华为云云原生钻石集训营 第五课：Kubernetes存储架构原理深度剖析（下）

课程目标：

1.了解Kubernetes容器存储发展历程

2.了解StorageClass工作原理

3.了解CSI容器存储接口架构

4.了解Kubernetes out-tree存储兼容in-tree存储的机制

目录：

1. StorageClass工作原理分析

2. CSI容器存储接口架构解读

3．云原生存储最佳实践:从FlexVolume插件向CSI插件迁移

K8S初期为存算分离所做的解耦设计Volume，米用强耦合、灭活性.左HII-Tee保T工上种t橐收数)徳于业务功能设计。但这类存储卷的生命周期是跟随pod的，只能用作存储临时数据，无法做为最终数据使用。

随着K8S的不断成熟，为支持更多的应用场景，提供了一种脱离pod生命周期的、用户可管理的存储抽象设计低耦合、灵活性更强的PersistentVolume/PersistentVolumeClaim。

PV/PVC如何与Flexvolume/CSI的插件一起工作呢?那就是我们接下来要学习的StorageClass。

1. StorageClass工作原理分析

StorageClass工作原理解读

StorageClass是存储类，简称sc。 K8S平台为存储提供商提供存储接入的一种声明，通过sc和相应的存储插件(csi/flexvolume)为容器应用提供动态分配存储卷的能力。

sc用以指定存储池的:

1.供应商的名字: everest-csi-provisioner

2.分配PV卷的回收策略:Delete/Retain

3.分配PV卷的绑定模式: lmmediate/WaitForFirstConsumer

4.存储是否支持扩容: true/false

5.驱动名字: disk.csi.everest.io、.....

6．驱动类型:块存储、文件存储、对象存储........

StorageClass应用场景解读

无论在资源管控严格还是资源管控敏捷的场景，资源管理员都希望通过创建k8s的存储接口来管理容器存储资源。

k8s通过存储声明(pvc)、存储类(SC)和存储抽件(ariver)从口L1P，满足用户一键式定义、创建存储。

1.用户在StatefulSet模板中定义对存储的需要

2.StatefulSet控制器负责将claim模板转换为pvc

3.结合自定的sc和sc中指定的driver，创建应用所需要的pv卷。

2.CSI容器存储接口架构解读

什么是云原生存储?

云原生的理解:

1.从技术视角看:一种还在不断演进中的设计思想，它主要是为了充分利用云计算的优势、促进云计算技术发展而构建和运行应用的设计思想;

2.从用户视角看:一种让用户从迭代慢、运维重、升级难的包袱中解脱出来，聚焦业务开展的设计思想。

云原生应用的理解:基于云原生技术构建、运行的应用程序，它具有:

1.行为可预测，快速弹性扩缩容;

2.持续交付，使研发流程更敏捷;

3.基于API构建，团队协作更顺畅;

4.独立性强，促进DevOps的开展;

5.依赖少，轻量，故障恢复快速。

云原生存储的理解:

1.从技术视角看:符合以应用为中心、可被声明和组合实现、是API驱动和服务自治、具有敏捷等特性的存储系统;

2.从用户视角看:最大的是使能云原生应用特性的存储系统。

CSI是容器存储接口规范，被K8S选为存储接入规范。

以CSI存储架构为例，解读容器存储架构，如下图所示:

1.控制接口A:K8S平台通过控制接口调用存储提供商发布的控制APl;

2.控制接口B:K8S平台通过sideCar (external-provisioner/attacher等）调用存储提供商发布的控制APl;

3.数据接口C:数据面，存储通过文件系统、块设备等方式为K8S平台中运行的workload提供存储读写等能力;

CSI存储接口解读

1.CSI接口可分为三类：identity、ControllerServer、nodeServer。

CSI服务共分为2类:

①NodeServer: kubelet对已经绑定到节点上的存储卷的操作，如mount/umount.格式化等;

②ControllerServer:对存储服务管理的操作，如创建/删除、快照、扩容等

自研CSI插件的构建思路

1.CSI接口调用流程，我们以块存储为例，图示接口调用，如右图所示;

2．CSI插件的sideCar和node-driver之间的关系，如下图所示:

           控制面的sideCar与driver通过Deployment/StatefulSet部署;

           数据面的sideCar与driver通过DaemonSet部署;

           sideCar容器和driver容器在pod中通过UDS(unix domain socket)调用，完成卷的生命周期管理;

           Kubelet与node-driver之间通过UDS调用，完成节点上卷的格式化、挂载给容器使用操作。

CSI架构中sideCar与driver之间是采用UDS(Unix Domain Socket)通讯的。

CSI插件注册流程解读：

CSI插件在kubernetes中的注册流程:

 1.Kubelet启动后，plugin Manager不断watch插件目录:

        /var/lib/kubelet/plugin_registry/，主要方法是:kubelet.getPluginsRegistrationDir()

2.通过DaemonSet部署的csi-driver，在节点启动后:

          ①Drivers容器启动后，创建gRPC server，并监听csi.sock

          ②sideCar容器启动后，也创建一个gRPC server，并监听{driverName}.-reg.sock,node-driver-registrar通过UDS调用GetPluginInfo)向driver请求driver信息;

3.Kubelet pluginManager发现{driverName}.-reg.sock后，会纳入插件管理里;csi VolumePlugin会向{driverName}.-reg.sock通过gRPC client向node-driver-registrar发送GetInfo()请求;

4.Kubelet csi VolumeManager向driver的csi.sock发送NodeGetlnfo()请求;

5.Kubelet根据收集到的信息，创建CSINode信息

6.Kubelet调用NotifyRegistrationStatus()通知node-driver-registrar注册情况。

3.云原生存储最佳实践：从FlexVolume插件向CSI插件迁移

CSI存储兼容in-tree插件存储的方案解读:

k8s社区里通过CSIMigration来实现in-tree的存储插件向CSI插件“迁移”，或称之为兼容，这部分兼容会逐步“日落”并下线。

CSIMigration，归根到底就是起到一个转换器作用，在保证北向API不改变的情况下进行转换成CSI的持久卷，并能够被CSI插件管理。

主要涉及到的组件有:
1. Kube-controller-manager:

         添加支持CSIMigration的插件——appendAttachableLegacyProviderVolumes;

         Dsw、AttachDetach控制器、expand控制器中添加CSIMigration的csiMigratedPluginManager和intreeToCSITranslator，负责将intree的volume配置信息转换为CSI格式的配置信息，以供后续CSI插件调用;

2. Kubelet:

         添加支持CSIMigration的插件———appendLegacyProviderVolumes

         volumeManger中添加CSIMigration的csiMigratedPluginManager和intreeToCSITranslator，负责将intree的volume配置信息转换为CSI格式的配置信息，以供后续CSI插件调用;

本课总结：

StatefulSet：简称sts，有状态应用，一种k8s为用户提供一组具有有序、唯一、稳定的应用实例集合。

Volume：卷，k8s为存算分离所做的解耦设计，让用户更加专注于业务功能设计。它在k8s中是依托于pod而使用的。

PersistentVolume：简称pv，持久化存储，是k8s为云原生应用提供一种拥有独立生命周期的、用户可管理的存储抽象设计。

PersistentVolumeClaim：简称pvc，持久化存储声明，是K8S为解耦云原生应用和数据存储而设计的，通过pvc可以让资源管控更细更灵活、团队职责分离应用模板更通用，进一步解除了用户被云平台锁定的顾虑。

StorageClass：简称sc，存储类，是K8S平台为存储提供商提供存储接入的一种声明，通过sc和相应的存储插件(csi/flexvolume)为容器应用提供动态分配存储卷的能力。

参考链接:

1.相关内容的华为云官网链接: https://support.huaweicloud.com/usermanual-cce/cce_01_0042.html

2.CCE云容器引擎官方首页: https://www.huaweicloud.com/product/cce.html

3. Kubernetes CSI官方文档: https://kubernetes-csi.github.io/docs/introduction.html

4. Kubernetes官方文档:

StatefulSet: https://kubernetes.io/docs/concepts/workloads/controllers/statefulset/

Storage: https://kubernetes.io/docs/concepts/storage/