8. 应用存储和持久化数据卷：核心知识

╰+攻爆jí腚メ 2022-12-28 01:41 210阅读 0赞

> 本文由 CNCF + Alibaba 云原生技术公开课 整理而来

### Volumes 介绍 ###

*  `Pod` 存在的问题：

Kubernetes 集群通过 `Deployment` 解决了 `Pod` 的更新、回滚及期望数量维持等问题。但 `Pod` 是一个逻辑概念，它对应的真正运行的还是容器，容器运行就会存在数据持久化的问题，而 `Pod` 在 Kubernetes 集群中是允许在各个 `Node` 之间漂移的，如何解决 `Pod` 的这两个问题：

1. Pod 中的某一个容器在运行时异常退出，被 Kubelet 重新拉起之后，如何保证之前容器产生的数据没有丢失？
    
    2. 同一 Pod 中的多个容器如何共享数据？

对于 `Pod` 数据持久化的这两个问题，Kubernetes 借助 `Volume` 来解决，`Pod Volumes` 的常用类型有这些：

1. 本地存储，常用的有 emptyDir 和 hostPath
    
    2. 网络存储，网络存储当前的实现方式有两种：in-tree，这种方式的代码是放在 Kubernetes 代码仓库中的，随着 Kubernetes 对存储类型支持的增多，这种方式会对 Kubernetes 本身的维护和发展带来很大负担；
       out-of-tree，它可以给 Kubernetes 本身解耦，通过抽象接口将不同存储驱动的实现代码剥离于 Kubernetes 代码仓库，各云厂商关于 Kubernetes 的网络存储插件都是基于 out-of-tree 方式实现的，Kubernetes 社区主推这种方式来实现网络存储插件
       
    3. Projected Volumes，它其实是将一些配置信息，如前面提到的 Secret、ConfigMap 用 Volumes 形式挂载在容器中，让容器中的程序可以通过 POSIX 接口来访问配置数据

*  `Persistent Volume`：

`Pod` 中声明的 `Volume` 的生命周期与 `Pod` 相同，这样会无法满足这些场景：

1. Pod 销毁重建（如 Deployment 管理的 Pod 升级）
    
    2. 宿主机故障迁移（如 StatefulSet 管理的 Pod 带 远程 Volume 迁移）
    
    3. 多 Pod 共享同一个数据 Volume
    
    4. 数据 Volume snapshot、resize 等功能的扩展实现

使用 `Pod Volumes` 无法准确实现数据 `Volume` 的复用和共享，snapshot、resize 等功能的扩展很难实现。如果能将存储和计算分离，使用不同的 `Controller` 管理存储与计算资源，解耦 `Pod` 和 `Volume` 的生命周期关联，就可以很好地满足以上场景。

因此，Kubernetes 引入了新的资源对象 `Persistent Volume(PV)` ，它可以将存储和计算分离。当把 `Pod` 删除之后，`Pod` 使用的 `Persistent Volume` 仍然存在，还可以被新建的 `Pod` 复用。

*  `Persistent Volume Claim`：

有了 `Persistent Volume` 之后，Kubernetes 又引入了与之对应使用的资源对象 `Persistent Volume Claim(PVC)`，这样做的目的在于：

1. 职责分离，PVC 中只需要声明自己需要存储的 size、access mode等业务真正关心的存储需求，PV 和其对应的后端存储信息则由集群管理员同一运维和管控，安全访问策略更容易控制
    
    2. PVC 简化了用户对存储的需求，PVC 是用户对 PV 资源的请求，PV 才是存储的实际信息的承载体。通过 Controller Manager 中的 PersistentVolumeController 将 PVC 与 合适的 PV 绑定到一起，从而满足用户对存储的实际需求
    
    3. PVC 可以理解为面向对象编程中抽象出来的接口，PV 是接口对应的实现

用户在使用 `PV` 时其实是通过 `PVC` 来完成的，通常用户在使用存储的时候，只需要声明所需的存储大小及访问模式，用户并不需要关心存储相关的实现细节。访问模式有 3 种：

ReadWriteOnce – 单节点读写
    
    ReadOnlyMany – 多节点只读
    
    ReadWriteMany – 多节点读写

通过 `PV` 和 `PVC`，将用户需求和实现细节解耦，用户只需要通过 `PVC` 声明自己的存储需求，`PV` 由集群管理员统一管控，`PV` 这个资源对象的产生有 `Static Volume Provisioning` 和 `Dynamic Volume Provisioning` 两种方式。

*  `Static Volume Provisioning`：

静态供给：由集群管理员事先去规划这个集群中的用户会怎样使用存储，他会预先创建一些 `PV`，然后用户再提交自己的 `PVC`，Kubernetes 内部相关组件会把 `PVC` 和 `PV` 绑定，之后用户在通过 `Pod` 使用存储时就可以通过 `PVC` 找到对应的 `PV`。

可以看到，静态方式需要集群管理员预分配，但预分配很难预测用户真实需求。例如，用户只申请了 20G 的存储需求，但实际上分配了 50G，这就会造成存储资源的浪费；还有可能预先分配的 `PV` 无法满足用户的存储需求，这就是更无法接受的结果。另外，如果集群规模很大，对存储资源的需求就会非常频繁，此时如果依靠集群管理员预分配，难免会导致需求无法满足的情况，这显然并不可取。

*  `Dynamic Volume Provisioning`：

动态供给：集群管理员并不会预先创建 `PV`，他会写一个模板文件，这个模板文件用来表示创建某一类型存储（块存储、文件存储等）所需的一些参数，这些参数与存储实现有关。用户只需要提交自己的存储需求，并在 `PVC` 文件中指定要使用的存储模板（`StorageClass`）即可。

Kubernetes 集群中的管控组件，会结合 `PVC` 和 `StorageClass(SC)` 的信息动态，生成用户所需要的存储 `PV`，将 `PVC` 和 `PV` 进行绑定后，`Pod` 就可以使用 `PV` 了。通过 `StorageClass` 配置生成存储所需要的存储模板，再结合用户的需求动态创建 `PV` 对象，做到按需分配，在没有增加用户使用难度的同时也解放了集群管理员的运维工作。

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### Volumes 用法 ###

下面简单介绍 `Pod Volumes` 的用法。

*  `Pod Volumes` 语法：

test-pod `Pod` yaml 文件示例：

apiVersion: v1
    kind: Pod
    metadata:
      name: test-pod
    spec:
      containers:
      - name: container-1
        image: ubuntu:18.04
        volumeMounts:
        - name: cache-volume
          mountPath: /cache
          subPath: cache1
        - name: hostpath-volume
          mountPath: /data
          readOnly: true
      - name: container-2
        image: ubuntu:18.04
        volumeMounts:
        - name: cache-volume
          mountPath: /cache
          subPath: cache2
      volumes:
      - name: cache-volume
        emptyDir: { }
      - name: hostpath-volume
        hostPath:
          path: /tmp/data

文件解析：

.spec.volumes  声明 Pod 的 Volumes 信息
    
    .spec.containers.volumeMounts  声明 Containers 如何使用 Pod 的 Volumes
    
    .spec.containers.volumeMounts.mountPath  声明 Pod 的 Volumes 在 Containers 内部的挂载路径
    
    .spec.containers.volumeMounts.subPath  声明多个 Container 在共享同一个 Volume 时数据存储的子路径
    
    .spec.containers.volumeMounts.readOnly  声明该 Volume 为只读挂载

`emptyDir`、`hostPath` 都是本地存储。`emptyDir` 是在 `Pod` 创建的过程中临时创建的一个目录，这个目录随着 `Pod` 删除而被删除，里面的数据会被清空掉；`hostPath` 顾名思义，就是宿主机上的一个路径，在 `Pod` 删除之后，这个目录还是存在的，它的数据也不会被丢失。

*  `PV` 语法：

nas-csi-pv `PersistentVolume` yaml 文件示例：

apiVersion: v1
    kind: PersistentVolume
    metadata:
      name: nas-csi-pv
    spec:
      capacity:
        storage: 5Gi
      accessModes:
      - ReadWriteMany
      persistentVolumeReclaimPloicy: Retain
      csi:
        driver: nasplugin.csi.alibabacloud.com
        volumeHandle: data-id
        volumeAttributes:
          host: "xxx.cn-hangzhou.nas.aliyuncs.com"
          path: "/k8s"
          vers: "4.0"

文件解析：

apiVersion: v1     表示 PersistentVolume 的 API 版本是 v1
    
    kind        表示 Kubernetes 资源类型是 PersistentVolume
    
    metadata    表示 PersistentVolume 的元数据，元数据通常包含 name、labels、annotations 等
    
    spec    表示 PersistentVolume 的期望状态，.spec.capacity.storage 表示期望的 PersistentVolume 容量大小；.spec.accessModes 表示 PersistentVolume 的访问模式；
            .spec.csi 表示 Container Storage Interface，云厂商的 CSI 各不相同，.spec.csi.driver 需要提前在 Node 上部署

nas-pvc `PersistentVolumeClaim` yaml 文件示例：

apiVersion: v1
    kind: PersistentVolumeClaim
    metadata:
      name: nas-pvc
    spec:
      accessModes:
      - ReadWriteMany
      resources:
        requests:
          storage: 5Gi

文件解析：

apiVersion: v1     表示 PersistentVolumeClaim 的 API 版本是 v1
    
    kind        表示 Kubernetes 资源类型是 PersistentVolumeClaim
    
    metadata    表示 PersistentVolumeClaim 的元数据，元数据通常包含 name、namespace、labels、annotations 等
    
    spec    表示 PersistentVolumeClaim 的期望状态，.spec.accessModes 表示需要的 PersistentVolume 的访问模式；.spec.resources.requests.storage 表示需要的 PersistentVolume 容量大小

`PVC` 期望的状态如果有 `PV` 能够满足，则 Kubernetes 内部相关组件会把 `PVC` 和 `PV` 绑定。 `Pod` yaml 文件中使用上面的 `PVC`：

apiVersion: v1
    kind: Pod
    metadata:
      name: test-pod
    spec:
      containers:
      - name: nginx
        image: nginx:1.7.9
        ports:
        - containerPort: 80
        volumeMounts:
        - name: nginx-pvc
          mountPath: /data
      volumes:
      - name: nginx-pvc
        persistentVolumeClaim:
          claimName: nas-pvc                #指定 PVC 名称

*  `SC` 语法：

`SC` 就是动态创建 `PV` 的模板，为创建 `PV` 对象提供必要的参数。

alicloud-nas-subpath-public `StorageClass` yaml 文件示例：

apiVersion: storage.k8s.io/v1
    kind: StorageClass
    metadata:
      name: alicloud-nas-subpath-public
    provisioner: nasplugin.csi.alibabacloud.com
    mountOptions:
    - nolock,tcp,noresvport
    - vers=4
    parameters:
      volumeAs: subpath
      server: "xxxxxx.cn-hangzhou.nas.aliyuncs.com:/"
    reclaimPolicy: Retain

文件解析：

apiVersion: v1     表示 StorageClass 当前所属的组是 storage.k8s.io，版本是 v1
    
    kind        表示 Kubernetes 资源类型是 StorageClass
    
    metadata    表示 StorageClass 的元数据，元数据通常包含 name、labels、annotations 等
    
    provisioner    表示 StorageClass 的插件名称
    
    mountOptions    表示插件的挂载选项
    
    parameters      表示插件的参数
    
    reclaimPolicy   表示 StorageClass 动态分配的 PV 的回收策略

每个`StorageClass` 都包含 `provisioner`、`parameters`、`reclaimPolicy`字段，这些字段会在 `StorageClass` 动态分配 `PersistentVolume` 时会使用到。

nas-pvc `PersistentVolumeClaim` yaml 文件示例：

apiVersion: v1
    kind: PersistentVolumeClaim
    metadata:
      name: nas-pvc
    spec:
      accessModes:
      - ReadWriteMany
      resources:
        requests:
          storage: 5Gi
      sotrageClassName: alicloud-nas-subpath-public

文件解析：

`PVC` 期望的状态如果有 `PV` 能够满足，则 Kubernetes 内部相关组件会把 `PVC` 和 `PV` 绑定。 `Pod` yaml 文件中使用上面的 `PVC`：

在动态创建 `PV` 时，与静态创建不同之处在于，`PVC` 需要增加 `.sepc.sotrageClassName` 字段来指定 `StorageClass` 的名称，而 `Pod` 在使用 `PVC` 时并不需要改变。

> 注意：`PV` 和 `SC` 不区分 namespace；`PVC` 区分 namespace。

*  `PV Spec` 重要字段解析：

Capacity：存储容量大小
    
    AccessModes：访问模式
    
        ReadWriteOnce：只允许单个 Node 读写访问
        
        ReadOnlyMany：允许多个 Node 只读访问
        
        ReadWriteMany：允许多个 Node 读写访问
    
    ReclaimPolicy：回收策略
        
        Recycle：回收（已废弃，不推荐使用）
        
        Delete：删除，PVC 被删除之后，PV 也会被删除
        
        Retain：保留，由管理员手动处理
    
    StorageClassName：StorageClassName 名称
    
    NodeAffinity：Node 亲和度，声明对 Node 的限制

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### 架构设计 ###

*  `PV` 和 `PVC` 的处理流程：

`CSI` 的全称是 `Container Storage Interface`，它是 Kubernetes 社区对存储插件实现（`out of tree`）的官方推荐方式。`CSI` 的实现大体可以分为两部分：

一部分是由 Kubernetes 社区驱动实现的通用的部分，例如 `CSI-Provisioner Controller` 和 `CSI-Attacher Controller`。另外一种是由云厂商实现的，对接云存储厂商的 OpenApi，主要是实现存储真正的 `create/delete/mount/unmount` 相关操作，对应到 `CSI-Controller-Server` 和 `CSI-Node-Server`。

当提交 yaml 文件之后，Kubernetes 内部首先会在集群中生成一个 `PVC` 对象，然后 `PVC` 对象会被 `CSI-Provisioner Controller` watch 到，`CSI-Provisioner Controller` 会结合 `PVC` 对象以及 `PVC` 对象中声明的 `StorageClass`，通过 GRPC 调用 `CSI-Controller-Server`，之后到云存储服务这边创建真正的存储，并创建出来 `PV` 对象。最后，由集群中的 `PV Controller` 将 `PVC` 和 `PV` 对象做绑定操作， 之后这个 `PV` 就可以被使用了。

用户在提交 `Pod` 之后，首先会被调度器调度选中某一个合适的 `Node`，然后该 `Node` 上的 `Kubelet` 在创建 `Pod` 流程中会先通过 `CSI-Node-Server` 将前面创建的 `PV` 挂载到 `Pod` 可以使用的路径，之后 `Kubelet` 才开始创建并启动 `Pod` 中的所有 `Container`。

*  PV、PVC 以及通过 csi 使用存储流程：

主要分为三个阶段：

1.  Create 阶段：用户提交完 `PVC`，由 `CSI-Provisioner` 创建存储，并生成 `PV` 对象，之后 `PV Controller` 将 `PVC` 及生成的 `PV` 对象做绑定；
2.  Attach 阶段：之后用户在提交 `Pod` yaml 时，首先会被调度到某一个合适的 `Node`，等 `Node` 被选出来之后，会被 `AD Controller` watch 到，它会去查找 `Pod` 中使用了哪些 `PV`。然后它会生成一个内部的对象叫 `VolumeAttachment` 对象，从而去触发 `CSI-Attacher` 去调用 `CSI-Controller-Server` 去做真正的 Attach 操作，Attach 操作会调到云存储厂商的 OpenAPI；
3.  Mount 阶段：发生在 `Kubelet` 创建 `Pod` 的过程中，它会先去做一个 Mount 操作，是为了将已经 Attach 到 `Node` 上面的那块盘，进一步 Mount 到 `Pod` 可以使用的一个具体路径，之后 `Kubelet` 才开始创建并启动容器。

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