K8s学习(十):数据管理

1. 什么是存储卷(`Volume`)

容器和Pod生命周期可能很短，会被频繁地销毁和创建。容器销毁时，保存在容器内部文件系统中的数据都会被清除,为了持久化保存容器的数据，可以使用Kubernetes 中的卷(Volume);

通俗点讲，Volume就是一个目录，这一点与Docker Volume类似。当Volume被mount到Pod，Pod中的所有容器都可以访问这个Volume

Volume的生命周期独立于容器，Pod中的容器可能被销毁和重建，但Volume会被保留。

2. 存储卷分类

Kubernetes支持非常丰富的存储卷类型，包括本地存储（节点）和网络存储，下面只列出一些常见的类型：

emptyDir: 用于存储临时数据的简单空目录。
hostPath: 用于将目录从工作节点的文件系统挂载到pod中。
persistentVolumeClaim: 用来将持久卷（PersistentVolume）挂载到 Pod 中。
….

查看更多支持类型：https://kubernetes.io/zh-cn/docs/concepts/storage/volumes/

3. emptyDir 使用

emptyDir是最基础的Volume类型，emptyDir Volume 对于容器来说是持久的，对于Pod则不是。当Pod从节点删除时，Volume的内容也会被删除。但如果只是容器被销毁而Pod还在，则Volume不受影响。也就是说：emptyDir Volume的生命周期与Pod一致。

Pod中的所有容器都可以共享Volume，它们可以指定各自的mount路径。下面通过例子来实践emptyDir，配置文件如下：

3.1 配置文件

文件：empty-volume-deploy.yaml

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: emptydir-demo
spec:
  containers:
  - image: busybox
    name: write-box
    volumeMounts:
    - mountPath: /write-dir # 写容器将emptydir-volume挂载到 /write-dir
      name: emptydir-volume
    args:
    - /bin/sh
    - -c
    - echo "hello world" > /write-dir/hello; sleep 30000 # 写数据到文件
  - image: busybox
    name: read-box
    volumeMounts:
    - mountPath: /read-dir # 读容器将emptydir-volume挂载到 /read-dir
      name: emptydir-volume
    args:
    - /bin/sh
    - -c
    - cat /read-dir/hello; sleep 30000 # 从文件中读出

  volumes: # 定义一个名字为:emptydir-volume的emptyDir类型卷
  - name: emptydir-volume
    emptyDir: {}

3.2 发布验证

# 发布资源
$ kubectl apply -f empty-volume-deploy.yaml
pod/emptydir-demo created
# 查看读容器是否度到数据
$ kubectl logs emptydir-demo read-box
hello world

4. hostPath 使用

hostPath Volume的作用是将节点(宿主机)文件系统中已存在的目录挂载给Pod的容器。大部分应用都不会使用hostPath Volume，因为这实际上增加了Pod与节点的耦合，限制了Pod的使用。不过那些需要访问Kubernetes或Docker内部数据（配置文件和二进制库）的应用则需要使用hostPath。

如果Pod被销毁了，hostPath对应的目录还是会被保留，从这一点来看，hostPath的持久性比emptyDir强。不过一旦Host崩溃，hostPath也就无法访问了。

4.1 配置文件

文件: hostpaht-volume-deploy.yaml

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: hostpath-demo
spec:
  containers:
  - image: busybox
    name: go-box
    volumeMounts:
    - mountPath: /home/go 
      name: hostpath-volume
    args:
    - /bin/sh
    - -c
    - echo "hello world" > /home/go/hello; sleep 30000 # 写数据到文件

  volumes: # 定义hostPath类型卷
  - name: hostpath-volume
    hostPath: 
      path: /home/go

4.2 发布验证

# 发布资源
$ kubectl apply -f hostpaht-volume-deploy.yaml
pod/hostpath-demo created
# 查看pod 所在节点IP
$  kubectl describe pod hostpath-demo
Name:         hostpath-demo
Namespace:    default
Priority:     0
Node:         node2/192.168.148.132 # 这里看到节点IP
Start Time:   Fri, 02 Sep 2022 19:02:35 +0800
...
# 到对应的节点查看文件信息
[root@node2 go]$ cat /home/go/hello
hello world

5. PV和PVC

5.1 概念

Volume虽然提供了非常好的数据持久化方案，但是管理性上还有不足。

Pod通常是由应用的开发人员维护，而Volume则通常是由存储系统的管理员维护。开发人员要获得上面的信息，要么询问管理员，要么自己就是管理员。

这样就带来一个管理上的问题: 应用开发人员和系统管理员的职责耦合在一起了。如果系统规模较小或者对于开发环境，这样的情况还可以接受，当集群规模变大，特别是对于生成环境，考虑到效率和安全性，这就成了必须要解决的问题。

为了解决上面的问题，Kubernetes给出的解决方案是PersistentVolume(PV)和PersistentVolumeClaim(PVC)。

PersistentVolume(PV)和PersistentVolumeClaim(PVC)说明:

PersistentVolume（PV）：是外部存储系统中的一块存储空间，由管理员创建和维护。与Volume一样，PV具有持久性，生命周期独立于Pod。
PersistentVolumeClaim （PVC）: 是对PV的申请（Claim）。PVC通常由普通用户创建和维护。需要为Pod分配存储资源时，用户可以创建一个PVC，指明存储资源的容量大小和访问模式（比如只读）等信息，Kubernetes会查找并提供满足条件的PV；

5.2 关系图

6.PV & PVC初使用

6.1 创建PV

下面示例是基于NFS文件共享系统为存储空间，至于NFS文件系统安装，此处省略。

6.1.1 配置文件

apiVersion: v1
kind: PersistentVolume
metadata:
  name: nfs-pv
spec:
  capacity:
    storage: 1Gi # 指定PV的容量为1G
  accessModes: 
    - ReadWriteOnce # 访问模式
  persistentVolumeReclaimPolicy: Retain # 指定PV的回收策略
  storageClassName: nfs # 指定PV的class为nfs
  nfs:
    path: /data/pv1  #  指定PV在NFS服务器上的对应的目录
    server: 192.168.148.130 # NFS服务器IP

配置参数说明:

accessModes:访问模式

ReadWriteOnce(RWO): 仅允许单个节点挂载读写；
ReadOnlyMany(ROX): 允许多个节点挂载只读；
ReadWriteMan(RWX): 允许多个节点挂载读写；

persistentVolumeReclaimPolicy:回收策略

Retain : 需要手工回收;
Recycle：自动回收，即删除存储卷目录下的所有文件（包括子目录和隐藏文件），效果相当于执行rm -rf/xx/*,目前仅NFS和hostPath支持此操作;
Delete: 删除存储卷，仅部分云端存储系统支持，如AWS EBS、GCE PD、Azure Disk和Cinder。

6.1.2 创建&发布

# 创建资源
$ kubectl apply -f nfs-pv.yaml
persistentvolume/nfs-pv created
# 查询状态 
$ kubectl get pv
NAME     CAPACITY   ACCESS MODES   RECLAIM POLICY   STATUS     STORAGECLASS  .. 
nfs-pv   1Gi        RWO            Retain           Available     nfs        ..

PV状态说明

Available：可用状态的自由资源，尚未被PVC绑定。
Bound：已经绑定至某PVC。
Released：绑定的PVC已经被删除，但资源尚未被集群回收。
Failed：因自动回收资源失败而处于的故障状态。

6.2 创建PVC

6.2.1 配置文件

apiVersion: v1
kind: PersistentVolumeClaim
metadata:
  name: nfs-pvc1
spec:
  accessModes:
    - ReadWriteOnce
  resources:
    requests:
      storage: 1Gi
  storageClassName: nfs

6.2.2 创建&绑定

# 创建PVC
$ kubectl apply -f nfs-pvc1.yaml
persistentvolumeclaim/nfs-pvc1 created
# 查看PVC状态
$ kubectl get pvc
NAME       STATUS   VOLUME   CAPACITY   ACCESS MODES   STORAGECLASS   AGE
nfs-pvc1   Bound    nfs-pv   1Gi        RWO            nfs            4s
# 查看PV状态
$ kubectl get pv
NAME   CAPACITY  ACCESS MODES   RECLAIM POLICY   STATUS   CLAIM            STORAGECLASS ...    
nfs-pv  1Gi        RWO            Retain          Bound    default/nfs-pvc1   nfs       ...

通过PV和PVC的状态都是Bound,则说明已经绑定成功。

6.3 使用PVC

经过上面几个步骤，已经成功创建了持久卷，接下来就可以在Pod中使用存储了。

6.3.1 配置文件

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: nfs-demo
spec:
  containers:
  - name: pvc-pod
    image: busybox
    volumeMounts:
    - mountPath: /pvc 
      name: pvc-volume
    args:
    - /bin/sh
    - -c
    - echo "hello world" > /pvc/hello-pvc; sleep 30000 # 写数据到文件
  volumes:  # 使用以下方式关联pvc
  - name: pvc-volume
    persistentVolumeClaim:
      claimName: nfs-pvc1 # 和之前创建的pvc名称一致

6.3.2 发布 & 验证

# 发布资源
$ kubectl apply -f pvc-pod.yaml
# 查看nfs服务文件
$ tree -l data
data
└── pv1
    └── hello-pvc
# 进入pod,查看pod内部文件
$ kubectl exec -it nfs-demo /bin/sh
/ # ls
bin   dev   etc   home  proc  pvc   root  sys   tmp   usr   var
/ # cd pvc/
/pvc # ls
hello-pvc

7. PV动态供给(`StorageClass`)

在前面的例子中，我们提前创建了PV，然后通过PVC申请PV并在Pod中使用，这种方式叫作静态供给（Static Provision）。

与之对应的是动态供给（Dynamical Provision），即如果没有满足PVC条件的PV，会动态创建PV。相比静态供给，动态供给有明显的优势：不需要提前创建PV，减少了管理员的工作量，效率高。

动态供给是通过StorageClass实现的，每个StorageClass 都包含 provisioner、parameters 和 reclaimPolicy 字段，这些字段会在 StorageClass 需要动态分配 PersistentVolume 时会使用到。

StorageClass 支持多种类型的卷插件(Provisioner),不同的Provisoner的创建方法各有不同,参数也会有所区别，下面以NFS卷插件为例，进行学习。其他插件可参见文档: https://kubernetes.io/zh-cn/docs/concepts/storage/storage-classes/#aws-ebs

7.1 NFS驱动安装

因为Kubernetes 不包含内部 NFS 驱动。所以需要使用外部驱动为 NFS 创建 StorageClass,创建文档参考https://github.com/kubernetes-sigs/nfs-subdir-external-provisioner

7.1.1 使用helm安装

# 添加仓库
$ helm repo add nfs-subdir-external-provisioner https://kubernetes-sigs.github.io/nfs-subdir-external-provisioner/

# 安装
$ helm install nfs-client nfs-subdir-external-provisioner/nfs-subdir-external-provisioner \
     --set nfs.server=192.168.148.130 \ # nfs服务器IP
     --set nfs.path=/data/share \ # nfs共享目录
     --set image.repository=eipwork/nfs-subdir-external-provisioner \ # 更换镜像地址
     --set storageClass.name=nfs-client \
     --set storageClass.defaultClass=true # 开启默认使用的nfs的storageclass

7.1.2 查看deployment

$ kubectl get deploy
NAME                                         READY   UP-TO-DATE   AVAILABLE   AGE
nfs-client-nfs-subdir-external-provisioner   1/1     1            1           2m28s

7.1.3 查看StorageClass

7.2 绑定PVC

7.2.1 配置文件 `nfs-pvc.yaml`

kind: PersistentVolumeClaim
apiVersion: v1
metadata:
  name: nfs-pvc
spec:
  storageClassName: nfs-client
  accessModes:
    - ReadWriteMany
  resources:
    requests:
      storage: 1Mi

7.2.2 发布

$ kubectl apply -f nfs-pvc.yaml
persistentvolumeclaim/nfs-pvc created
# 查看状态发现状态 已经变成绑定
$ kubectl get pvc
NAME      STATUS   VOLUME   CAPACITY  ACCESS MODES   STORAGECLASS   AGE
nfs-pvc   Bound    pvc-...   1Mi        RWX           nfs-client     4s

# 虽然我们没有创建PV，但会自动创建
$ kubectl get pv
NAME  CAPACITY   ACCESS MODES   RECLAIM POLICY   STATUS   CLAIM           STORAGECLASS     
pvc-...   1Mi        RWX           Delete        Bound    default/nfs-pvc   nfs-client

7.3 Pod使用

7.3.1 配置文件`nfs-pod.yaml`

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: nfs-pod-demo
spec:
  containers:
  - name: pvc-pod
    image: busybox
    volumeMounts:
    - mountPath: /pvc 
      name: pvc-volume
    args:
    - /bin/sh
    - -c
    - echo "hello world..." > /pvc/hello-pvc; sleep 30000 # 写数据到文件
  volumes:  # 使用以下方式关联pvc
  - name: pvc-volume
    persistentVolumeClaim:
      claimName: nfs-pvc # 和之前创建的pvc名称一致

7.3.2 发布 & 验证

# 发布资源
$ kubectl apply -f nfs-pod.yaml
pod/nfs-pod-demo created