Kubernetes 系列之 Kubernetes 数据卷

一、Kubernetes 数据卷准备阶段

1 概述

在 Docker 中就有数据卷的概念，当容器删除时，数据也一起会被删除，想要持久化使用数据，需要把主机上的目录挂载到 Docker 中去，在 K8S 中，数据卷是通过 Pod 实现持久化的，如果 Pod 删除，数据卷也会一起删除，k8s 的数据卷是 docker 数据卷的扩展，K8S 适配各种存储系统，包括本地存储 EmptyDir，HostPath， 网络存储（NFS，GlusterFS，PV/PVC）等。

我们以部署 MySQL8 为例，采用 NFS + PV/PVC 网络存储方案实现我们的 Kubernetes 数据持久化。

2 什么是 NFS

NFS 是 Network File System 的简写，即网络文件系统，NFS 是 FreeBSD 支持的文件系统中的一种。NFS 基于 RPC (Remote Procedure Call) 远程过程调用实现，其允许一个系统在网络上与它人共享目录和文件。通过使用 NFS，用户和程序就可以像访问本地文件一样访问远端系统上的文件。NFS 是一个非常稳定的，可移植的网络文件系统。具备可扩展和高性能等特性，达到了企业级应用质量标准。由于网络速度的增加和延迟的降低，NFS 系统一直是通过网络提供文件系统服务的有竞争力的选择 。

2.1 NFS 原理

NFS 使用 RPC (Remote Procedure Call) 的机制进行实现，RPC 使得客户端可以调用服务端的函数。同时，由于有 VFS 的存在，客户端可以像使用其它普通文件系统一样使用 NFS 文件系统。经由操作系统的内核，将 NFS 文件系统的调用请求通过 TCP/IP 发送至服务端的 NFS 服务。NFS 服务器执行相关的操作，并将操作结果返回给客户端。

2.2 NFS 服务主要进程

• rpc.nfsd：最主要的 NFS 进程，管理客户端是否可登录
• rpc.mountd：挂载和卸载 NFS 文件系统，包括权限管理
• rpc.lockd：非必要，管理文件锁，避免同时写出错
• rpc.statd：非必要，检查文件一致性，可修复文件

2.3 NFS 的关键工具

• 主要配置文件：/etc/exports
• NFS 文件系统维护命令：/usr/bin/exportfs
• 共享资源的日志文件：/var/lib/nfs/*tab
• 客户端查询共享资源命令：/usr/sbin/showmount
• 端口配置：/etc/sysconfig/nfs

2.4 NFS 服务端配置

在 NFS 服务器端的主要配置文件为 /etc/exports 时，通过此配置文件可以设置共享文件目录。每条配置记录由 NFS 共享目录、NFS 客户端地址和参数这 3 部分组成，格式如下：

[NFS 共享目录] [NFS 客户端地址 1 (参数 1, 参数 2, 参数 3……)] [客户端地址 2 (参数 1, 参数 2, 参数 3……)]

• NFS 共享目录：服务器上共享出去的文件目录
• NFS 客户端地址：允许其访问的 NFS 服务器的客户端地址，可以是客户端 IP 地址，也可以是一个网段 (192.168.141.0/24)
• 访问参数：括号中逗号分隔项，主要是一些权限选项

2.4.1 访问权限参数

序号	选项	描述
1	ro	客户端对于共享文件目录为只读权限。默认
2	rw	客户端对于共享文件目录具有读写权限

2.4.2 用户映射参数

序号	选项	描述
1	root_squash	使客户端使用 root 账户访冋时，服务器映射为服务器本地的匿名账号
2	no_root_squash	客户端连接服务端时如果使用的是 root，那么也拥有对服务端分享的目录的 root 权限
3	all_squash	将所有客户端用户请求映射到匿名用户或用户组（nfsnobody)
4	no_all_squash	与上相反。默认
5	anonuid=xxx	将远程访问的所有用户都映射为匿名用户，并指定该用户为本地用户(UID=xxx)
6	anongid=xxx	将远程访问的所有用户组都映射为匿名用户组账户，并指定该匿名用户组账户为本地用户组账户(GUI=xxx)

2.4.3 其它配置参数

序号	选项	描述
1	sync	同步写操作，数据写入存储设备后返回成功信息。默认
2	async	异步写提作，数据在未完全写入存储设备前就返回成功信息，实际还在内存，
3	wdelay	延迟写入选项，将多个写提请求合并后写入硬盘，减少 I/O 次数， NFS 非正常关闭数据可能丢失。默认
4	no_wdelay	与上相反，不与 async 同时生效，如果 NFS 服务器主要收到小且不相关的请求，该选项实际会降低性能
5	subtree	若输出目录是一个子目录，则 NFS 服务器将检查其父目录的权限。默认
6	no_subtree	即使输出目录是一个子目录， NFS 服务器也不检查其父目录的权限，这样可以提高效率
7	secure	限制客户端只能从小于 1024 的 TCP/IP 端口连接 NFS 服务器。默认
8	insecure	允许客户端从大于 1024 的 TCP/IP 端口连接服务器

3 安装 NFS 服务端

由于 NFS 是一套分布式文件系统，我们k8s 集群里边的Master 作为我们 NFS 服务端（有服务资源的话需要另起一台服务器或者虚拟机），配置如下

主机名	IP	系统	CPU/内存	磁盘
kmaster-01	192.168.190.165	centos7	2核2G	20G

• 创建一个目录作为共享文件目录

mkdir -p /usr/local/kubernetes/volumes

• 给目录增加读写权限

chmod a+rw /usr/local/kubernetes/volumes

• 安装 NFS 服务端

yum -y update
yum -y install nfs-utils

• 配置 NFS 服务目录，打开文件

  vi /etc/exports
  

  ，在尾部新增一行，内容如下

  • /usr/local/kubernetes/volumes：作为服务目录向客户端开放
  • *：表示任何 IP 都可以访问
  • rw：读写权限
  • sync：同步权限
  • no_subtree_check：表示如果输出目录是一个子目录，NFS 服务器不检查其父目录的权限

/usr/local/kubernetes/volumes *(rw,sync,no_subtree_check,no_root_squash)

• 重启服务，使配置生效

#配置生效
exportfs -r
#查看生效
exportfs

#启动rpcbind、nfs服务
systemctl restart rpcbind && systemctl enable rpcbind
systemctl restart nfs && systemctl enable nfs

#查看 RPC 服务的注册状况
rpcinfo -p localhost

4 安装 NFS 客户端

安装客户端的目的是验证是否可以上传文件到服务端，安装命令如下

yum -y install nfs-utils
systemctl start nfs && systemctl enable nfs

• 创建 NFS 客户端挂载目录

mkdir -p /usr/local/kubernetes/volumes-mount

• 将 NFS 服务器的 /usr/local/kubernetes/volumes 目录挂载到 NFS 客户端的 /usr/local/kubernetes/volumes-mount 目录

mount 192.168.190.164:/usr/local/kubernetes/volumes /usr/local/kubernetes/volumes-mount

• 使用 df 命令查看挂载信息

df

# 输出如下
Filesystem                                    1K-blocks    Used Available Use% Mounted on
udev                                             977556       0    977556   0% /dev
tmpfs                                            201732    1252    200480   1% /run
/dev/mapper/ubuntu--vg-ubuntu--lv              19475088 5490916  12971848  30% /
tmpfs                                           1008648       0   1008648   0% /dev/shm
tmpfs                                              5120       0      5120   0% /run/lock
tmpfs                                           1008648       0   1008648   0% /sys/fs/cgroup
/dev/loop0                                        90624   90624         0 100% /snap/core/6964
/dev/loop1                                        93184   93184         0 100% /snap/core/6350
/dev/sda2                                        999320  214252    716256  24% /boot
tmpfs                                            201728       0    201728   0% /run/user/0
# 有此输出表示挂载成功
193.192.168.141.140:/usr/local/kubernetes/volumes  19475200 5490944  12972032  30% /usr/local/kubernetes/volumes-mount

5 验证 NFS 服务

• 测试文件上传

ip addr > /usr/local/kubernetes/volumes-mount/test.txt

• 查看 /usr/local/kubernetes/volumes 目录下是否有 test.txt 文件，有则表示成功

6 取消 NFS 客户端挂载

注意： 不要直接在挂载目录下执行，否则会报错

umount /usr/local/kubernetes/volumes-mount

二、Kubernetes 数据卷现阶段

1. 概述

存储管理与计算管理是两个不同的问题。Persistent Volume 子系统，对存储的供应和使用做了抽象，以 API 形式提供给管理员和用户使用。要完成这一任务，我们引入了两个新的 API 资源：Persistent Volume（持久卷） 和 Persistent Volume Claim（持久卷消费者）。

Persistent Volume（PV）是集群之中的一块网络存储。跟 Node 一样，也是集群的资源。PV 跟 Volume (卷) 类似，不过会有独立于 Pod 的生命周期。这一 API 对象包含了存储的实现细节，例如 NFS、iSCSI 或者其他的云提供商的存储系统。Persistent Volume Claim (PVC) 是用户的一个请求。跟 Pod 类似，Pod 消费 Node 的资源，PVC 消费 PV 的资源。Pod 能够申请特定的资源（CPU 和内存）；Claim 能够请求特定的尺寸和访问模式（例如可以加载一个读写，以及多个只读实例）

2. PV 与 PVC

PV 是集群的资源。PVC 是对这一资源的请求，也是对资源的所有权的检验。PV 和 PVC 之间的互动遵循如下的生命周期。

• 供应： 集群管理员会创建一系列的 PV。这些 PV 包含了为集群用户提供的真实存储资源，它们可利用 Kubernetes API 来消费。
• 绑定： 用户创建一个包含了容量和访问模式的持久卷申请。Master 会监听 PVC 的产生，并尝试根据请求内容查找匹配的 PV，并把 PV 和 PVC 进行绑定。用户能够获取满足需要的资源，并且在使用过程中可能超出请求数量。如果找不到合适的卷，这一申请就会持续处于非绑定状态，一直到出现合适的 PV。例如一个集群准备了很多的 50G 大小的持久卷，（虽然总量足够）也是无法响应 100G 的申请的，除非把 100G 的 PV 加入集群。
• 使用： Pod 把申请作为卷来使用。集群会通过 PVC 查找绑定的 PV，并 Mount 给 Pod。对于支持多种访问方式的卷，用户在使用 PVC 作为卷的时候，可以指定需要的访问方式。一旦用户拥有了一个已经绑定的 PVC，被绑定的 PV 就归该用户所有了。用户的 Pods 能够通过在 Pod 的卷中包含的 PVC 来访问他们占有的 PV。
• 释放： 当用户完成对卷的使用时，就可以利用 API 删除 PVC 对象了，而且他还可以重新申请。删除 PVC 后，对应的卷被视为 “被释放”，但是这时还不能给其他的 PVC 使用。之前的 PVC 数据还保存在卷中，要根据策略来进行后续处理。
• 回收： PV 的回收策略向集群阐述了在 PVC 释放卷的时候，应如何进行后续工作。目前可以采用三种策略：保留，回收或者删除。保留策略允许重新申请这一资源。在持久卷能够支持的情况下，删除策略会同时删除持久卷以及 AWS EBS/GCE PD 或者 Cinder 卷中的存储内容。如果插件能够支持，回收策略会执行基础的擦除操作（rm -rf /thevolume/*），这一卷就能被重新申请了。

3. 定义 PV

3.1 持久卷插件

持久卷是以插件方式实现的，目前支持的插件如下：

• GCEPersistentDisk
• AWSElasticBlockStore
• NFS（我们采用的是该方案）
• iSCSI
• RBD (Ceph Block Device)
• Glusterfs
• HostPath (单节点测试使用)
• 本地持久卷

3.2 YAML 配置

创建一个名为 nfs-pv-mysql.yml 的配置文件

apiVersion: v1
kind: PersistentVolume
metadata:
  name: nfs-pv-mysql
spec:
  # 设置容量
  capacity:
    storage: 5Gi
  # 访问模式
  accessModes:
    # 该卷能够以读写模式被多个节点同时加载
    - ReadWriteMany
  # 回收策略，这里是基础擦除 `rm-rf/thevolume/*`
  persistentVolumeReclaimPolicy: Recycle
  nfs:
    # NFS 服务端配置的路径
    path: "/usr/local/kubernetes/volumes"
    # NFS 服务端地址
    server: 192.168.141.140
    readOnly: false

# 部署
kubectl create -f nfs-pv-mysql.yml
# 删除
kubectl delete -f nfs-pv-mysql.yml
# 查看
kubectl get pv
NAME           CAPACITY   ACCESS MODES   RECLAIM POLICY   STATUS      CLAIM   STORAGECLASS   REASON   AGE
nfs-pv-mysql   5Gi        RWX            Recycle          Available                                   29m

3.3 配置说明

3.3.1. Capacity（容量）

一般来说，PV 会指定存储容量。这里需要使用 PV 的 capcity 属性。目前存储大小是唯一一个能够被申请的指标，今后会加入更多属性，例如 IOPS，吞吐能力等。

3.3.2. AccessModes（访问模式）

只要资源提供者支持，持久卷能够被用任何方式加载到主机上。每种存储都会有不同的能力，每个 PV 的访问模式也会被设置成为该卷所支持的特定模式。例如 NFS 能够支持多个读写客户端，但是某个 NFS PV 可能会在服务器上以只读方式使用。每个 PV 都有自己的一系列的访问模式，这些访问模式取决于 PV 的能力。访问模式的可选范围如下：

• ReadWriteOnce：该卷能够以读写模式被加载到一个节点上
• ReadOnlyMany：该卷能够以只读模式加载到多个节点上
• ReadWriteMany：该卷能够以读写模式被多个节点同时加载

在 CLI 下，访问模式缩写为：

• RWO：ReadWriteOnce
• ROX：ReadOnlyMany
• RWX：ReadWriteMany

另外，一个卷不论支持多少种访问模式，同时只能以一种访问模式加载。例如一个 GCE Persistent Disk 既能支持 ReadWriteOnce，也能支持 ReadOnlyMany。

3.3.3 RecyclingPolicy（回收策略）

当前的回收策略可选值包括：

• Retain：人工重新申请
• Recycle：基础擦除（rm-rf/thevolume/*）
• Delete：相关的存储资产例如 AWS EBS，GCE PD 或者 OpenStack Cinder 卷一并删除

目前，只有 NFS 和 HostPath 支持 Recycle 策略，AWS EBS、GCE PD 以及 Cinder 卷支持 Delete 策略。

3.3.4 阶段（Phase）

一个卷会处于如下阶段之一：

• Available：可用资源，尚未被绑定到 PVC 上
• Bound：该卷已经被绑定
• Released：PVC 已经被删除，但该资源尚未被集群回收
• Failed：该卷的自动回收过程失败

4. 定义 PVC

创建一个名为 nfs-pvc-mysql-myshop.yml 的配置文件

apiVersion: v1
kind: PersistentVolumeClaim
metadata:
  name: nfs-pvc-mysql-myshop
spec:
  accessModes:
  # 需要使用和 PV 一致的访问模式
  - ReadWriteMany
  # 按需分配资源
  resources:
     requests:
       storage: 1Gi

# 部署
kubectl create -f nfs-pvc-mysql-myshop.yml
# 删除
kubectl delete -f nfs-pvc-mysql-myshop.yml
# 查看
kubectl get pvc

5. 部署 MySQL8

注意： 要确保每台 Node 都安装了 NFS 客户端，apt-get install -y nfs-common

apiVersion: extensions/v1beta1
kind: Deployment
metadata:
  name: mysql-myshop
spec:
  replicas: 1
  template:
    metadata:
      labels:
        name: mysql-myshop
    spec:
      containers:
        - name: mysql-myshop
          image: mysql
          # 只有镜像不存在时，才会进行镜像拉取
          imagePullPolicy: IfNotPresent
          ports:
            - containerPort: 3306
          # 同 Docker 配置中的 environment
          env:
            - name: MYSQL_ROOT_PASSWORD
              value: "123456"
          # 容器中的挂载目录
          volumeMounts:
            - name: nfs-vol-myshop
              mountPath: /var/lib/mysql
      volumes:
        # 挂载到数据卷
        - name: nfs-vol-myshop
          persistentVolumeClaim:
            claimName: nfs-pvc-mysql-myshop
---
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: mysql-myshop
spec:
  ports:
    - port: 3306
      targetPort: 3306
  type: LoadBalancer
  selector:
    name: mysql-myshop

6. 解决权限问题

当你使用 kubectl create -f <YAML> 部署后，你会发现 Pod 状态为 Error，容器无法正常启动的情况，我们可以使用 kubectl logs <Pod Name> 看到一条日志

chown: changing ownership of '/var/lib/mysql/': Operation not permitted

解决方案是在 NFS 服务端配置中增加一个参数 no_root_squash，即将配置修改为：/usr/local/kubernetes/volumes *(rw,sync,no_subtree_check,no_root_squash)

7. 测试运行

部署成功后可以使用 kubectl get service 查看我们 MySQL 的运行端口，再使用连接工具连接会报如下错误

意思为无法使用密码的方式登录，在 Docker 部署时我们可以在 YAML 中配置相关参数解决这个问题；下一节我们讲解在 Kubernetes 中采用 ConfigMap 的方式配置 MySQL

8. 附：ImagePullPolicy

支持三种 ImagePullPolicy

• Always： 不管镜像是否存在都会进行一次拉取
• Never： 不管镜像是否存在都不会进行拉取
• IfNotPresent： 只有镜像不存在时，才会进行镜像拉取

注意

• 默认为 IfNotPresent，但 :latest 标签的镜像默认为 Always
• 拉取镜像时 Docker 会进行校验，如果镜像中的 MD5 码没有变，则不会拉取镜像数据
• 生产环境中应该尽量避免使用 :latest 标签，而开发环境中可以借助 :latest 标签自动拉取最新的镜像