
      storage: 5Gi

YAML
kubectl apply -f nfs-static-pvc.yaml
kubectl get pvc

把 PVC 挂载到 Pod

YAML
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  labels:
    app: nginx-dep
  name: nginx-dep
spec:
  replicas: 1
  selector:
    matchLabels:
      app: nginx-dep
  template:
    metadata:
      labels:
        app: nginx-dep
    spec:
      volumes:
      - name: nfs-pvc-vol
        persistentVolumeClaim:
          claimName: nfs-static-pvc
      containers:
      - image: nginx:1.22.1
        name: nginx
        volumeMounts:
        - name: nfs-pvc-vol
          mountPath: /tmp

测试数据挂载

如何部署 NFS Provisoner

PV 还是需要人工管理，必须要由系统管理员手动维护各种存储设备，再根据开发需求逐个创建 PV，而且 PV 的大小也很难精确控制，容易出现空间不足或者空间浪费的情况。

在我们的这个实验环境里，只有很少的 PV 需求，管理员可以很快分配 PV 存储卷，但是在一个大集群里，每天可能会有几百几千个应用需要 PV 存储，如果仍然用人力来管理分配存储，管理员很可能会忙得焦头烂额，导致分配存储的工作大量积压。

那么能不能让创建 PV 的工作也实现自动化呢？或者说，让计算机来代替人类来分配存储卷呢？

这个在 Kubernetes 里就是“动态存储卷”的概念，它可以用 StorageClass 绑定一个 Provisioner 对象，而这个 Provisioner 就是一个能够自动管理存储、创建 PV 的应用，代替了原来系统管理员的手工劳动。

有了“动态存储卷”的概念，前面我们讲的手工创建的 PV 就可以称为“静态存储卷”。

目前，Kubernetes 里每类存储设备都有相应的 Provisioner 对象，对于 NFS 来说，它的 Provisioner 就是“NFS subdir external provisioner”，你可以在 GitHub 上找到这个项目。

YAML
kubectl apply -f rbac.yaml
kubectl apply -f deployment.yaml

如何使用 NFS 动态存储卷

我们来看一下 NFS 默认的 StorageClass 定义：

YAML
apiVersion: storage.k8s.io/v1
kind: StorageClass
metadata:
name: nfs-client

provisioner: k8s-sigs.io/nfs-subdir-external-provisioner
parameters:
archiveOnDelete: "false"

YAML 里的关键字段是 provisioner，它指定了应该使用哪个 Provisioner。另一个字段 parameters 是调节 Provisioner 运行的参数，需要参考文档来确定具体值，在这里的 archiveOnDelete: "false" 就是自动回收存储空间。

Parameters:

理解了 StorageClass 的 YAML 之后，你也可以不使用默认的 StorageClass，而是根据自己的需求，任意定制具有不同存储特性的 StorageClass，比如添加字段 onDelete: "retain" 暂时保留分配的存储，之后再手动删除：

YAML
apiVersion: storage.k8s.io/v1
kind: StorageClass
metadata:
name: nfs-client-retained

provisioner: k8s-sigs.io/nfs-subdir-external-provisioner
parameters:
onDelete: "retain"

接下来我们定义一个 PVC，向系统申请 10MB 的存储空间，使用的 StorageClass 是默认的 nfs-client：

YAML
apiVersion: v1
kind: PersistentVolumeClaim
metadata:
  name: nfs-dynamic-pvc
spec:
  storageClassName: nfs-client-retained
  accessModes:
    - ReadWriteMany
  resources:
    requests:
      storage: 10Mi

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