摘要:云计算 六、 共享存储原理   Kubernetes对有状态或者对数据需要持久化的应用,不仅需要将容器内的目录挂载到宿主机的目录或
云计算 六、 共享存储原理
Kubernetes对有状态或者对数据需要持久化的应用,不仅需要将容器内的目录挂载到宿主机的目录或者empDir临时存储卷,而且需要更加可靠的存储来保存应用产生的重要数据,以便于容器应用重建以后,仍然可以使用之前的数据。为了能够屏蔽底层存储实现的细节,让用户方便使用,同时能让管理员方便管理,kubernetes从v1.0版本就引入了persistentVolume和persistentVolumeCliam两个资源对象来实现对存储的管理。
persistentVolume(PV)是对底层网络共享存储的抽象,将共享存储定义为一种“资源”,比如节点也是一种容器应用可以消费的资源。PV由管理员进行创建和配置,它与共享存储的具体实现直接相关,例如:GlusterFS、iSCSI、RBD或者GEC/AWS公有云提供的共享存储,通过插件式的机制完成与共享存储的对接,以供应用访问和使用。 persistentVolumeCliam(PVC)则是用户对于存储资源的一个“申请”。就像Pod“消费”node的资源一样,PVC会“消费”PV资源。PVC可以申请特定的存储空间和访问模式。
使用PVC“申请”到一定的存储空间仍然不足以满足应用对于存储设备的各种需求。通常应用程序都会对存储设备的特性和性能有不同的要求。包括读写速度、并发性能、数据冗余等更高的要求,kubernetes从v1.4开始引入了一个新的资源对象storageClass,用于标记存储资源的特性和性能。到v1.6版本时,storageClass和动态资源应用机制得到了完善,实现了存储卷的按需创建。
那么下面小编将对PV、PVC、storageClass和动态资源供应等共享存储管理机制进行详细说明。
PV作为存储资源,主要包括存储能力、访问模式、存储类型、回收策略、后端存储类型等关键信息的设置。以下面配置为例:
apiVersion: v1
kind: PersistentVolume
metadata:
name: pv1
spec:
capacity:
storage: 5Gi
accessModes:
- ReadWriteOnce
persistentVolumeReclaimPolicy: Recycle
storageClassName: slow
nfs:
path: /tmp
server: 172.17.0.2
上面这个例子就创建了一个5G空间,访问模式为ReadWriteOnce,存储类型为”slow”(这里需要要求系统已经创建了名为slow的storageClass 资源对象),回收策略为“recycle”,并且后端存储类型为nfs(并设置了NFS server的IP和路径)
Kubernetes支持的PV的类型如下:
GCEPersistentDisk #GEC公有云提供的PersistentDisk
AWSElasticBlockStore #AWS公有云提供的ElasticBlockStore
AzureFile #Azure公有云提供的File
AzuRedisk #AzureDisk提供的Disk
FC (Fibre Channel)
Flexvolume
Flocker
NFS #网络文件系统
iSCSI
RBD (Ceph Block Device) #Ceph存储块
CephFS
Cinder (OpenStack block storage) #openStack Cinder块存储
Glusterfs
VsphereVolume
Quobyte Volumes
HostPath #宿主机目录,仅用于单机测试
Portworx Volumes
ScaleIO Volumes
StorageOS
① 存储能力(capacity)
描述存储设备具备的能力,目前仅支持对存储空间的设置(storage:xxx)
② 访问模式(Access Modes)
对PV进行访问模式的设置,用于描述用户应用对存储资源的访问权限。访问模式如下:
ReadWriteOnce:读写权限,并且只能被单个node挂载
ReadOnlyMany:只读权限,可以被多个node挂载
ReadWriteMany:读写权限,可以被多个node挂载
注意:PV可以可能支持多种访问模式,但PV在挂载时只能使用一种访问模式,多种访问模式不能同时生效。
对于不同类型的PV有不同的访问模式,在PV的定义时需要与他们匹配:
③ 存储类别(class)
PV可以设定其存储的类别,通过storageClassName参数指定一个storageClass资源对象的名称。具有特定“类别”的PV只能与请求了该“类别”的PVC进行绑定。未设定“类别”的PV则只能与不请求任何“类别”的PVC进行绑定。storageClass资源对象会在后面的动态资源供应中大展神威。
④ 回收策略(Reclaim Policy)
目前支持以下三种回收策略:
保留(Retain):保留数据,需要手工处理
回收空间(Recycle):简单清除文件的操作(例如执行rm -rf /xx/*)
删除(Delete):与PV相连的后端存储完成volume的删除操作(如AWS EBS、GCE PD、Azure Disk、OpenStack Cinder等设备的内部volume清理)
注意:目前只有NFS和hostPath支持“Recycle”,AWS EBS、GCE PD、Azure Disk、OpenStack Cinder支持“Delete”。
某个PV在生命周期中,可能处于以下4个节点之一:
Available:可用状态,还与某个PVC绑定
Bound:已经与某个PVC绑定
Released:绑定的PVC已经删除,资源已经释放,但没有被集群回收
Failed:自动资源回收失败
在将一个PV挂载到一个node上时,根据后端存储的特点,可能需要设置额外的挂载参数,目前可以通过在PV的定义中,设置一个名为“volume.beta.kubernetes.io/mount/options”的annotation来实现。下面小编通过一个gcePersistentDisk设置挂载参数为例:
apiVersion: v1
kind: PersistentVolume
metadata:
name: gce-disk-1
annotations:
volume.beta.kubernetes.io/mount/options: discard
sepc:
capacity:
storage: 10Gi
accessModes:
- ReadWriteOnce
gcePersistentDisk:
fsType: ext4
pdName: gce-disk-1
2. PVC详细介绍
上面我们了解了PV的定义,这里我们就使用它,这时就需要PVC了。PVC作为用户对存储资源的需求申请,主要包括存储空间申请、访问模式。PV选择条件和存储类别等信息的设置。
接下来小编也是通过一个例子,向大家介绍如果定义PVC去使用PV:
kind: PersistentVolumeClaim
apiVersion: v1
metadata:
name: myclaim
sepc:
accessModes:
- ReadWriteOnce
resources:
requests:
storage: 8Gi
storageClassName: slow
selector:
matchLabels:
release: stable
matchExpressions:
- {key: environment, operator: In, values: [dev]}
申请8G空间,访问模式为“ReadWriteOnce”、PV选择条件包括标签为“release=stable”并且包含条件为“environment in dev”的标签,存储类别为slow(系统中已经存在)。
其中对PVC的关键配置详细介绍:
资源请求(resources):仅支持存储空间大小请求
资源请求(resources):仅支持存储空间大小请求
PV的选择条件:通过label selector去筛选可以使用的PV,系统将根据标签找到合适得到PV,并且将PV与PVC绑定
存储类别:PVC在定义时可以设定需要的后端存储的类别,以降低对后端存储特性的依赖。只有设置了该class的PV才能被系统筛选出来,并且与该PVC绑定
这里针对PVC是否设置class需求,小编进行详细的说明一下:
这里分为两种情况:
系统启用了defaultStorageClass
如果启用了defaultStorageClass但是,系统中不存在默认的storageClass,那么等效于不启用defaultStorageClass的情况
如果启用了defaultStorageClass并且系统中有默认的storageClass,则系统自动的为PVC创建一个PV(使用默认的defaultStorageClass),并将它们绑定
系统未启用defaultStorageClass
如果设置了storageClass为“”或者没有设置storageClass字段,那么只能选择未设定storageclass的PV与之进行匹配和绑定
设置默认的storageClass的方法是,在storageClass上定义一个annotation“storageclass.kubernetes.io/is-default-class=true”,但是不能给多个storageClass都设置annotation,如果这样的话由于不唯一,系统无法为PVC创建相应的PV。
使用PV与PVC绑定的注意项:
PV和PVC都受namespace的 限制,只有相同namespace中的PV和PVC才能绑定,并只有相同namespace下pod才能挂载PVC。
当在PVC定义中同时设置了selector和storageClassName,只有二者同时满足条件才能将PV和PVC绑定。
PV可以看做可用的存储资源,PVC则是对存储资源的请求,PV和PVC的相互关系如下图所示:
接下来由图我们逐一介绍:
Kubernetes支持两种资源供应模式:静态模式和动态模式。资源供应的结果就是创建好的PV。
静态模式:集群管理员手工创建许多PV,在定义PV时需要将后端存储的特性进行设置。
动态模式:集群管理员无须手动创建PV,而是通过storageClass的设置对后端存储进行描述,标记为某种“类型”。此时要求PVC对存储的类型进行声明,系统将自动完成PV的创建于PVC的绑定。
在用户定义好PVC之后,系统将根据PVC对存储资源的请求在已经存在的PV中选择一个满足PVC要求的PV,一旦找到,就将该PV与用户定义的PVC进行绑定,然后用户的应用就可以使用这个PVC。如果系统中没有满足PVC要求的PV,PVC则会无限期的处于pending状态,直到等待系统管理员创建了一个符合其要求的PV。PV一旦绑定到某个PVC上,就被这个PVC独占,不能与其他的PVC进行绑定了。这样的话容易造成资源的浪费,如果使用的是动态模式,则系统在为PVC找到合适的storageClass后将自动创建一个PV并完成与PVC的绑定。
(3) 资源使用(Using)Pod使用volume的定义,将PVC挂载到容器内的某个路径进行使用。Volume的类型为“persistentVolumeClaim”,在后面的示例中再进行详细的说明。在容器应用挂载了一个PVC之后,就能被持续独占使用。不过,多个pod可以挂载同一个PVC。
(4) 资源释放当用户对存储资源使用完毕之后,用户可以删除PVC,与该PVC绑定的PV将会被标价为“已释放”,但还不能立刻与其他PVC进行绑定。通过之前PVC写入的数据可能还留在存储设备上,只有在清除之后该PV才能再次使用。
(5) 资源回收对于PV,管理员可以设置回收策略,用于设置与之绑定的PVC释放资源之后,对于遗留数据如何处理。只有PV的存储空间完成回收,才能供新的PVC绑定和使用。
最后小编通过两幅图,来介绍一下静态资源供应模式和动态资源供应模式的原理,为下面一节内容做铺垫:
静态模式下的PV和PVC原理
动态模式下storageClass、PV、PVC原理
StorageClass作为对存储资源的抽象定义,对用户设置的PVC申请屏蔽后端存储的细节,一方面减轻用户对于存储资源细节的关注,另一方面也减轻了管理员手工管理PV的工作,由系统自动完成PV的创建和绑定,实现了动态的资源供应。
对于StorageClass的定义主要包括:名称、后端存储的提供者和后端存储的相关参数配置。StorageClass一旦被创建出来,将无法修改。如需要修改,只能删除原先创建的StorageClass重新构建。下面是一个定义StorageClass的例子:
kind: storageClass
apiVersion: storage.k8s.io/v1
metadata:
name: standard
provisioner: kubernetes.io/aws-ebs
parameters:
type: gp2
上面的例子就定义了一个名为“standard”,提供者为“aws-ebs”,其参数为gp2的StorageClass。
其中定义StorageClass中有两个重点参数:
provisioner(提供者):描述存储资源的提供者,也可以看做是后端存储驱动。目前provisioner都是以“Kubernetes.io/”为开头
parameters(参数):后端资源提供者的参数设置,不同的provisioner包括不同的参数设置
①AWS EBS存储卷
kind: storageClass
apiVersion: storage.k8s.io/v1
metadata:
name: slow
provisioner:
kubernetes.io/aws-ebs
parameters:
type: io1
zone: us-east-1d
iopsPerGB: 10
参数说明:
type:可选有:io1、gp2、sc1、st1,默认是gp2
zone:AWS zone名称
iopPerGB:仅用于io1类型的volume,意为每秒每G的I/O操作数量
encrypted:是否加密
kmsKeyId:加密时的Amazon Resource Name
② GCE PD存储卷
kind: storageClass
apiVersion: storage.k8s.io/v1
metadata:
name: slow
provisioner: kubernetes.io/gce-pd
parameters:
type: pd-standard
zone: us-centrall-a
参数说明:
type:可选项有:pd-standard、pd-ssd,默认是pd-standard
zone:GCE zone名称
③ GlusterFS存储卷
apiVersion: storage.k8s.io/v1
kind: storageClass
metadata:
name: slow
provisioner: kubernetes.io/glusterfs
parameters:
resturl: http://127.0.0.1:8081
clusterid: 44ad5as1fd5ae1fde1fwe1d5we1d5
restauthenabled: true
restuser: admin
secreNamespace: default
secreName: heketi-sercret
gidMin: 40000
gidMax: 50000
volumetype: replicate:3
参数说明:
resturl:Gluster REST服务(Heketi)URL地址,用于自动完成GlusterFSvolume的设置
restauthenabled:访问Gluster REST服务启用安全机制
restuser:访问Gluster REST服务的用户名
secretNamespace和secretName:保存访问Gluster REST服务密码的Secret的资源对象名
clustered:GlusterFS 的cluster ID
gidMin和gidMax:storageClass的GID的范围,用于动态创建资源供应时PV设置的GID
volumetype:GlusterFS的volume类型设置,例如:replicate:3表示replicate类型3个副本
④ OpenStack Cinder存储卷
kind: StorageClass
apiVersion: storage.k8s.io/v1
metadata:
name: gold
provisioner: kubernetes.io/cinder
parameters:
type: fast
availability: nova
参数说明:
type:cinder的volumetype,默认为空
availability:availability zone ,默认为空
要在系统中设置一个默认的storageClass,首先需要启动名为“DefaultStorageClass”的admission controller,即在kube-apiserver的命令参数中的--admission-control中增加:DefaultStorageClass
例:--admission-control=“xxx,xxx,xxx, DefaultStorageClass”
kind: StorageClass
apiVersion: storage.k8s.io/v1
metadata:
name: gold
annotations: storageclass.beta.kubernetes.io/is-default-class=true
provisioner: kubernetes.io/gce-pd
parameters:
type: pd-ssd
然后创建这个storageClass,此时我们在通过命令可查看:
[::root]kubelet get sc -n=xxx
注意:默认的storageClass只能设置一个,否则系统会因为多个default引起冲突,而不知道筛选哪一个为默认的,最终导致默认的storageClass不生效。
5. 动态存储管理实战,GlusterFS 这个案例从定义storageClass、创建storageFS和Heketi服务、用户申请PVC到创建Pod使用存储资源,对storageClass和动态资源分配进行详细说明,进一步分析kubernetes的存储机制。
这里的案例是参考至:
https://www.cnblogs.com/xiaoqshuo/p/10096682.html 和《kubernetes权威指南》
GlusterFS是Scale-Out存储解决方案Gluster的核心,它是一个开源的分布式文件系统,具有强大的横向扩展能力,通过扩展能够支持数PB存储容量和处理数千客户端。GlusterFS借助TCP/IP或InfiniBand RDMA网络将物理分布的存储资源聚集在一起,使用单一全局命名空间来管理数据。GlusterFS基于可堆叠的用户空间设计,可为各种不同的数据负载提供优异的性能。
GlusterFS支持运行在任何标准IP网络上标准应用程序的标准客户端,用户可以在全局统一的命名空间中使用NFS/CIFS等标准协议来访问应用数据。GlusterFS使得用户可摆脱原有的独立、高成本的封闭存储系统,能够利用普通廉价的存储设备来部署可集中管理、横向扩展、虚拟化的存储池,存储容量可扩展至TB/PB级。
GlusterFS以原始数据格式(如EXT3、EXT4、XFS、ZFS)储存数据,并实现多种数据自动修复机制。
架构图:
这里只是带大家了解一下GlusterFS,便于理解后面PVC挂载的内容,无需过多深入。
Heketi服务是一个提供REST ful API管理GlusterFS卷框架,并能够在kubernetes、openstack等云平台上实现动态存储资源供应,支持GlusterFS多集群管理,便于管理员对GlusterFS进行操作,如下图简单介绍了Heketi服务的作用:
① 在各个计划用于GlusterFS的node上安装GlusterFS客户端
#yum install glusterfs glusterfs-fuse -y
② 在master的kube-apiserver服务和待启动GlusterFS的各个node上的kubelet服务的启动参数中入:--allow-privileged=true
③ 载入指定的个别模块
modprobe dm_snapshot
modprobe dm_mirror
modprobe dm_thin_pool
④ 为要部署GlusterFS的node打上标签,为了将GlusterFS容器定向部署到安装了GlusterFS的node上
[root@k8s-master01 ~]# kubectl label node k8s-node-1 storagenode=glusterfs
node/k8s-node-1 labeled
[root@k8s-master01 ~]# kubectl label node k8s-node-2 storagenode=glusterfs
node/k8s-node-2 labeled
[root@k8s-master01 ~]# kubectl label node k8s-node-3 storagenode=glusterfs
node/k8s-node-3 labeled
⑤ 创建GlusterFS管理服务容器集群
#glusterfs-daemonset.yaml:
kind: DaemonSet
apiVersion: extensions/v1beta1
metadata:
name: glusterfs
labels:
glusterfs: daemonset
annotations:
description: GlusterFS DaemonSet
tags: glusterfs
spec:
template:
metadata:
name: glusterfs
labels:
glusterfs-node: pod
spec:
nodeSelector:
storagenode: glusterfs
hostNetwork: true
containers:
- image: gluster/gluster-centos:latest
name: glusterfs
volumeMounts:
- name: glusterfs-heketi
mountPath: /var/lib/heketi
- name: glusterfs-run
mountPath: /run
- name: glusterfs-lvm
mountPath: /run/lvm
- name: glusterfs-etc
mountPath: /etc/glusterfs
- name: glusterfs-log
mountPath: /var/log/glusterfs
- name: glusterfs-config
mountPath: /var/lib/glusterd
- name: glusterfs-dev
mountPath: /dev
- name: glusterfs-misc
mountPath: /var/lib/misc/glusterfsd
- name: glusterfs-cgroup
mountPath: /sys/fs/cgroup
readOnly: true
- name: glusterfs-ssl
mountPath: /etc/ssl
readOnly: true
securityContext:
capabilities: {}
privileged: true
readinessProbe:
timeoutSeconds: 3
initialDelaySeconds: 60
exec:
command:
- /bin/bash
- -c
- systemctl status glusterd.service
livenessProbe:
timeoutSeconds: 3
initialDelaySeconds: 60
exec:
command:
- /bin/bash
- -c
- systemctl status glusterd.service
volumes:
- name: glusterfs-heketi
hostPath:
path: /var/lib/heketi
- name: glusterfs-run
- name: glusterfs-lvm
hostPath:
path: /run/lvm
- name: glusterfs-etc
hostPath:
path: /etc/glusterfs
- name: glusterfs-log
hostPath:
path: /var/log/glusterfs
- name: glusterfs-config
hostPath:
path: /var/lib/glusterd
- name: glusterfs-dev
hostPath:
path: /dev
- name: glusterfs-misc
hostPath:
path: /var/lib/misc/glusterfsd
- name: glusterfs-cgroup
hostPath:
path: /sys/fs/cgroup
- name: glusterfs-ssl
hostPath:
path: /etc/ssl
#kubelet create -f glusterfs-daemonset.yaml #创建
#kubectl get pods #查看
NAME READY STATUS RESTARTS AGE
glusterfs-fvxh7 1/1 Running 0 47m
glusterfs-jjw7b 1/1 Running 0 47m
glusterfs-td875 1/1 Running 0 47m
⑥创建Heketi服务
在部署Heketi之前,需要为他创建一个ServiceAccount对象:
#heketi-service-account.yaml
apiVersion: v1
kind: ServiceAccount
metadata:
name: heketi-service-account
#kubelet create -f heketi-service-account.yaml
#heketi-deployment-svc.yaml
kind: Deployment
apiVersion: extensions/v1beta1
metadata:
name: deploy-heketi
labels:
glusterfs: heketi-deployment
deploy-heketi: heketi-deployment
annotations:
description: Defines how to deploy Heketi
spec:
relicas: 1
template:
metadata:
name: deploy-heketi
labels:
glusterfs: heketi-pod
spec:
ServiceAccountName: heketi-service-account
containers:
- image: heketi/heketi:dev
name: deploy-heketi
env:
- name: HEKETI_EXECUTOR
value: kubernetes
- name: HEKETI_FSTAB
value: /var/lib/heketi/fstab
- name: HEKETI_SNAPSHOT_LIMIT
value: 14
- name: HEKETI_KUBE_GLUSTER_DAEONSET
value: y
ports:
- containerPort: 8080
volumeMounts:
- name: db
mountPath: /var/lib/heketi
readinessProbe:
timeoutSeconds: 3
initialDelaySeconds: 3
httpGet:
path: /hello
port: 8080
livenessProbe:
timeoutSeconds: 3
initialDelaySeconds: 30
httpGet:
path: /hello
port: 8080
volumes:
- name: db
hostPath:
path: /heketi-data
---
kind: Service
apiVersion: v1
metadata:
name: deploy-heketi
labels:
glusterfs: heketi-service
deploy-heketi: support
annotations:
description: Exposes Heketi Service
spec:
selector:
name: deploy-heketi
ports:
- name: deploy-heketi
port: 8080
targetPort: 8080
#kubelete create -f heketi-deployment-svc.yaml
⑦ 为Heketi设置GlusterFS集群
在Heketi能管理GlusterFS集群之前,需要为其设置GlusterFS集群信息。可以使用json配置文件传入,并且Heketi要求一个GlusterFS集群至少有3各节点。
#topology.json
{
clusters: [
{
nodes: [
{
node: {
hostnames: {
manage: [
k8s-node-1
],
storage: [
192.168.2.100
]
},
zone: 1
},
devices: [
{
name: /dev/sdb
}
]
},
{
node: {
hostnames: {
manage: [
k8s-node-2
],
storage: [
192.168.2.101
]
},
zone: 1
},
devices: [
{
name: /dev/sdc
}
]
},
{
node: {
hostnames: {
manage: [
k8s-node-3
],
storage: [
192.168.2.102
]
},
zone: 1
},
devices: [
{
name: /dev/sdb
}
]
}
]
}
]
}
然后进入Heketi的容器中,执行:
#export HEKETI_CLI_SERVER=http://localhost:8080
#heketi-cli topology load –json= topology.json
完成以上操作,Heketi就完成了GlusterFS集群的创建,同时在GlusterFS集群的各个节点上的/dev/sdb盘上成功创建了PV和VG。
注意:/dev/sdb一定要是未创建文件系统的裸设备。
#查看GFS信息
[root@k8s-node-1 kubernetes]# heketi-cli topology info
(3) 测试
集群创建成功之后,当然我们要试试,storageClass的功能能不能用啊:
① 定义storageClass
#storageclass-gluster-heketi.yaml
apiVersion: storage.k8s.io/v1
kind: StorageClass
metadata:
name: gluster-heketi
provisioner: kubernetes-io/glusterfs
parameters:
resturl: http://172.17.2.2:8080
restauthenabled: false
② 定义PVC
#pvc-gluster-heketi.yaml(使用动态资源供应模式)
kind: PersistentVolumeClaim
apiVersion: v1
metadata:
name: pvc-gluster-heketi
spec:
storageClassName: gluster-heketi
accessModes:
- ReadWriteOnce
resources:
requests:
storage: 1Gi
#可以通过命令查看pv,和自动创建的PVC
#kubelet get pvc
#kubelet get pv
③ 使用pod挂载PVC
#pod-use-pvc.yaml
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
name: pod-use-pvc
spec:
containers:
- name: pod-use-pvc
image: busybox
command:
- sleep
- 3600
volumeMounts:
- name: gluster-volume
mountPath: /pv-data
readOnly: false
volumes:
- name: gluster-volume
persistentVolumeClaim:
claimName: pvc-gluster-heketi
#kubelet create -f pod-use-pvc.yaml #创建这个pod
然后进入容器:
#kubelet exec -it pod-use-pvc /bin/sh
在其中的/pv-data 目录创建文件,然后验证文件在GlusterFS集群中是否生效!
文章内容参考至《kubernetes权威指南》
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