Kubernetes Persistent Volume 原理
tags: 存储
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在持久化存储领域，用户呼声最高的定制化需求，莫过于支持“本地”持久化存储了。也就是说，用户希望 Kubernetes 能够直接使用宿主机上的本地磁盘目录，而不依赖于远程存储服务，来提供“持久化”的容器 Volume。这样做的好处很明显，由于这个 Volume 直接使用的是本地磁盘，尤其是 SSD 盘，它的读写性能相比于大多数远程存储来说，要好得多。这个需求对本地物理服务器部署的私有 Kubernetes 集群来说，非常常见。
所以，Kubernetes 在 v1.10 之后，就逐渐依靠 PV、PVC 体系实现了这个特性。这个特性的名字叫作：Local Persistent Volume。
过，首先需要明确的是，Local Persistent Volume 并不适用于所有应用。事实上，它的适用范围非常固定，比如：高优先级的系统应用，需要在多个不同节点上存储数据，并且对 I/O 较为敏感。典型的应用包括：分布式数据存储比如 MongoDB、Cassandra 等，分布式文件系统比如 GlusterFS、Ceph 等，以及需要在本地磁盘上进行大量数据缓存的分布式应用。
其次，相比于正常的 PV，一旦这些节点宕机且不能恢复时，Local Persistent Volume 的数据就可能丢失。这就要求使用 Local Persistent Volume 的应用必须具备数据备份和恢复的能力，允许你把这些数据定时备份在其他位置。
不难想象，Local Persistent Volume 的设计，主要面临两个难点。
- 第一个难点在于：如何把本地磁盘抽象成 PV。
可能你会说，Local Persistent Volume，不就等同于 hostPath 加 NodeAffinity 吗？
比如，一个 Pod 可以声明使用类型为 Local 的 PV，而这个 PV 其实就是一个 hostPath 类型的 Volume。如果这个 hostPath 对应的目录，已经在节点 A 上被事先创建好了。那么，我只需要再给这个 Pod 加上一个 nodeAffinity=nodeA，不就可以使用这个 Volume 了吗？
事实上，你绝不应该把一个宿主机上的目录当作 PV 使用。这是因为，这种本地目录的存储行为完全不可控，它所在的磁盘随时都可能被应用写满，甚至造成整个宿主机宕机。而且，不同的本地目录之间也缺乏哪怕最基础的 I/O 隔离机制。
所以，一个 Local Persistent Volume 对应的存储介质，一定是一块额外挂载在宿主机的磁盘或者块设备（“额外”的意思是，它不应该是宿主机根目录所使用的主硬盘）。这个原则，我们可以称为“一个 PV 一块盘”。
- 第二个难点在于：调度器如何保证 Pod 始终能被正确地调度到它所请求的 Local Persistent Volume 所在的节点上呢？
造成这个问题的原因在于，对于常规的 PV 来说，Kubernetes 都是先调度 Pod 到某个节点上，然后，再通过“两阶段处理”来“持久化”这台机器上的 Volume 目录，进而完成 Volume 目录与容器的绑定挂载。
可是，对于 Local PV 来说，节点上可供使用的磁盘（或者块设备），必须是运维人员提前准备好的。它们在不同节点上的挂载情况可以完全不同，甚至有的节点可以没这种磁盘。
所以，这时候，调度器就必须能够知道所有节点与 Local Persistent Volume 对应的磁盘的关联关系，然后根据这个信息来调度 Pod。
这个原则，我们可以称为“在调度的时候考虑 Volume 分布”。在 Kubernetes 的调度器里，有一个叫作 VolumeBindingChecker 的过滤条件专门负责这个事情。在 Kubernetes v1.11 中，这个过滤条件已经默认开启了。
基于上述讲述，在开始使用 Local Persistent Volume 之前，你首先需要在集群里配置好磁盘或者块设备。在公有云上，这个操作等同于给虚拟机额外挂载一个磁盘，比如 GCE 的 Local SSD 类型的磁盘就是一个典型例子。而在我们部署的私有环境中，你有两种办法来完成这个步骤。
- 第一种，当然就是给你的宿主机挂载并格式化一个可用的本地磁盘，这也是最常规的操作；
- 第二种，对于实验环境，你其实可以在宿主机上挂载几个 RAM Disk（内存盘）来模拟本地磁盘。
接下来，我会使用第二种方法，在我们之前部署的 Kubernetes 集群上进行实践。首先，在名叫 node-1 的宿主机上创建一个挂载点，比如 /mnt/disks；然后，用几个 RAM Disk 来模拟本地磁盘，如下所示：
# 在node-1上执行
$ mkdir /mnt/disks
$ for vol in vol1 vol2 vol3; do
mkdir /mnt/disks/$vol
mount -t tmpfs $vol /mnt/disks/$vol
done
需要注意的是，如果你希望其他节点也能支持 Local Persistent Volume 的话，那就需要为它们也执行上述操作，并且确保这些磁盘的名字（vol1、vol2 等）都不重复。
接下来，我们就可以为这些本地磁盘定义对应的 PV 了，如下所示：
apiVersion: v1
kind: PersistentVolume
metadata:
name: example-pv
spec:
capacity:
storage: 5Gi
volumeMode: Filesystem
accessModes:
- ReadWriteOnce
persistentVolumeReclaimPolicy: Delete
storageClassName: local-storage
local:
path: /mnt/disks/vol1
nodeAffinity:
required:
nodeSelectorTerms:
- matchExpressions:
- key: kubernetes.io/hostname
operator: In
values:
- node-1
可以看到，这个 PV 的定义里：local 字段，指定了它是一个 Local Persistent Volume；而 path 字段，指定的正是这个 PV 对应的本地磁盘的路径，即：/mnt/disks/vol1。
当然了，这也就意味着如果 Pod 要想使用这个 PV，那它就必须运行在 node-1 上。所以，在这个 PV 的定义里，需要有一个 nodeAffinity 字段指定 node-1 这个节点的名字。这样，调度器在调度 Pod 的时候，就能够知道一个 PV 与节点的对应关系，从而做出正确的选择。这正是 Kubernetes 实现“在调度的时候就考虑 Volume 分布”的主要方法。
接下来，我们就可以使用 kubect create 来创建这个 PV，如下所示：
$ kubectl create -f local-pv.yaml
persistentvolume/example-pv created
$ kubectl get pv
NAME CAPACITY ACCESS MODES RECLAIM POLICY STATUS CLAIM STORAGECLASS REASON AGE
example-pv 5Gi RWO Delete Available local-storage 16s
可以看到，这个 PV 创建后，进入了 Available（可用）状态。
而正如我在上一篇文章里所建议的那样，使用 PV 和 PVC 的最佳实践，是你要创建一个 StorageClass 来描述这个 PV，如下所示：
kind: StorageClass
apiVersion: storage.k8s.io/v1
metadata:
name: local-storage
provisioner: kubernetes.io/no-provisioner
volumeBindingMode: WaitForFirstConsumer
这个 StorageClass 的名字，叫作 local-storage。需要注意的是，在它的 provisioner 字段，我们指定的是 no-provisioner。这是因为 Local Persistent Volume 目前尚不支持 Dynamic Provisioning，所以它没办法在用户创建 PVC 的时候，就自动创建出对应的 PV。也就是说，我们前面创建 PV 的操作，是不可以省略的。
与此同时，这个 StorageClass 还定义了一个 volumeBindingMode=WaitForFirstConsumer 的属性。它是 Local Persistent Volume 里一个非常重要的特性，即：延迟绑定。
我们知道，当你提交了 PV 和 PVC 的 YAML 文件之后，Kubernetes 就会根据它们俩的属性，以及它们指定的 StorageClass 来进行绑定。只有绑定成功后，Pod 才能通过声明这个 PVC 来使用对应的 PV。
可是，如果你使用的是 Local Persistent Volume 的话，就会发现，这个流程根本行不通。比如，现在你有一个 Pod，它声明使用的 PVC 叫作 pvc-1。并且，我们规定，这个 Pod 只能运行在 node-2 上。
而在 Kubernetes 集群中，有两个属性（比如：大小、读写权限）相同的 Local 类型的 PV。其中，第一个 PV 的名字叫作 pv-1，它对应的磁盘所在的节点是 node-1。而第二个 PV 的名字叫作 pv-2，它对应的磁盘所在的节点是 node-2。
假设现在，Kubernetes 的 Volume 控制循环里，首先检查到了 pvc-1 和 pv-1 的属性是匹配的，于是就将它们俩绑定在一起。然后，你用 kubectl create 创建了这个 Pod。这时候，问题就出现了。
调度器看到，这个 Pod 所声明的 pvc-1 已经绑定了 pv-1，而 pv-1 所在的节点是 node-1，根据“调度器必须在调度的时候考虑 Volume 分布”的原则，这个 Pod 自然会被调度到 node-1 上。
可是，我们前面已经规定过，这个 Pod 根本不允许运行在 node-1 上。所以。最后的结果就是，这个 Pod 的调度必然会失败。这就是为什么，在使用 Local Persistent Volume 的时候，我们必须想办法推迟这个“绑定”操作。
那么，具体推迟到什么时候呢？答案是：推迟到调度的时候。
所以说，StorageClass 里的 volumeBindingMode=WaitForFirstConsumer 的含义，就是告诉 Kubernetes 里的 Volume 控制循环（“红娘”）：虽然你已经发现这个 StorageClass 关联的 PVC 与 PV 可以绑定在一起，但请不要现在就执行绑定操作（即：设置 PVC 的 VolumeName 字段）。
而要等到第一个声明使用该 PVC 的 Pod 出现在调度器之后，调度器再综合考虑所有的调度规则，当然也包括每个 PV 所在的节点位置，来统一决定，这个 Pod 声明的 PVC，到底应该跟哪个 PV 进行绑定。这样，在上面的例子里，由于这个 Pod 不允许运行在 pv-1 所在的节点 node-1，所以它的 PVC 最后会跟 pv-2 绑定，并且 Pod 也会被调度到 node-2 上。
所以，通过这个延迟绑定机制，原本实时发生的 PVC 和 PV 的绑定过程，就被延迟到了 Pod 第一次调度的时候在调度器中进行，从而保证了这个绑定结果不会影响 Pod 的正常调度。
当然，在具体实现中，调度器实际上维护了一个与 Volume Controller 类似的控制循环，专门负责为那些声明了“延迟绑定”的 PV 和 PVC 进行绑定工作。通过这样的设计，这个额外的绑定操作，并不会拖慢调度器的性能。而当一个 Pod 的 PVC 尚未完成绑定时，调度器也不会等待，而是会直接把这个 Pod 重新放回到待调度队列，等到下一个调度周期再做处理。在明白了这个机制之后，我们就可以创建 StorageClass 了，如下所示：
$ kubectl create -f local-sc.yaml
storageclass.storage.k8s.io/local-storage created
接下来，我们只需要定义一个非常普通的 PVC，就可以让 Pod 使用到上面定义好的 Local Persistent Volume 了，如下所示：
kind: PersistentVolumeClaim
apiVersion: v1
metadata:
name: example-local-claim
spec:
accessModes:
- ReadWriteOnce
resources:
requests:
storage: 5Gi
storageClassName: local-storage
可以看到，这个 PVC 没有任何特别的地方。唯一需要注意的是，它声明的 storageClassName 是 local-storage。所以，将来 Kubernetes 的 Volume Controller 看到这个 PVC 的时候，不会为它进行绑定操作。现在，我们来创建这个 PVC：
$ kubectl create -f local-pvc.yaml
persistentvolumeclaim/example-local-claim created
$ kubectl get pvc
NAME STATUS VOLUME CAPACITY ACCESS MODES STORAGECLASS AGE
example-local-claim Pending local-storage 7s
可以看到，尽管这个时候，Kubernetes 里已经存在了一个可以与 PVC 匹配的 PV，但这个 PVC 依然处于 Pending 状态，也就是等待绑定的状态。然后，我们编写一个 Pod 来声明使用这个 PVC，如下所示：
kind: Pod
apiVersion: v1
metadata:
name: example-pv-pod
spec:
volumes:
- name: example-pv-storage
persistentVolumeClaim:
claimName: example-local-claim
containers:
- name: example-pv-container
image: nginx
ports:
- containerPort: 80
name: "http-server"
volumeMounts:
- mountPath: "/usr/share/nginx/html"
name: example-pv-storage
这个 Pod 没有任何特别的地方，你只需要注意，它的 volumes 字段声明要使用前面定义的、名叫 example-local-claim 的 PVC 即可。而我们一旦使用 kubectl create 创建这个 Pod，就会发现，我们前面定义的 PVC，会立刻变成 Bound 状态，与前面定义的 PV 绑定在了一起，如下所示：
$ kubectl create -f local-pod.yaml
pod/example-pv-pod created
$ kubectl get pvc
NAME STATUS VOLUME CAPACITY ACCESS MODES STORAGECLASS AGE
example-local-claim Bound example-pv 5Gi RWO local-storage 6h
也就是说，在我们创建的 Pod 进入调度器之后，“绑定”操作才开始进行。这时候，我们可以尝试在这个 Pod 的 Volume 目录里，创建一个测试文件，比如：
$ kubectl exec -it example-pv-pod -- /bin/sh
# cd /usr/share/nginx/html
# touch test.txt
然后，登录到 node-1 这台机器上，查看一下它的 /mnt/disks/vol1 目录下的内容，你就可以看到刚刚创建的这个文件：
# 在node-1上
$ ls /mnt/disks/vol1
test.txt
而如果你重新创建这个 Pod 的话，就会发现，我们之前创建的测试文件，依然被保存在这个持久化 Volume 当中：
$ kubectl delete -f local-pod.yaml
$ kubectl create -f local-pod.yaml
$ kubectl exec -it example-pv-pod -- /bin/sh
# ls /usr/share/nginx/html
# touch test.txt
这就说明，像 Kubernetes 这样构建出来的、基于本地存储的 Volume，完全可以提供容器持久化存储的功能。所以，像 StatefulSet 这样的有状态编排工具，也完全可以通过声明 Local 类型的 PV 和 PVC，来管理应用的存储状态。
需要注意的是，我们上面手动创建 PV 的方式，即 Static 的 PV 管理方式，在删除 PV 时需要按如下流程执行操作：
- 删除使用这个 PV 的 Pod；
- 从宿主机移除本地磁盘（比如，umount 它）；
- 删除 PVC；
- 删除 PV。
如果不按照这个流程的话，这个 PV 的删除就会失败。当然，由于上面这些创建 PV 和删除 PV 的操作比较繁琐，Kubernetes 其实提供了一个 Static Provisioner 来帮助你管理这些 PV。
比如，我们现在的所有磁盘，都挂载在宿主机的 /mnt/disks 目录下。
那么，当 Static Provisioner 启动后，它就会通过 DaemonSet，自动检查每个宿主机的 /mnt/disks 目录。然后，调用 Kubernetes API，为这些目录下面的每一个挂载，创建一个对应的 PV 对象出来。这些自动创建的 PV，如下所示：
$ kubectl get pv
NAME CAPACITY ACCESSMODES RECLAIMPOLICY STATUS CLAIM STORAGECLASS REASON AGE
local-pv-ce05be60 1024220Ki RWO Delete Available local-storage 26s
$ kubectl describe pv local-pv-ce05be60
Name: local-pv-ce05be60
...
StorageClass: local-storage
Status: Available
Claim:
Reclaim Policy: Delete
Access Modes: RWO
Capacity: 1024220Ki
NodeAffinity:
Required Terms:
Term 0: kubernetes.io/hostname in [node-1]
Message:
Source:
Type: LocalVolume (a persistent volume backed by local storage on a node)
Path: /mnt/disks/vol1
这个 PV 里的各种定义，比如 StorageClass 的名字、本地磁盘挂载点的位置，都可以通过 provisioner 的配置文件指定。当然，provisioner 也会负责前面提到的 PV 的删除工作。
而这个 provisioner 本身，其实也是一个我们前面提到过的External Provisioner，它的部署方法，在对应的文档里有详细描述。这部分内容，就留给你课后自行探索了。
2. 总结
可以看到，正是通过 PV 和 PVC，以及 StorageClass 这套存储体系，这个后来新添加的持久化存储方案，对 Kubernetes 已有用户的影响，几乎可以忽略不计。作为用户，你的 Pod 的 YAML 和 PVC 的 YAML，并没有任何特殊的改变，这个特性所有的实现只会影响到 PV 的处理，也就是由运维人员负责的那部分工作。而这，正是这套存储体系带来的“解耦”的好处。其实，Kubernetes 很多看起来比较“繁琐”的设计（比如“声明式 API”，以及我今天讲解的“PV、PVC 体系”）的主要目的，都是希望为开发者提供更多的“可扩展性”，给使用者带来更多的“稳定性”和“安全感”。这两个能力的高低，是衡量开源基础设施项目水平的重要标准。
参考：