浅谈Kubernetes的存储

2024-07-31 10:19:43 浏览数 (1)

PV、PVC到底是什么？

简述PVC、PV

PersistentVolume（PV）

PersistentVolume是一个表示在集群中独立于Pod之外的一块物理存储资源的对象。它抽象了底层存储系统的细节，为Pod提供了统一的接口来访问这些存储资源。 PV 描述的，是持久化存储数据卷。这个 API 对象主要定义的是一个持久化存储在宿主机上的目录，比如一个 NFS 的挂载目录

  1. 生命周期独立于Pod：即使Pod被删除或重新调度，PV仍然存在并保持其状态。
  2. 动态供给：Kubernetes支持动态供给PV，这意味着不需要手动创建PV，而是可以根据PVC的需求自动分配存储资源。
  3. 多种存储类型：PV可以支持多种存储类型，如本地存储、网络存储（如NFS、Ceph等）和云存储等。

通常情况下，PV 对象是由运维人员事先创建在 Kubernetes 集群里待用的。比如，运维人员可以定义这样一个 NFS 类型的 PV ， 如下

代码语言：javascript复制
apiVersion: v1
kind: PersistentVolume
metadata:
  name: nfs
spec:
  storageClassName: manual
  capacity:
    storage: 1Gi
  accessModes:
    - ReadWriteMany
  nfs:
    server: 10.244.1.4
    path: "/"

而PVC则与之不同，下面是对pvc的介绍

PersistentVolumeClaim（PVC）

PersistentVolumeClaim是一个表示对持久化存储资源的需求的对象。它类似于Pod对计算资源的需求，也就是Pod 所希望使用的持久化存储的属性。比如，Volume 存储的大小、可读写权限等等。

  1. 声明式申请：PVC以声明式的方式申请存储资源，而不是直接操作PV。
  2. 与PV绑定：当PVC被创建时，Kubernetes会自动为其分配一个满足需求的PV，并将它们绑定在一起。这样，PVC就可以像使用普通卷一样使用这个PV。
  3. 动态供给：通过StorageClass和动态供给机制，可以自动创建PV以满足PVC的需求。

PVC 对象通常由开发人员创建或者以 PVC 模板的方式成为 StatefulSet 的一部分，然后由 StatefulSet 控制器负责创建带编号的 PVC。 比如，开发人员可以声明一个 1 GiB 大小的 PVC，如下所示：

代码语言：javascript复制
apiVersion: v1
kind: PersistentVolumeClaim
metadata:
  name: nfs
spec:
  accessModes:
    - ReadWriteMany
  storageClassName: manual
  resources:
    requests:
      storage: 1Gi

而用户创建的 PVC 要真正被容器使用起来，就必须先和某个符合条件的 PV 进行绑定。这里要检查的条件，包括两部分：

  • 第一个条件，当然是 PV 和 PVC 的 spec 字段。比如，PV 的存储（storage）大小，就必须满足 PVC 的要求。
  • 而第二个条件，则是 PV 和 PVC 的 storageClassName 字段必须一样。这个机制后面会说

在成功地将 PVC 和 PV 进行绑定之后，Pod 就能够像使用 hostPath 等常规类型的 Volume 一样，在自己的 YAML 文件里声明使用这个 PVC 了，如下所示:

代码语言：javascript复制
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  labels:
    role: web-frontend
spec:
  containers:
  - name: web
    image: nginx
    ports:
      - name: web
        containerPort: 80
    volumeMounts:
        - name: nfs
          mountPath: "/usr/share/nginx/html"
  volumes:
  - name: nfs
    persistentVolumeClaim:
      claimName: nfs

可以看到，Pod 需要做的，就是在 volumes 字段里声明自己要使用的 PVC 名字。接下来，等这个 Pod 创建之后，kubelet 就会把这个 PVC 所对应的 PV，也就是一个 NFS 类型的 Volume，挂载在这个 Pod 容器内的目录上。 不难看出，PVC 和 PV 的设计，其实跟“面向对象”的思想完全一致。 PVC 可以理解为持久化存储的“接口”，它提供了对某种持久化存储的描述，但不提供具体的实现；而这个持久化存储的实现部分则由 PV 负责完成。

如何绑定PV与PVC

在我们使用pvc的时候有这么一种情况。 如果在创建 Pod 的时候，系统里并没有合适的 PV 跟它定义的 PVC 绑定，也就是说此时容器想要使用的 Volume 不存在。这时候，Pod 的启动就会报错。然后我们通过报错信息看到了并分析之后再创建了这个PV， 这个报错就会解决。

上述这个问题的原理是什么呢？ 其实就是控制循环，之前的学习中大家也应该知道这个概念吧， 我记得我是给出过一段go语言的伪代码的。在pv与pvc中， 这个循环控制是通过PersistentVolumeController来实现的。 下面是大致的流程

  1. PersistentVolumeController 会不断地查看当前每一个 PVC，是不是已经处于 Bound（已绑定）状态。
  2. 如果不是，那它就会遍历所有的、可用的 PV，并尝试将其与这个“单身”的 PVC 进行绑定。
  3. 这样，Kubernetes 就可以保证用户提交的每一个 PVC，只要有合适的 PV 出现，它就能够很快进入绑定状态，

其实，所谓将一个 PV 与 PVC 进行“绑定”，其实就是将这个 PV 对象的名字，填在了 PVC 对象的 spec.volumeName 字段上。所以，接下来 Kubernetes 只要获取到这个 PVC 对象，就一定能够找到它所绑定的 PV。

PV 对象是如何变成容器里的一个持久化存储

所谓容器的 Volume，其实就是将一个宿主机上的目录，跟一个容器里的目录绑定挂载在了一起。而所谓的“持久化 Volume”，指的就是这个宿主机上的目录，具备“持久性”。这句话是张磊老师文章中说到的。 即：这个目录里面的内容，既不会因为容器的删除而被清理掉，也不会跟当前的宿主机绑定。这样，当容器被重启或者在其他节点上重建出来之后，它仍然能够通过挂载这个 Volume，访问到这些内容。 显然，我们前面使用的 hostPath 和 emptyDir 类型的 Volume 并不具备这个特征：它们既有可能被 kubelet 清理掉，也不能被“迁移”到其他节点上。 所以，大多数情况下，持久化 Volume 的实现，往往依赖于一个远程存储服务，比如：远程文件存储（比如，NFS、GlusterFS）、远程块存储（比如，公有云提供的远程磁盘）等等。 而 Kubernetes 需要做的工作，就是使用这些存储服务，来为容器准备一个持久化的宿主机目录，以供将来进行绑定挂载时使用。而所谓“持久化”，指的是容器在这个目录里写入的文件，都会保存在远程存储中，从而使得这个目录具备了“持久性”。（提到了两遍， 可以说明持久性的重要性）

剖析 Kubernetes 项目处理容器持久化存储的核心原理

持久性的创建过程（两个阶段）

  1. 当一个 Pod 调度到一个节点上之后，kubelet 就要负责为这个 Pod 创建它的 Volume 目录。默认情况下，kubelet 为 Volume 创建的目录是如下所示的一个宿主机上的路径：
代码语言：javascript复制
/var/lib/kubelet/pods/<Pod的ID>/volumes/kubernetes.io~<Volume类型>/<Volume名字>

接下来，kubelet 要做的操作就取决于你的 Volume 类型了。 如果你的** Volume 类型是远程块存储，比如 Google Cloud 的 Persistent Disk（GCE 提供的远程磁盘服务），那么 kubelet 就需要先调用 Goolge Cloud 的 API，将它所提供的 Persistent Disk 挂载到 Pod 所在的宿主机上。 这一步为虚拟机挂载远程磁盘的操作，对应的正是“两阶段处理”的第一阶段。在 Kubernetes 中，我们把这个阶段称为 Attach。**

  1. Attach 阶段完成后，为了能够使用这个远程磁盘，kubelet 还要进行第二个操作，即：格式化这个磁盘设备，然后将它挂载到宿主机指定的挂载点上。不难理解，这个挂载点，正是我在前面反复提到的 Volume 的宿主机目录。所以，这一步相当于执行：
代码语言：javascript复制
# 通过lsblk命令获取磁盘设备ID
$ sudo lsblk
# 格式化成ext4格式
$ sudo mkfs.ext4 -m 0 -F -E lazy_itable_init=0,lazy_journal_init=0,discard /dev/<磁盘设备ID>
# 挂载到挂载点
$ sudo mkdir -p /var/lib/kubelet/pods/<Pod的ID>/volumes/kubernetes.io~<Volume类型>/<Volume名字>

这个将磁盘设备格式化并挂载到 Volume 宿主机目录的操作，对应的正是“两阶段处理”的第二个阶段，我们一般称为：Mount。 Mount 阶段完成后，这个 Volume 的宿主机目录就是一个“持久化”的目录了，容器在它里面写入的内容，会保存在 Google Cloud 的远程磁盘中。通过这样就实现宿主机和远程的隔离， 即使宿主机挂了 数据还是在。这样持久性就体现出来了。

其实这里的本质就是像我们在自己电脑上挂在一个空的磁盘， 如果你自己亲自安装过linux操作系统， 那你一定知道这个内容的。只是这里将我们的本地挂载的磁盘放到了远程上而已。

而经过了“两阶段处理”，我们就得到了一个“持久化”的 Volume 宿主机目录。

  1. 所以，接下来，kubelet 只要把这个 Volume 目录通过 CRI 里的 Mounts 参数，传递给 Docker，然后就可以为 Pod 里的容器挂载这个“持久化”的 Volume 了。其实，这一步相当于执行了如下所示的命令
代码语言：javascript复制
$ docker run -v /var/lib/kubelet/pods/<Pod的ID>/volumes/kubernetes.io~<Volume类型>/<Volume名字>:/<容器内的目标目录> 我的镜像 ...

实际上，这个 PV 的处理流程似乎跟 Pod 以及容器的启动流程没有太多的耦合，只要 kubelet 在向 Docker 发起 CRI 请求之前，确保“持久化”的宿主机目录已经处理完毕即可。 所以，在 Kubernetes 中，上述关于 PV 的“两阶段处理”流程，是靠独立于 kubelet 主控制循环（Kubelet Sync Loop）之外的两个控制循环来实现的。下面来简单说下

控制循环实现持久性

  1. “第一阶段”的 Attach（以及 Dettach）操作，是由 Volume Controller 负责维护的，这个控制循环的名字叫作：**AttachDetachController**。而它的作用，就是不断地检查每一个 Pod 对应的 PV，和这个 Pod 所在宿主机之间挂载情况。从而决定，是否需要对这个 PV 进行 Attach（或者 Dettach）操作。

需要注意，作为一个 Kubernetes 内置的控制器，Volume Controller 自然是 kube-controller-manager的一部分。所以，AttachDetachController 也一定是运行在 Master 节点上的。当然，Attach 操作只需要调用公有云或者具体存储项目的 API，并不需要在具体的宿主机上执行操作，所以这个设计没有任何问题。

  1. 而“第二阶段”的 Mount（以及 Unmount）操作，必须发生在 Pod 对应的宿主机上，所以它必须是 kubelet 组件的一部分。这个控制循环的名字，叫作：**VolumeManagerReconciler**，它运行起来之后，是一个独立于 kubelet 主循环的 Goroutine。

通过这样将 Volume 的处理同 kubelet 的主循环解耦，Kubernetes 就避免了这些耗时的远程挂载操作拖慢 kubelet 的主控制循环，进而导致 Pod 的创建效率大幅下降的问题。实际上，kubelet 的一个主要设计原则，就是它的主控制循环绝对不可以被 block。这个思想,非常重要。

StorageClass

在一个大规模的 Kubernetes 集群里很可能有成千上万个 PVC，需要创建出成千上万个 PV。更麻烦的是，随着新的 PVC 不断被提交，运维人员就不得不继续添加新的、能满足条件的 PV，否则新的 Pod 就会因为 PVC 绑定不到 PV 而失败。在实际操作中，这几乎没办法靠人工做到。

自动创建 PV 的机制**Dynamic Provisioning**

所以，Kubernetes 为我们提供了一套可以自动创建 PV 的机制，即：**Dynamic Provisioning**。 相比之下，前面人工管理 PV 的方式就叫作 Static Provisioning。 **Dynamic Provisioning**** 机制工作的核心，在于一个名叫 StorageClass 的 API 对象。而 StorageClass 对象的作用，其实就是创建 PV 的模板。**

具体地说，StorageClass 对象会定义如下两个部分内容：

  • 第一，PV 的属性。比如，存储类型、Volume 的大小等等。
  • 第二，创建这种 PV 需要用到的存储插件。比如，Ceph 等等。

有了这样两个信息之后，Kubernetes 就能够根据用户提交的 PVC，找到一个对应的 StorageClass 了。然后，Kubernetes 就会调用该 StorageClass 声明的存储插件，创建出需要的 PV。如下

代码语言：javascript复制
apiVersion: storage.k8s.io/v1
kind: StorageClass
metadata:
  name: block-service
provisioner: kubernetes.io/gce-pd
parameters:
  type: pd-ssd

这个 YAML 文件里，我们定义了一个名叫 block-service 的 StorageClass。 这个 StorageClass 的 provisioner 字段的值是：kubernetes.io/gce-pd，这正是 Kubernetes 内置的 GCE PD 存储插件的名字。 而这个 StorageClass 的 parameters 字段，就是 PV 的参数。比如：上面例子里的 type=pd-ssd，指的是这个 PV 的类型是“SSD 格式的 GCE 远程磁盘”。 在PVC中使用这个PV

代码语言：javascript复制
apiVersion: v1
kind: PersistentVolumeClaim
metadata:
  name: claim1
spec:
  accessModes:
    - ReadWriteOnce
  storageClassName: block-service
  resources:
    requests:
      storage: 30Gi

可以看到，我们在这个 PVC 里添加了一个叫作 storageClassName 的字段，用于指定该 PVC 所要使用的 StorageClass 的名字是：block-service。 需要注意的是，StorageClass 并不是专门为了 Dynamic Provisioning 而设计的。 实际上，如果你的集群已经开启了名叫 DefaultStorageClass 的 Admission Plugin，它就会为 PVC 和 PV 自动添加一个默认的 StorageClass；否则，PVC 的 storageClassName 的值就是“”，这也意味着它只能够跟 storageClassName 也是“”的 PV 进行绑定。

容器 kubernetes 存储 磁盘 对象

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