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k8s 学习笔记之数据存储——高级存储

发布时间 2023-08-07 22:09:18作者: 三眠

高级存储

前面已经学习了使用 NFS 提供存储，此时就要求用户会搭建 NFS 系统，并且会在 yaml 配置 nfs。由于 kubernetes 支持的存储系统有很多，要求客户全都掌握，显然不现实。为了能够屏蔽底层存储实现的细节，方便用户使用，kubernetes 引入 PV 和 PVC 两种资源对象。

PV（Persistent Volume）是持久化卷的意思，是对底层的共享存储的一种抽象。一般情况下 PV 由 kubernetes 管理员进行创建和配置，它与底层具体的共享存储技术有关，并通过插件完成与共享存储的对接。

PVC（Persistent Volume Claim）是持久卷声明的意思，是用户对于存储需求的一种声明。换句话说，PVC 其实就是用户向 kubernetes 系统发出的一种资源需求申请。

使用了 PV 和 PVC 之后，工作可以得到进一步的细分：

  • 存储：存储工程师维护
  • PV：kubernetes 管理员维护
  • PVC：kubernetes 用户维护

PV

PV 是存储资源的抽象，下面是资源清单文件：

apiVersion: v1  
kind: PersistentVolume
metadata:
  name: pv2
spec:
  nfs: # 存储类型，与底层真正存储对应
  capacity:  # 存储能力，目前只支持存储空间的设置
    storage: 2Gi
  accessModes:  # 访问模式
  storageClassName: # 存储类别
  persistentVolumeReclaimPolicy: # 回收策略

PV 的关键配置参数说明：

  • 存储类型

    底层实际存储的类型，kubernetes 支持多种存储类型，每种存储类型的配置都有所差异

  • 存储能力（capacity）

目前只支持存储空间的设置（storage=1Gi），不过未来可能会加入IOPS、吞吐量等指标的配置

  • 访问模式（accessModes）

    用于描述用户应用对存储资源的访问权限，访问权限包括下面几种方式：

    • ReadWriteOnce（RWO）：读写权限，但是只能被单个节点挂载
    • ReadOnlyMany（ROX）： 只读权限，可以被多个节点挂载
    • ReadWriteMany（RWX）：读写权限，可以被多个节点挂载

    需要注意的是，底层不同的存储类型可能支持的访问模式不同

  • 回收策略（persistentVolumeReclaimPolicy）

    当PV不再被使用了之后，对其的处理方式。目前支持三种策略：

    • Retain（保留） 保留数据，需要管理员手工清理数据
    • Recycle（回收） 清除 PV 中的数据，效果相当于执行 rm -rf /thevolume/*
    • Delete（删除）与 PV 相连的后端存储完成 volume 的删除操作，当然这常见于云服务商的存储服务

    需要注意的是，底层不同的存储类型可能支持的回收策略不同

  • 存储类别

    PV 可以通过 storageClassName 参数指定一个存储类别

    • 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

  • 状态（status）

    一个 PV 的生命周期中，可能会处于4中不同的阶段：

    • Available（可用）： 表示可用状态，还未被任何 PVC 绑定
    • Bound（已绑定）： 表示 PV 已经被 PVC 绑定
    • Released（已释放）： 表示 PVC 被删除，但是资源还未被集群重新声明
    • Failed（失败）： 表示该 PV 的自动回收失败

实验

使用 NFS 作为存储，来演示 PV 的使用，创建3个 PV，对应 NFS 中的3个暴露的路径。

  1. 准备 NFS 环境
# 创建目录
[root@nfs ~]# mkdir /root/data/{pv1,pv2,pv3} -pv

# 暴露服务
[root@nfs ~]# more /etc/exports
/root/data/pv1     192.168.5.0/24(rw,no_root_squash)
/root/data/pv2     192.168.5.0/24(rw,no_root_squash)
/root/data/pv3     192.168.5.0/24(rw,no_root_squash)

# 重启服务
[root@nfs ~]#  systemctl restart nfs
  1. 创建 pv.yaml
apiVersion: v1
kind: PersistentVolume
metadata:
  name:  pv1
spec:
  capacity: 
    storage: 1Gi
  accessModes:
  - ReadWriteMany
  persistentVolumeReclaimPolicy: Retain
  nfs:
    path: /root/data/pv1
    server: 192.168.5.6

---

apiVersion: v1
kind: PersistentVolume
metadata:
  name:  pv2
spec:
  capacity: 
    storage: 2Gi
  accessModes:
  - ReadWriteMany
  persistentVolumeReclaimPolicy: Retain
  nfs:
    path: /root/data/pv2
    server: 192.168.5.6
    
---

apiVersion: v1
kind: PersistentVolume
metadata:
  name: pv3
spec:
  capacity: 
    storage: 3Gi
  accessModes:
  - ReadWriteMany
  persistentVolumeReclaimPolicy: Retain
  nfs:
    path: /root/data/pv3
    server: 192.168.5.6

# 创建 pv
[root@k8s-master01 ~]# kubectl create -f pv.yaml
persistentvolume/pv1 created
persistentvolume/pv2 created
persistentvolume/pv3 created

# 查看 pv
[root@k8s-master01 ~]# kubectl get pv -o wide
NAME   CAPACITY   ACCESS MODES  RECLAIM POLICY  STATUS      AGE   VOLUMEMODE
pv1    1Gi        RWX            Retain        Available    10s   Filesystem
pv2    2Gi        RWX            Retain        Available    10s   Filesystem
pv3    3Gi        RWX            Retain        Available    9s    Filesystem

PVC

PVC 是资源的申请，用来声明对存储空间、访问模式、存储类别需求信息。下面是资源清单文件:

apiVersion: v1
kind: PersistentVolumeClaim
metadata:
  name: pvc
  namespace: dev
spec:
  accessModes: # 访问模式
  selector: # 采用标签对 PV 选择
  storageClassName: # 存储类别
  resources: # 请求空间
    requests:
      storage: 5Gi

PVC 的关键配置参数说明：

  • 访问模式（accessModes）

用于描述用户应用对存储资源的访问权限

  • 选择条件（selector）

    通过 Label Selector 的设置，可使 PVC 对于系统中己存在的 PV 进行筛选

  • 存储类别（storageClassName）

    PVC 在定义时可以设定需要的后端存储的类别，只有设置了该 class 的 pv 才能被系统选出

  • 资源请求（Resources）

    描述对存储资源的请求

实验

  1. 创建 pvc.yaml，申请 pv
apiVersion: v1
kind: PersistentVolumeClaim
metadata:
  name: pvc1
  namespace: dev
spec:
  accessModes: 
  - ReadWriteMany
  resources:
    requests:
      storage: 1Gi
---
apiVersion: v1
kind: PersistentVolumeClaim
metadata:
  name: pvc2
  namespace: dev
spec:
  accessModes: 
  - ReadWriteMany
  resources:
    requests:
      storage: 1Gi
---
apiVersion: v1
kind: PersistentVolumeClaim
metadata:
  name: pvc3
  namespace: dev
spec:
  accessModes: 
  - ReadWriteMany
  resources:
    requests:
      storage: 1Gi

# 创建 pvc
[root@k8s-master01 ~]# kubectl create -f pvc.yaml
persistentvolumeclaim/pvc1 created
persistentvolumeclaim/pvc2 created
persistentvolumeclaim/pvc3 created

# 查看 pvc
[root@k8s-master01 ~]# kubectl get pvc  -n dev -o wide
NAME   STATUS   VOLUME   CAPACITY   ACCESS MODES   STORAGECLASS   AGE   VOLUMEMODE
pvc1   Bound    pv1      1Gi        RWX                           15s   Filesystem
pvc2   Bound    pv2      2Gi        RWX                           15s   Filesystem
pvc3   Bound    pv3      3Gi        RWX                           15s   Filesystem

# 查看 pv
[root@k8s-master01 ~]# kubectl get pv -o wide
NAME  CAPACITY ACCESS MODES  RECLAIM POLICY  STATUS    CLAIM       AGE     VOLUMEMODE
pv1    1Gi        RWx        Retain          Bound    dev/pvc1    3h37m    Filesystem
pv2    2Gi        RWX        Retain          Bound    dev/pvc2    3h37m    Filesystem
pv3    3Gi        RWX        Retain          Bound    dev/pvc3    3h37m    Filesystem
  1. 创建 pods.yaml, 使用 pv
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: pod1
  namespace: dev
spec:
  containers:
  - name: busybox
    image: busybox:1.30
    command: ["/bin/sh","-c","while true;do echo pod1 >> /root/out.txt; sleep 10; done;"]
    volumeMounts:
    - name: volume
      mountPath: /root/
  volumes:
    - name: volume
      persistentVolumeClaim:
        claimName: pvc1
        readOnly: false
---
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: pod2
  namespace: dev
spec:
  containers:
  - name: busybox
    image: busybox:1.30
    command: ["/bin/sh","-c","while true;do echo pod2 >> /root/out.txt; sleep 10; done;"]
    volumeMounts:
    - name: volume
      mountPath: /root/
  volumes:
    - name: volume
      persistentVolumeClaim:
        claimName: pvc2
        readOnly: false

# 创建 pod
[root@k8s-master01 ~]# kubectl create -f pods.yaml
pod/pod1 created
pod/pod2 created

# 查看 pod
[root@k8s-master01 ~]# kubectl get pods -n dev -o wide
NAME   READY   STATUS    RESTARTS   AGE   IP            NODE   
pod1   1/1     Running   0          14s   10.244.1.69   node1   
pod2   1/1     Running   0          14s   10.244.1.70   node1  

# 查看 pvc
[root@k8s-master01 ~]# kubectl get pvc -n dev -o wide
NAME   STATUS   VOLUME   CAPACITY   ACCESS MODES      AGE   VOLUMEMODE
pvc1   Bound    pv1      1Gi        RWX               94m   Filesystem
pvc2   Bound    pv2      2Gi        RWX               94m   Filesystem
pvc3   Bound    pv3      3Gi        RWX               94m   Filesystem

# 查看 pv
[root@k8s-master01 ~]# kubectl get pv -n dev -o wide
NAME   CAPACITY   ACCESS MODES   RECLAIM POLICY   STATUS   CLAIM       AGE     VOLUMEMODE
pv1    1Gi        RWX            Retain           Bound    dev/pvc1    5h11m   Filesystem
pv2    2Gi        RWX            Retain           Bound    dev/pvc2    5h11m   Filesystem
pv3    3Gi        RWX            Retain           Bound    dev/pvc3    5h11m   Filesystem

# 查看 nfs 中的文件存储
[root@nfs ~]# more /root/data/pv1/out.txt
node1
node1
[root@nfs ~]# more /root/data/pv2/out.txt
node2
node2

生命周期

PVC 和 PV 是一一对应的，PV 和 PVC 之间的相互作用遵循以下生命周期：

  • 资源供应：管理员手动创建底层存储和 PV

  • 资源绑定：用户创建 PVC，kubernetes 负责根据 PVC 的声明去寻找 PV，并绑定

    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存在的 PV 中选择一个满足条件的

    • 一旦找到，就将该 PV 与用户定义的 PVC 进行绑定，用户的应用就可以使用这个 PVC 了
    • 如果找不到，PVC 则会无限期处于 Pending 状态，直到等到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，就会被这个 PVC 独占，不能再与其他 PVC 进行绑定了

  • 资源使用：用户可在 pod 中像 volume 一样使用 pvc

    Pod 使用 Volume 的定义，将 PVC 挂载到容器内的某个路径进行使用。

  • 资源释放：用户删除 pvc 来释放 pv

    当存储资源使用完毕后，用户可以删除 PVC，与该 PVC 绑定的 PV 将会被标记为“已释放”，但还不能立刻与其他 PVC 进行绑定。通过之前 PVC 写入的数据可能还被留在存储设备上，只有在清除之后该 PV 才能再次使用。

  • 资源回收：kubernetes 根据 pv 设置的回收策略进行资源的回收

    对于 PV，管理员可以设定回收策略，用于设置与之绑定的 PVC 释放资源之后如何处理遗留数据的问题。只有 PV 的存储空间完成回收，才能供新的 PVC 绑定和使用