【云原生之K8s】 K8s之持久化存储PV、PVC

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前言

容器磁盘省的文件的生命周期是短暂的，这就使得在容器中运行重要应用时出现一些问题。

首先，当容器崩溃时，kubelet会重启它，但是容器中的文件将丢失，容器以干净的状态（镜像最初的状态）重新启动。其次，在pod中同时运行多个容器时，这些容器之间通常需要共享文件。

Kubernetes 中的Volume抽象就很好的解决了这些问题。Pod中的容器通过Pause容器共享Volume

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一、emptyDir存储卷

当Pod被分配给节点时，首先创建emptyDir卷，并且只要该Pod在该节点上运行，该卷就会存在。正如卷的名字所述，它最初是空的。

Pod中的容器可以读取和写入emptyDir卷中的相同文件，尽管该卷可以挂载到每个容器中的相同或不同路径上。当出于任何原因从节点上删除Pod时，emptyDir中的数据将被永久删除

示例

编写yaml文件

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: pod-emptydir
  namespace: default
  labels:
    app: myapp
    tier: frontend
spec:
  containers:
  - name: myapp
    image: ikubernetes/myapp:v1
    imagePullPolicy: IfNotPresent
    ports:
    - name: http
      containerPort: 80
	#定义容器挂载内容
    volumeMounts:
	#使用的存储卷名称，如果跟下面volume字段name值相同，则表示使用volume的这个存储卷
    - name: html
	  #挂载至容器中哪个目录
      mountPath: /usr/share/nginx/html/
  - name: busybox
    image: busybox:latest
    imagePullPolicy: IfNotPresent
    volumeMounts:
    - name: html
	  #在容器内定义挂载存储名称和挂载路径
      mountPath: /data/
    command: ['/bin/sh','-c','while true;do echo $(date) >> /data/index.html;sleep 2;done']
  #定义存储卷
  volumes:
  #定义存储卷名称  
  - name: html
    #定义存储卷类型
    emptyDir: {}
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创建pod资源，查看pod状态

kubectl apply -f pod-emptydir.yaml

kubectl get pod -o wide
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此yaml文件中定义了两个容器，其中一个容器是输入日期到index.html中，然后验证访问nginx的html是否可以获取日期。以验证两个容器之间挂载的emptyDir实现共享

访问测试

curl 10.244.1.48
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二、hostPath存储卷

hostPath卷将node节点的文件系统中的文件或目录挂载到集群中。

hostPath可以实现持久存储，但是在node节点故障时，也会导致数据的丢失。

示例

在node1节点上创建挂载目录

mkdir -p /data/pod/volume1
echo "this is node1" > /data/pod/volume1/index.html
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在node2节点上创建挂载目录

mkdir -p /data/pod/volume1
echo "this is node2" > /data/pod/volume1/index.html
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编写yaml文件

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: pod-hostpath
  namespace: default
spec:
  containers:
  - name: myapp
    image: ikubernetes/myapp:v1
	#定义容器挂载内容
    volumeMounts:
	#使用的存储卷名称，如果跟下面volume字段name值相同，则表示使用volume的这个存储卷
    - name: html
	  #挂载至容器中哪个目录
      mountPath: /usr/share/nginx/html
	  #读写挂载方式，默认为读写模式false
	  readOnly: false
  #volumes字段定义了paues容器关联的宿主机或分布式文件系统存储卷
  volumes:
    #存储卷名称
    - name: html
	  #路径，为宿主机存储路径
      hostPath:
	    #在宿主机上目录的路径
        path: /data/pod/volume1
		#定义类型，这表示如果宿主机没有此目录则会自动创建
        type: DirectoryOrCreate
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创建pod资源，查看pod状态

kubectl apply -f pod-hostpath.yaml

kubectl get pod -o wide
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访问测试

curl 10.244.1.49
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删除pod，再重建，验证是否依旧可以访问原来的内容

kubectl delete -f pod-hostpath.yaml

kubectl apply -f pod-hostpath.yaml

kubectl get pod -o wide

curl 10.244.1.50
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三、nfs共享存储卷

在nfs节点上安装nfs，并配置nfs服务

yum -y install nfs-utils rpcbind

mkdir -p /data/volumes

vim /etc/exports
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启动nfs

systemctl start rpcbind
systemctl start nfs

showmount -e
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回到master节点，编写yaml文件

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: pod-vol-nfs
  namespace: default
spec:
  containers:
  - name: myapp
    image: ikubernetes/myapp:v1
    volumeMounts:
    - name: html
      mountPath: /usr/share/nginx/html
  volumes:
    - name: html
      nfs:
        path: /data/volumes
        server: 192.168.226.131
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kubectl apply -f pod-nfs-vo.yaml

kubectl get pod -o wide
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在nfs服务器上创建index.html

cd /data/volumes

echo "this is nfs" > index.html
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回到master节点查看

curl 10.244.1.52
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删除nfs相关pod，再重新创建，可以得到数据的持久化存储

kubectl delete -f pod-nfs-vo.yaml

kubectl apply -f pod-nfs-vo.yaml
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四、PV和PVC

1.PV概念

• PersistentVolume(PV) 是集群中由管理员配置的一段网络存储。集群中的资源就像一个节点是一个集群资源，可以从远程的NFS 或分布式对象存储系统中创建得来（PV 存储空间大小、访问方式）。
• PV 是诸如卷之类的卷插件，但是只有独立于使用 PV 的任何单个 pod 的生命周期。
• 该 API 对象捕获存储的实现细节，即 NFS，ISCSI 或云提供商特定的存储系统。
• PV 就是从存储设备中的空间创建出一个存储资源。

2.PVC概念

• PersistentVolumeClaim(PVC) 是用户存储的请求。PVC 的使用逻辑：在 pod 中定义一个存储卷（该存储卷类型为PVC)，定义的时候直按指定大小，PVC 必须与对应的 PV 建立关系，PVC 会根据定义去 PV 申请，而 PV是由存储空间创建出来的。PV 和 PVC 是 kubernetes 抽象出来的一种存储资源。
• 虽然 PersistentVolumeClaims 允许用户使用抽象存储资源，但是常见的需求是，用户需要根据不同的需求去创建PV，用于不同的场景。而此时需要集群管理员提供不同需求的 PV，而不仅仅是 PV 的大小和访问模式，但又不需要用户了解这些卷的实现细节。
• 对于这样的需求，此时可以采用 storageclass 资源。

3.PV和PVC之间的关系

PV是集群中的资源，PVC是对这些资源的请求，也是对资源的索引检查

3.1 PV和PVC的生命周期

PV和PVC之间的相互作用遵循这个生命周期：

Provisioning(配置) ---> Binding(绑定) ---> Using(使用) ---> Releasing(释放) ---> Recycling(回收)
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• Provisioning：即PV的创建，可以直接创建PV（静态方式），也可以使用StorageClass动态创建
• Binding：将PV分配给PVC
• Using：Pod通过PVC使用该Volume，并可以通过准入控制StorageProtection（1.9及以前版本为PVCProtection）阻止删除正在使用的PVC
• Releasing：Pod释放Volume并删除PVC
• Recycling：回收PV，可以保留PV以便下次使用，也可以直接从云存储中删除

根据这5个阶段，PV的状态有以下4种：

• Available（可用）：表示可用状态，还未被任何PVC绑定
• Bound（已绑定）：表示PV已经绑定到PVC
• Released（已释放）：表示PVC被删掉，但是资源尚未被集群回收
• Failed（失败）：表示该PV的自动回收失败

3.2 一个PV从创建到销毁的具体流程

• 一个PV创建完后状态会变成Available，等待被PVC绑定。
• 一旦被PVC邦定，PV的状态会变成Bound，就可以被定义了相应PVC的Pod使用。
• Pod使用完后会释放PV，PV的状态变成Released。
• 变成Released的PV会根据定义的回收策略做相应的回收工作

3.3 三种回归策略

有三种回收策略，Retain、Delete和Recycle

• Retain就是保留现场，K8S集群什么也不做，等待用户手动去处理PV里的数据，处理完后，再手动删除PV
• Delete策略，K8S会自动删除该PV及里面的数据
• Recycle方式，K8S会将PV里的数据删除，然后把PV的状态变成Available，又可以被新的PVC绑定使用。

3.4 查看pv、pvc的定义方式、规格

查看PV定义的方式

kubectl explain pv

FIELDS:
	apiVersion: v1
	kind: PersistentVolume
	metadata:    #由于 PV 是集群级别的资源，即 PV 可以跨 namespace 使用，所以 PV 的 metadata 中不用配置 namespace
	  name: 
	spec
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查看PV定义的规格

kubectl explain pv.spec

spec:
  nfs:（定义存储类型）
    path:（定义挂载卷路径）
    server:（定义服务器名称）
  accessModes:（定义访问模型，有以下三种访问模型，以列表的方式存在，也就是说可以定义多个访问模式）
    - ReadWriteOnce          #（RWO）存储可读可写，但只支持被单个 Pod 挂载
	- ReadOnlyMany           #（ROX）存储可以以只读的方式被多个 Pod 挂载
	- ReadWriteMany          #（RWX）存储可以以读写的方式被多个 Pod 共享
#nfs 支持全部三种；iSCSI 不支持 ReadWriteMany（iSCSI 就是在 IP 网络上运行 SCSI 协议的一种网络存储技术）；HostPath 不支持 ReadOnlyMany 和 ReadWriteMany。
  capacity:（定义存储能力，一般用于设置存储空间）
    storage: 2Gi （指定大小）
  storageClassName: （自定义存储类名称，此配置用于绑定具有相同类别的PVC和PV）
  persistentVolumeReclaimPolicy: Retain    #回收策略（Retain/Delete/Recycle）
#Retain（保留）：当删除与之绑定的PVC时候，这个PV被标记为released（PVC与PV解绑但还没有执行回收策略）且之前的数据依然保存在该PV上，但是该PV不可用，需要手动来处理这些数据并删除该PV。
#Delete（删除）：删除与PV相连的后端存储资源（只有 AWS EBS, GCE PD, Azure Disk 和 Cinder 支持）
#Recycle（回收）：删除数据，效果相当于执行了 rm -rf /thevolume/* （只有 NFS 和 HostPath 支持）
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查看PVC定义的方式

kubectl explain pvc

KIND:     PersistentVolumeClaim
VERSION:  v1
FIELDS:
   apiVersion	<string>
   kind	<string>  
   metadata	<Object>
   spec	<Object>
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PV和PVC中的spec关键字段要匹配，比如存储（storage）大小、访问模式（accessModes）、存储类名称（storageClassName）

kubectl explain pvc.spec
spec:
  accessModes: （定义访问模式，必须是PV的访问模式的子集）
  resources:
    requests:
      storage: （定义申请资源的大小）
  storageClassName: （定义存储类名称，此配置用于绑定具有相同类别的PVC和PV）
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4.两种PV的提供方式

这里有两种PV的提供方式：静态或者动态

静态——》直接固定存储空间

• 集群管理员创建一些PV。它们携带可提供集群用户使用的真实存储的详细消息。它们存在于Kubernetes API种，可用于消费。

动态——》通过存储类进行动态创建存储空间

• 当管理员创建的静态PV都不匹配用户的PVC时，集群可能会尝试动态地为PVC配置卷。此配置基于
  StorageClasses：PVC必须请求存储类，并且管理员必须已创建并配置该类才能进行动态配置。要求该类的声明有效地为自己禁用动态配置

五、基于NFS创建静态PV资源和PVC资源

1.资源环境

2.所有节点安装NFS

yum -y install nfs-utils rpcbind
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3.在nfs节点创建共享目录

cd /data
mkdir {vol1,vol2,vol3,vol4,vol5}
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4.授权共享目录

chmod 777 vol1
chmod 777 vol2
chmod 777 vol3
chmod 777 vol4
chmod 777 vol5
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5.编辑/etc/exports

/data/vol1 192.168.226.0/24(rw,no_root_squash)
/data/vol2 192.168.226.0/24(rw,no_root_squash)
/data/vol3 192.168.226.0/24(rw,no_root_squash)
/data/vol4 192.168.226.0/24(rw,no_root_squash)
/data/vol5 192.168.226.0/24(rw,no_root_squash)

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6.启动rpcbind和nfs

systemctl start rpcbind
systemctl start nfs

showmount -e
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7.定义PV

这里定义5个PV，并且定义挂载的路径以及访问模式，还有PV划分的大小

vim pv-demo.yaml

apiVersion: v1
kind: PersistentVolume
metadata:
  name: pv001
  labels:
    name: pv001
spec:
  nfs:
    path: /data/vol1
    server: 192.168.226.131
  accessModes: ["ReadWriteMany","ReadWriteOnce"]
  capacity:
    storage: 1Gi
---
apiVersion: v1
kind: PersistentVolume
metadata:
  name: pv002
  labels:
    name: pv002
spec:
  nfs:
    path: /data/vol2
    server: 192.168.226.131
  accessModes: ["ReadWriteOnce"]
  capacity:
    storage: 2Gi
---
apiVersion: v1
kind: PersistentVolume
metadata:
  name: pv003
  labels:
    name: pv003
spec:
  nfs:
    path: /data/vol3
    server: 192.168.226.131
  accessModes: ["ReadWriteMany","ReadWriteOnce"]
  capacity:
    storage: 2Gi
---
apiVersion: v1
kind: PersistentVolume
metadata:
  name: pv004
  labels:
    name: pv004
spec:
  nfs:
    path: /data/vol4
    server: 192.168.226.131
  accessModes: ["ReadWriteMany","ReadWriteOnce"]
  capacity:
    storage: 4Gi
---
apiVersion: v1
kind: PersistentVolume
metadata:
  name: pv005
  labels:
    name: pv005
spec:
  nfs:
    path: /data/vol5
    server: 192.168.226.131
  accessModes: ["ReadWriteMany","ReadWriteOnce"]
  capacity:
    storage: 5Gi
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创建资源，查看

kubectl apply -f pv-demo.yaml

kubectl get pv
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8.定义PVC

这里定义了PVC的访问模式为多路读写，该访问模式必须在前面PV定义的访问模式之中。定义PVC申请的大小为2Gi，此时PVC会自动去匹配多路读写且大小为2Gi的PV，匹配成功获取PVC的状态即为Bound

vim pod-vol-pvc.yaml

apiVersion: v1
kind: PersistentVolumeClaim
metadata:
  name: mypvc
  namespace: default
spec:
  accessModes: ["ReadWriteMany"]
  resources:
    requests:
      storage: 2Gi
---
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: pod-vol-pvc
  namespace: default
spec:
  containers:
  - name: myapp
    image: ikubernetes/myapp:v1
    volumeMounts:
    - name: html
      mountPath: /usr/share/nginx/html
  volumes:
    - name: html
      persistentVolumeClaim:
        claimName: mypvc
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创建资源，查看pv、pvc

kubectl apply -f pod-vol-pvc.yaml

kubectl get pv

kubectl get pvc
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访问测试
在nfs上创建index.html，并写入数据，通过访问Pod进行查看，可以获取到相应的界面

cd /data/vol3

echo "welcome to use vol3" > index.html
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kubectl get pod -o wide

curl 10.244.1.55
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五、搭建StorageClass+NFS实现NFS的动态PV创建

Kubernetes本身支持的PV创建不包括NFS，所以需要使用外部存储卷插件分配PV

详见：https://kubernetes.io/zh/docs/concepts/storage/storage-classes/

卷插件称为Procisioner（存储分配器），NFS使用的是nfs-client，这个外部卷插件会使用已经配置好的NFS服务器自动创建PV
Provisioner：用于指定Volume插件的类型，包括内置插件（如kubernetes.io/aws-ebs）和外部插件（如external-storage提供的ceph.com/cdphfs）

1.在nfs节点上安装nfs，并配置nfs服务

mkdir {vol1,vol2,vol3,vol4,vol5}

chmod 777 vol1
chmod 777 vol2
chmod 777 vol3
chmod 777 vol4
chmod 777 vol5

vim /etc/exports
/data/vol1 192.168.226.0/24(rw,no_root_squash)
/data/vol2 192.168.226.0/24(rw,no_root_squash)
/data/vol3 192.168.226.0/24(rw,no_root_squash)
/data/vol4 192.168.226.0/24(rw,no_root_squash)
/data/vol5 192.168.226.0/24(rw,no_root_squash)

systemctl start rpcbind
systemctl start nfs
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2.创建Service Account

创建Service Account，用来管理NFS Procisioner在K8s集群中运行的权限，设置nfs-client对PV,PVC,Storage Class等的规则

vim nfs-client-rbac.yaml

#创建Service Account账户，用来管理NFS Provisioner 在K8s集群中运行的权限
apiVersion: v1
kind: ServiceAccount
metadata:
  name: nfs-client-provisioner
---
#创建集群角色
apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1
kind: ClusterRole
metadata:
  name: nfs-client-provisioner-clusterrole
rules:
  - apiGroups: [""]
    resources: ["persistentvolumes"]
    verbs: ["get", "list", "watch", "create", "delete"]
  - apiGroups: [""]
    resources: ["persistentvolumeclaims"]
    verbs: ["get", "list", "watch", "update"]
  - apiGroups: ["storage.k8s.io"]
    resources: ["storageclasses"]
    verbs: ["get", "list", "watch"]
  - apiGroups: [""]
    resources: ["events"]
    verbs: ["list", "watch", "create", "update", "patch"]
  - apiGroups: [""]
    resources: ["endpoints"]
    verbs: ["create", "delete", "get", "list", "watch", "patch", "update"]
---
#集群角色绑定
apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1
kind: ClusterRoleBinding
metadata:
  name: nfs-client-provisioner-clusterrolebinding
subjects:
- kind: ServiceAccount
  name: nfs-client-provisioner
  namespace: default
roleRef:
  kind: ClusterRole
  name: nfs-client-provisioner-clusterrole
  apiGroup: rbac.authorization.k8s.io
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kubectl apply -f nfs-client-rbac.yaml
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3.使用Deployment来创建NFS Procisioner

NFS Provisioner（即nfs-client），有两个功能：一个是在NFS共享目录下创建挂载点（volume），另一个则是将PV与NFS的挂载点建立关联

由于1.20版本启动了selfLink，所以K8s1.20+版本通过nfs provisioner动态生成pv会报错，解决方法如下：

vim /etc/kubernetes/manifests/kube-apiserver.yaml
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kubectl apply -f /etc/kubernetes/manifests/kube-apiserver.yaml
kubectl delete pods kube-apiserver -n kube-system 
kubectl get pods -n kube-system | grep apiserver
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4.创建NFS Provisioner

vim nfs-client-provisioner.yaml

kind: Deployment
apiVersion: apps/v1
metadata:
  name: nfs-client-provisioner
spec:
  replicas: 1
  selector:
    matchLabels:
      app: nfs-client-provisioner
  strategy:
    type: Recreate
  template:
    metadata:
      labels:
        app: nfs-client-provisioner
    spec:
      serviceAccountName: nfs-client-provisioner   	  #指定Service Account账户
      containers:
        - name: nfs-client-provisioner
          image: quay.io/external_storage/nfs-client-provisioner:latest
          imagePullPolicy: IfNotPresent
          volumeMounts:
            - name: nfs-client-root
              mountPath: /persistentvolumes
          env:
            - name: PROVISIONER_NAME
              value: nfs-storage       #配置provisioner的Name，确保该名称与StorageClass资源中的provisioner名称保持一致
            - name: NFS_SERVER
              value: 192.168.226.131           #配置绑定的nfs服务器
            - name: NFS_PATH
              value: /data/vol5          #配置绑定的nfs服务器目录
      volumes:              #申明nfs数据卷
        - name: nfs-client-root
          nfs:
            server: 192.168.226.131
            path: /data/vol5
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kubectl apply -f nfs-client-provisioner.yaml

kubectl get pod
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5.创建StorageClass

创建StorageClass，负责建立PVC并调用NFS Provisioner进行预定的工作，并让PV与PVC建立关联

vim nfs-client-storageclass.yaml

apiVersion: storage.k8s.io/v1
kind: StorageClass
metadata:
  name: nfs-client-storageclass
provisioner: nfs-storage     #这里的名称要和provisioner配置文件中的环境变量PROVISIONER_NAME
保持一致
parameters:
  archiveOnDelete: "false"   #false表示在删除PVC时不会对数据进行存档，即删除数据
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kubectl apply -f nfs-client-storageclass.yaml

kubectl get storageclass
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6.创建PVC和Pod测试

vim test-pvc-pod.yaml

apiVersion: v1
kind: PersistentVolumeClaim
metadata:
  name: test-nfs-pvc
spec:
  accessModes:
    - ReadWriteMany
  storageClassName: nfs-client-storageclass    #关联StorageClass对象
  resources:
    requests:
      storage: 1Gi
---
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: test-storageclass-pod
spec:
  containers:
  - name: busybox
    image: busybox:latest
    imagePullPolicy: IfNotPresent
    command:
    - "/bin/sh"
    - "-c"
    args:
    - "sleep 3600"
    volumeMounts:
    - name: nfs-pvc
      mountPath: /mnt
  restartPolicy: Never
  volumes:
  - name: nfs-pvc
    persistentVolumeClaim:
      claimName: test-nfs-pvc    #与PVC名称保持一致
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kubectl apply -f test-pvc-pod.yaml
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通过StorageClass自动申请到空间

kubectl get pvc
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7.查看NFS服务器上是否生成对应的目录

ls /data/vol5
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8.进入Pod在挂载目录/mnt下写一个文件，然后查看NFS服务器上是否存在该文件

kubectl exec -it test-storageclass-pod sh
cd /mnt/
echo 'this is test ' > 1.txt
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9.发现NFS服务器上存在，说明验证成功

cat /data/vol5/default-test-nfs-pvc-pvc-dd6cf5d7-7cec-4853-9bdb-0e21c244d78f
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发现NFS服务器上有这个文件，就验证成功了

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