kubernetes【存储】2. Local Persistent Volume如何优雅使用

发布于:2023-01-20 ⋅ 阅读:(6) ⋅ 点赞:(0) ⋅ 评论:(0)

Kubernetes Persistent Volume 原理

tags: 存储

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https://www.youtube.com/watch?v=inJ7YJ-jt8I
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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

  1. 删除使用这个 PV 的 Pod;
  2. 从宿主机移除本地磁盘(比如,umount 它);
  3. 删除 PVC;
  4. 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: