LiFengMing
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2021-09-26
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K8s应用存储与存储卷原创

「疑问」

众所周知，K8s 的持久化存储（Persistent Storage）保证了应用数据独立于应用生命周期而存在，那么是否也有如下的一些疑问：

  • 如果 pod 中的某一个容器在运行时异常退出，被 kubelet 重新拉起之后，如何保证之前容器产生的重要数据没有丢失？

  • 如果同一个 pod 中的多个容器想要共享数据，应该如何去做？

  • K8s 内部的存储流程到底是怎样的？

  • PV、PVC、StorageClass、Kubelet、CSI 插件等之间的调用关系又如何？

# 名词解释

  • in-tree：
    • 运行在 k8s 核心组件内部的存储插件；
  • out-of-tree：
    • 独立在 k8s 组件之外运行的存储插件；
    • 主要是通过 gRPC 接口跟 k8s 组件交互，并且 k8s 提供了大量的 SideCar 组件来配合 CSI 插件实现丰富的功能
  • PV：PersistentVolume
    • 持久化存储卷资源，详细定义预挂载存储空间的各项指标；
    • 无 Namesapces 限制，一般由 Admin 创建 PV；
  • PVC：PersistentVolumeClaim
    • 持久化存储卷声明，用户使用的存储接口，对存储细节无感知，属于某个 Namespaces 内；
  • StorageClass：
    • 存储类，创建PV存储模版类，即系统会按照 StorageClass 定义的存储模版创建存储卷（包括真实的存储空间与 PV 对象）；
    • 无 Namesapces 限制，一般由 Admin 创建；
    • 每个 StorageClass 都有一个制备器（Provisioner），用来决定使用哪个卷插件制备 PV
  • CSI：Container Storage Interface
    • 目的是定义行业标准的 “容器存储接口”，使存储供应商（SP）基于 CSI 标准开发的插件可以在不同容器编排（CO）系统中工作，CO 系统包括 Kubernetes、Mesos、Swarm 等。

# 组件介绍

  • PV Controller：
    • 负责 PV/PVC 绑定及周期管理，根据需求进行数据卷的 Provision/Delete 操作；
  • AD Controller：
    • 负责数据卷的 Attach/Detach 操作，将设备挂接到目标节点；
  • Kubelet：
    • Kubelet 是在每个 Node 节点上运行的主要 “节点代理”，功能是 Pod 生命周期管理、容器健康检查、容器监控等；
  • Volume Manager：
    • Kubelet 中的组件，负责管理数据卷的 Mount/Umount 操作（也负责数据卷的 Attach/Detach 操作，需配置kubelet 相关参数开启该特性）、卷设备的格式化等等；
  • Volume Plugins：
    • 存储插件，由存储供应商开发，目的在于扩展各种存储类型的卷管理能力，实现第三方存储的各种操作能力。
    • Volume Plugins 有 in-tree 和 out-of-tree 两种；
  • SideCar 组件
    • External Provioner：
      • External Provioner 是一种 sidecar 容器，作用是调用 Volume Plugins 中的 CreateVolume 和 DeleteVolume 函数来执行 Provision/Delete 操作。
      • 因为 K8s 的 PV 控制器无法直接调用 Volume Plugins 的相关函数，故由 External Provioner 通过 gRPC 来调用；
    • External Attacher：
      • External Attacher 是一种 sidecar 容器，作用是调用 Volume Plugins 中的 ControllerPublishVolume ControllerUnpublishVolume 函数来执行 Attach/Detach 操作。
      • 因为 K8s 的 AD 控制器无法直接调用 Volume Plugins 的相关函数，故由 External Attacher 通过 gRPC 来调用。

# Volumes

疑问中提到的（1）（2）两个场景，其实都可以借助 Volumes 来很好地解决，接下来首先看一下 Pod Volumes 的常见类型：

  1. 本地存储，常用的有 emptydir/hostpath；
  2. 网络存储：网络存储当前的实现方式有两种，一种是 in-tree，另一种是 out-of-tree ；
  3. Projected Volumes：它其实是将一些配置信息，如 secret/configmap 用卷的形式挂载在容器中，让容器中的程序可以通过POSIX接口来访问配置数据；
  4. PV 与 PVC 就是今天要重点介绍的内容。

# 静态、动态存储卷

从上面的讨论我们知道了存储的相关基本概念，也知道了 PVC 是针对应用服务对存储的二次抽象，具有简洁的存储定义接口。而 PV 是具有繁琐存储细节的存储抽象，一般有专门的集群管理人员定义、维护。

根据 PV 的创建方式可以将存储卷分为动态存储和静态存储卷：

  • 静态存储卷：由管理员创建的 PV
  • 动态存储卷：由 Provisioner 插件创建的 PV

# 静态存储卷

静态存储卷

静态 Provisioning：

  • 首先集群管理员事先去规划这个集群中的用户会怎样使用存储，它会先预分配一些存储，也就是预先创建一些 PV；
  • 然后用户在提交自己的存储需求（也就是 PVC）的时候，K8s 内部相关组件会帮助它把 PVC 和 PV 做绑定；
  • 最后用户再通过 pod 去使用存储的时候，就可以通过 PVC 找到相应的 PV，它就可以使用了。

静态产生方式有什么不足呢？

上图可以看到，首先需要集群管理员预分配，预分配其实是很难预测用户真实需求的。

举一个最简单的例子：如果用户需要的是 20G，然而集群管理员在分配的时候可能有 80G 、100G 的，但没有 20G 的，这样就很难满足用户的真实需求，也会造成资源浪费。有没有更好的方式呢？

# 动态存储卷

动态存储卷

动态Provisioning是什么意思呢？

  • 就是说现在集群管理员不预分配 PV，他写了一个创建 PV 的模板文件（StorageClass），这个模板文件是用来表示创建某一类型存储（块存储，文件存储等）所需的一些参数，这些参数是用户不关心的，给存储本身实现有关的参数。

  • 用户只需要提交自身的存储需求，也就是 PV C文件，并在 PVC 中指定使用的存储模板（StorageClass）。

  • K8s 集群中的管控组件，会结合 PVC 和 StorageClass 的信息动态，生成用户所需要的存储（PV），将 PVC 和 PV 进行绑定后，pod 就可以使用 PV 了。通过 StorageClass 配置生成存储所需要的存储模板，再结合用户的需求动态创建 PV 对象，做到按需分配，在没有增加用户使用难度的同时也解放了集群管理员的运维工作。

下面看一下 StorageClass 模板文件yaml：

apiVersion: storage.k8s.io/v1
kind: StorageClass
metadata:
    name: csi-local
provisioner: localplugin.csi.alibabacloud.com
parameters:
    volumeType: LVM
    vgName: vg_longbridge
    fsType: ext4
    lvmType: "striping"
reclaimPolicy: Delete
volumeBindingMode: WaitForFirstConsumer
allowVolumeExpansion: true
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这个模板文件叫 StorageClass，在StorageClass里面，我们需要填的重要信息：

  • provisioner，provisioner 是什么？它其实就是说我当时创建 PV 和对应的存储的时候，应该用哪个存储插件来去创建（其实就是 external-provisioner sidecar container是一个controller去watch pvc/pv对象，当新建一个由storageclass创建pv的pvc(或删除pv对象)，该sidecar container会grpc调用存储供应商开发的 csi-plugin CreateVolume(DeleteVolume)方法来实际创建一个外部存储volume，并新建一个pv对象写入k8s api server）。
  • 这些参数是通过k8s创建存储的时候，需要指定的一些细节参数。对于这些参数，用户是不需要关心的，像这里 volumeType、vgName、fsType 和它的类型。
  • reclaimPolicy跟我们刚才讲解的 PV 里的意思是一样的，就是说动态创建出来的这块 PV,当使用方使用结束、Pod 及 PVC 被删除后，这块 PV 应该怎么处理，我们这个地方写的是 delete，意思就是说当使用方 pod 和 PVC 被删除之后，这个 PV 也会被删除掉。

# PV Controller 介绍

此处借鉴 @郡宝 在云原生存储课程 (opens new window)中的流程图。

PV Controller 主要任务：

  • PV、PVC 生命周期管理：创建、删除PV对象；负责PV、PVC的状态迁移
  • 绑定 PVC、PV 对象；一个 PVC 必须与一个 PV 绑定后才能被应用使用，PV-Controller 会根据绑定条件和对象状态对 PV、PVC 进行Bound、Unbound 操作。

PV 控制器中有两个 Worker：

  • ClaimWorker：处理 PVC 的 add /update/delete 相关事件以及 PVC 的状态迁移；
  • VolumeWorker：负责 PV 的状态迁移。

PV 状态迁移（UpdatePVStatus）：

在分析 PV状态迁移 之前，我们先了解下 PV 的回收策略。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：

  • 1、保留（Retain）：回收策略Retain使得用户可以手动回收资源。当 PersistentVolumeClaim 对象被删除时，PersistentVolume 卷仍然存在，对应的数据卷被视为"已释放（released）"。 由于卷上仍然存在着前一申领人的数据，该卷还不能用于其他申领。 管理员可以通过下面的步骤来手动回收该卷：
  • 2、删除（Delete）：对于支持Delete回收策略的卷插件，删除动作会将 PersistentVolume 对象从 Kubernetes 中移除，同时也会从外部基础设施中移除所关联的存储资产。 动态供应的卷会继承其 StorageClass 中设置的回收策略，该策略默认 为Delete。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、回收（Recycle）：警告：回收策略Recycle已被废弃。取而代之的建议方案是使用动态供应。

然后看下卷的阶段（Phase）：

  • 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。

最后由 PV 状态迁移图可知：

  1. PV 初始状态为 Available，当 PV 与 PVC 绑定后，状态变为 Bound；
  2. 与 PV 绑定的 PVC 删除后，状态变为 Released；
  3. 当 PV 回收策略为 Recycle 或手动删除 PV 的 .Spec.ClaimRef 后，PV 状态变为 Available；
  4. 当 PV 回收策略未知或 Recycle 失败或存储卷删除失败，PV 状态变为 Failed；
  5. 手动删除 PV 的 .Spec.ClaimRef，PV 状态变为 Available。

PVC 状态迁移（UpdatePVCStatus）：

首先看下 PVC 的阶段（Phase）：

  • Pending：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。

最后由 PVC 状态迁移图可知：

  1. 当集群中不存在满足 PVC 条件的 PV 时，PVC 状态为 Pending。在 PV 与 PVC 绑定后，PVC 状态由 Pending 变为 Bound；

  2. 与 PVC 绑定的 PV 在环境中被删除，PVC 状态变为 Lost；

  3. 再次与一个同名 PV 绑定后，PVC 状态变为 Bound。

# CSI介绍

csi 是什么？csi 的全称是 container storage interface，它是K8s社区后面对存储插件实现(out of tree)的官方推荐方式。csi 的实现大体可以分为两部分：

  • 第一部分是由k8s社区驱动实现的通用的部分， csi-provisioner controller 和 csi-attacher controller；
  • 另外一种是由云存储厂商实践的，对接云存储厂商的 OpenApi，主要是实现真正的 create/delete/mount/unmount 存储的相关操作，csi-controller-server和csi-node-server。

k8s-csi

这是阿里云的一张存储概况图，很好的说明了 CSI 插件支持静态存储卷挂载和动态存储卷挂载2种方式，在静态存储卷挂载的方式中，通常需要手动编辑和创建一个PV和PVC进行挂载。当需要PV和PVC数量很大的时候，您可以创建动态存储卷进行挂载。

# K8s 存储架构

# PV、PVC 以及通过 csi 使用存储流程

此处借鉴 @郡宝 在云原生存储课程 (opens new window)中的流程图。

流程如下：

  1. 用户创建了一个包含 PVC 的 Pod，该 PVC 要求使用动态存储卷；

  2. Scheduler 根据 Pod 配置、节点状态、PV 配置等信息，把 Pod 调度到一个合适的 Worker 节点上；

  3. PV 控制器 watch 到该 Pod 使用的 PVC 处于 Pending 状态，于是调用 Volume Plugin（in-tree）创建存储卷，并创建 PV 对象（out-of-tree 由 External Provisioner 来处理）；

  4. AD 控制器发现 Pod 和 PVC 处于待挂接状态，于是调用 Volume Plugin 挂接存储设备到目标 Worker 节点上

  5. 在 Worker 节点上，Kubelet 中的 Volume Manager 等待存储设备挂接完成，并通过 Volume Plugin 将设备挂载到全局目录：/var/lib/kubelet/pods/[pod uid]/volumes/kubernetes.io~iscsi/[PV name]（以 iscsi 为例）；

  6. Kubelet 通过 Docker 启动 Pod 的 Containers，用 bind mount 方式将已挂载到本地全局目录的卷映射到容器 中。

整个流程流程分别三个阶段：

从上图可知： pod 挂载 volume 的整个工作流程。整个流程流程分别三个阶段：Provision/Delete、Attach/Detach、Mount/Unmount，不过不是每个存储方案都会经历这三个阶段，比如 NFS 就没有 Attach/Detach 阶段。

先来看 Provision 阶段，整个过程如上图所示。其中 extenal-provisioner 和 PVController 均 watch PVC 资源。

1.当 PVController watch 到集群中有 PVC 创建时，会判断当前是否有 in-tree plugin 与之相符，如果没有则判断其存储类型为 out-of-tree 类型，于是给 PVC 打上注解 volume.beta.kubernetes.io/storage-provisioner={csi driver name}；

2.当 extenal-provisioner watch 到 PVC 的注解 csi driver 与自己的 csi driver 一致时，调用 CSI Controller 的 CreateVolume 接口；

3.当 CSI Controller 的 CreateVolume 接口返回成功时，extenal-provisioner 会在集群中创建对应的 PV；

4.PVController watch 到集群中有 PV 创建时，将 PV 与 PVC 进行绑定。

Attach 阶段是指将 volume 附着到节点上，整个过程如上图所示。

1.ADController 监听到 pod 被调度到某节点，并且使用的是 CSI 类型的 PV，会调用内部的 in-tree CSI 插件的接口，该接口会在集群中创建一个 VolumeAttachment 资源；

2.external-attacher 组件 watch 到有 VolumeAttachment 资源创建出来时，会调用 CSI Controller 的 ControllerPublishVolume 接口

3.当 CSI Controller 的 ControllerPublishVolume 接口调用成功后，external-attacher 将对应的 VolumeAttachment 对象的 Attached 状态设为 true；

4.ADController watch 到 VolumeAttachment 对象的 Attached 状态为 true 时，更新 ADController 内部的状态 ActualStateOfWorld。

最后一步将 volume 挂载到 pod 里的过程涉及到 kubelet。

整个流程简单地说是，对应节点上的 kubelet 在创建 pod 的过程中，会调用 CSI Node 插件，执行 mount 操作。

# 操作演示

查看PVC
kubectl get pvc

查看PV
kubectl get pv

查看storageClass
kubectl get storageClass
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# 总结

这里为大家简单总结一下。

  • K8s Volume是用户Pod保存业务数据的重要接口和手段
  • PVC和PV体系增强了K8s Volumes在多Pod共享/迁移/存储扩展等场景下的能力
  • PV（存储）的不同供给模式(static and dynamic)可以通过多种方式为集群中的Pod供给所需的存储

# 参考资料

  • https://kubernetes.io/zh/docs/concepts/storage/
  • https://help.aliyun.com/document_detail/134722.html
  • https://support.huaweicloud.com/basics-cce/kubernetes_0030.html
  • https://www.v2k8s.com/storage/t/105#3b0d1a
  • https://www.v2k8s.com/kubernetes/t/217
  • https://cloud.tencent.com/developer/article/1847424
#PV#PVC#Volumes#csi#StorageClass
上次更新: 2024/09/07, 21:54:32
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