Kubernetes——PV与PVC

当前，存储的方式和种类有很多，并且各种存储的参数也需要非常专业的技术人员才能够了解。在Kubernetes集群中，放了方便我们的使用和管理，Kubernetes提出了PV和PVC的概念，这样Kubernetes集群的管理人员就可以将注意力集中到Kubernetes集群中来，而无需操心后端的存储设备。


pv : 相当于磁盘分区
 
pvc: 相当于磁盘请求

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），
定义的时候直接指定大小，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。

PV : 持久化卷的意思，是对底层的共享存储的一种抽象
PVC（Persistent Volume Claim）是持久卷请求于存储需求的一种声明(PVC其实就是用户向kubernetes系统发出的一种资源需求申请。)

从上图可以看出，底层的存储可以使各种类型，包括NFS、Ceph、CIFS等等，而Kubernetes会把这些存储统一抽象为PV。PV，即Persistent Volume，是集群中配置的存储资源。PVC，即Persistent Volume Claim，是用户存储的请求，通常我们在一个Pod中定义一个存储卷，定义的时候会指定该存储卷的相关信息，比如空间大小、可读可写等属性。但是PVC并不是真正的存储空间，Pod的PVC和PV之间必须建立某种联系，这样才能使得Pod可以调用实际存储空间。


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

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

二、PV和PVC生命周期

实际上，不管是PV，还是PVC，都遵循以下生命周期：

2.1 Provisioning

Provisioning，即配置阶段。一般而言，PV的提供方式有两种——静态和动态。
所谓静态提供，就是Kubernetes管理员创建多个PV，这些PV的存储空间等属性已经确定，并且已经和真实的存储设备进行了关联。Pod中的PVC可以根据需要请求这些PV。
所谓动态提供，需要依托与StorageClass的支持，这时Kubernetes会尝试为PVC来动态的创建PV。这样做的好处是避免出现这种情况：部分PVC被分配给了远远超出其资源需求的PV、或者说系统存在很多资源较少的PV，但是一个资源需求很高的PVC缺无法被满足的情况。

2.2 Binding

在动态配置的情况下，用户创建或者已经创建了具有特定数量的PVC后，PVC与PV绑定的过程。
如果没有满足PVC请求需求的PV，那么PVC将无法被创建，因此造成的结果就是相应的Pod也不会被创建。

2.3 Using

即PVC与PC绑定后，Pod对存储空间的使用过程。

2.4 Releasing

当Pod被删除或者对该PV的资源使用结束后，Kubernetes就会删除该PVC对象，相应的也会回收PV资源，这时的PV就会处于这种状态。但是此时的PV还需要处理完毕之前的Pod在该存储卷上存储信息后才能够被使用。

2.5 Reclaiming

PV的回收策略对被释放的PV的处理过程。

2.6 Recycling

根据配置，有时PV会被执行擦除操作，删除掉该存储空间上的所有信息，并且该存储资源也可以被再次使用。

三、访问模式

3.1 PV 的访问模式（accessModes）

模式	解释
ReadWriteOnce （RWO）	可读可写，但只支持被单个节点挂载。
ReadOnlyMany (ROX)	只读，可以被多个节点挂载。
ReadWriteMany (RWX)	多路可读可写。这种存储可以以读写的方式被多个节点共享。不是每一种存储都支持这三种方式，像共享方式，目前支持的还比较少，比较常用的是 NFS。在PVC绑定PV时通常根据两个条件来绑定，一个是存储的大小，另一个就是访问模式。

3.2 PV的回收策略（persistentVolumeReclaimPolicy）

策略	解释
Retain	不清理,保留Volume (需要手动清理)
Recycle	删除数据，即rm -rf /thevolumel*(只有NFS和HostPath支持)
Delete	删除存储资源，比如删除AWS EBS卷(只有AWS EBS,GCE PD,Azure Disk和Cinder支持)

3.3 PV的状态

状态	解释
Available	可用
Bound	已经分配给PVC
Released	PVC解绑但还未执行回收策略
Failed	发生错误

四、实验验证

4.1 安装nfs


# 1、创建目录
[root@k8s ~]# mkdir /root/data/{pv1,pv2,pv3} -pv
 
# 2、暴露服务
[root@k8s ~]# vim /etc/exports
/root/data/pv1  192.168.223.0/24(rw,sync,no_root_squash)
/root/data/pv2  192.168.223.0/24(rw,sync,no_root_squash)
/root/data/pv3  192.168.223.0/24(rw,sync,no_root_squash)
 
# 3、重启服务
[root@k8s ~]#  systemctl restart nfs

4.2 创建pv.yaml


 
apiVersion: v1
kind: PersistentVolume
metadata:
  name:  pv1
spec:
  capacity:
    storage: 10Gi
  accessModes:
  - ReadWriteMany
  persistentVolumeReclaimPolicy: Retain  #回收策略
  storageClassName: nfs    #类别名字
  nfs:                       #nfs存储
    path: /root/data/pv1      #nfs挂载路径
    server: 192.168.15.30    #对应的nfs服务器
 
 
 
 
[root@k8s pv]# kubectl apply -f pv.yaml 
persistentvolume/pv1 created
[root@k8s pv]# kubectl get pv
NAME   CAPACITY   ACCESS MODES   RECLAIM POLICY   STATUS      CLAIM   STORAGECLASS   REASON   AGE
pv1    10Gi       RWX            Retain           Available           nfs                     4s

4.3 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

4.4 实验


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 # 如果pvc大于pv,则绑定不上


# 1、创建pvc
[root@k8s ~]# kubectl create -f pvc.yaml
persistentvolumeclaim/pvc1 created
persistentvolumeclaim/pvc2 created
persistentvolumeclaim/pvc3 created
 
# 2、查看pvc
[root@k8s ~]# 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
 
# 3、查看pv
[root@k8s k8s]# kubectl get pv -n dev
NAME   CAPACITY   ACCESS MODES   RECLAIM POLICY   STATUS   CLAIM      STORAGECLASS   REASON   AGE
pv1    1Gi        RWX            Retain           Bound    dev/pvc1                           4m25s
pv2    2Gi        RWX            Retain           Bound    dev/pvc2                           4m25s
pv3    3Gi        RWX            Retain           Bound    dev/pvc3

创建pods.yaml, 使用pv


apiVersion: v1
kind: PersistentVolume
metadata:
  name:  pv2
spec:
  capacity:
    storage: 2Gi
  accessModes:
  - ReadWriteMany
  persistentVolumeReclaimPolicy: Retain
  storageClassName: nfs
  nfs:
    path: /root/data/pv2           #路径和地址全部指向nfs机器
    server: 192.168.223.30
 
---
 
apiVersion: v1
kind: PersistentVolume
metadata:
  name:  pv3
spec:
  capacity:
    storage: 1Gi
  accessModes:
  - ReadWriteMany
  persistentVolumeReclaimPolicy: Retain
  storageClassName: nfs
  nfs:
    path: /root/data/pv3
    server: 192.168.223.30


apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: nginx
  labels:
    app: nginx
spec:
  ports:
  - port: 80
    name: web
  clusterIP: none    #无头service
  selector:
    app: nginx
---
apiVersion: apps/v1
kind: StatefulSet   #一个接着一个创建
metadata:
  name: web
spec:
  selector:
    matchLabels:
      app: nginx
  serviceName: "nginx"
  replicas: 3
  template:
    metadata:
      labels:
        app: nginx
    spec:
      containers:
      - name: nginx
        image: wangyanglinux/myapp:v1
        ports:
        - containerPort: 80
          name: web
        volumeMounts:
        - name: www
          mountPath: /usr/share/nginx/html
  volumeClaimTemplates:
  - metadata:
      name: www
    spec:
      accessModes: [ "ReadWriteMany" ]
      storageClassName: "nfs"
      resources:
        requests:
          storage: 1Gi


[root@k8s pv]# kubectl get pvc
NAME        STATUS   VOLUME   CAPACITY   ACCESS MODES   STORAGECLASS   AGE
www-web-0   Bound    pv3      1Gi        RWX            nfs            10s
www-web-1   Bound    pv2      2Gi        RWX            nfs            4s
[root@k8s pv]# kubectl get pods
NAME    READY   STATUS    RESTARTS   AGE
web-0   1/1     Running   0          17s
web-1   1/1     Running   0          11s
web-2   0/1     Pending   0          5s
[root@k8s pv]# kubectl get pods
NAME    READY   STATUS    RESTARTS   AGE
web-0   1/1     Running   0          28s
web-1   1/1     Running   0          22s
web-2   0/1     Pending   0          16s
[root@k8spv]# kubectl get pods
NAME    READY   STATUS    RESTARTS   AGE
web-0   1/1     Running   0          29s
web-1   1/1     Running   0          23s

效果测试


#查看pv2的存储
 
[root@k8s pv]# kubectl get pv
NAME   CAPACITY   ACCESS MODES   RECLAIM POLICY   STATUS   CLAIM               STORAGECLASS   REASON   AGE
pv2    2Gi        RWX            Retain           Bound    default/www-web-1   nfs                     93s
pv3    1Gi        RWX            Retain           Bound    default/www-web-0   nfs                     93s
[root@k8s pv]# kubectl describe pv pv2
Name:            pv2
Labels:          
Annotations:     pv.kubernetes.io/bound-by-controller: yes
Finalizers:      [kubernetes.io/pv-protection]
StorageClass:    nfs
Status:          Bound
Claim:           default/www-web-1
Reclaim Policy:  Retain
Access Modes:    RWX
VolumeMode:      Filesystem
Capacity:        2Gi
Node Affinity:   
Message:         
Source:
    Type:      NFS (an NFS mount that lasts the lifetime of a pod)
    Server:    192.168.223.30
    Path:      /root/data/pv2
    ReadOnly:  false
Events:        
#进入挂载目录创建index.html文件
[root@k8s pv]# cd /root/data/pv2
[root@k8s pv2]# ls
[root@k8s pv2]# vim index.html
[root@k8s pv2]# cat index.html 
aaaaaa
[root@k8s pv2]# chmod 777 index.html 
[root@k8s pv2]# kubectl get pv -o wide
NAME   CAPACITY   ACCESS MODES   RECLAIM POLICY   STATUS   CLAIM               STORAGECLASS   REASON   AGE     VOLUMEMODE
pv2    2Gi        RWX            Retain           Bound    default/www-web-1   nfs                     4m20s   Filesystem
pv3    1Gi        RWX            Retain           Bound    default/www-web-0   nfs                     4m20s   Filesystem
 
 
[root@k8s pv2]# kubectl get pods -o wide
NAME    READY   STATUS    RESTARTS   AGE     IP             NODE          NOMINATED NODE   READINESS GATES
web-0   1/1     Running   0          4m14s   10.150.2.120   k8s-node-02              
web-1   1/1     Running   0          4m8s    10.150.1.96    k8s-node-01              
web-2   0/1     Pending   0          4m2s                                
 
[root@k8s pv2]# curl 10.150.1.96
aaaaaa
 
statefulset访问的名称一样，当删除pod的时候 ，名称不变。地址会变。例如web-1一样。
[root@k8s pv2]# kubectl delete pods web-1
pod "web-1" deleted
[root@k8s pv2]# kubectl get pods
NAME    READY   STATUS    RESTARTS   AGE
web-0   1/1     Running   0          9m26s
web-1   1/1     Running   0          58s
web-2   0/1     Pending   0          9m14s
[root@k8s pv2]# kubectl get pods -o wide
NAME    READY   STATUS    RESTARTS   AGE     IP             NODE          NOMINATED NODE   READINESS GATES
web-0   1/1     Running   0          9m35s   10.150.2.120   k8s-node-02              
web-1   1/1     Running   0          67s     10.150.1.97    k8s-node-01              
web-2   0/1     Pending   0          9m23s                               
 
#新的IP地址访问，一样可以访问到
[root@k8s-master-01 pv2]# curl 10.150.1.97
aaaaaa
[root@k8s-master-01 pv2]# 
 
其余pv类似

五、关于statefulset

匹配 Pod name(网络标识)的模式为: (statefulset 名称)-(序号)，比如上面的示例: web-0，web-1,web-2
StatefulSet为每个Pod副本创建了一个DNS域名，这个域名的格式为: $(podname).(headlessserver name)，也就意味着服务间是通过Pod域名来通信而非Pod lP，因为当Pod所在Node发生故障时,Pod会被飘移到其它Node 上,Pod IP会发生变化，但是Pod域名不会有变化
tatefulSet使用Headless服务来控制Pod的域名，这个域名的FQDN为: (servicename).(namespace).svc.cluster.local，其中，"cluster.local”指的是集群的域名
根据volumeClaimTemplates，为每个Pod创建一个pvc， pvc的命名规则匹配模式:(volumeClaimTemplates.name)-(pod_name)，比如上面的volumeMounts.name=www，Podname=web-[0-2]，因此创建出来的PVC是www-web-0、www-web-1、www-web-2
删除Pod不会删除其pvc，手动删除pvc将自动释放pv


[root@k8s pv2]# kubectl get pods
NAME      READY   STATUS    RESTARTS   AGE
test-pd   1/1     Running   0          14s
web-0     1/1     Running   0          16m
web-1     1/1     Running   0          8m16s
web-2     0/1     Pending   0          16m
[root@k8s pv2]# kubectl exec -it test-pd -- sh
/ # ping web-0.nginx
ping: bad address 'web-0.nginx'
/ # ping web-0.nginx
PING web-0.nginx (10.150.2.120): 56 data bytes
64 bytes from 10.150.2.120: seq=0 ttl=64 time=4.891 ms
64 bytes from 10.150.2.120: seq=1 ttl=64 time=0.209 ms
64 bytes from 10.150.2.120: seq=2 ttl=64 time=0.196 ms
64 bytes from 10.150.2.120: seq=3 ttl=64 time=0.131 ms
64 bytes from 10.150.2.120: seq=4 ttl=64 time=0.128 ms

5.1 statefulset的启停顺序

有序部署:部署StatefulSet时，如果有多个Pod副本，它们会被顺序地创建（从0到N-1)并且，在下一个Pod运行之前所有之前的Pod必须都是Running和Ready状态。
有序删除:当Pod被删除时，它们被终止的顺序是从N-1到0。
有序扩展:当对Pod执行扩展操作时，与部署一样，它前面的Pod必须都处于Running和Ready状态。

5.2 StatefulSet使用场景:

稳定的持久化存储，即Pod重新调度后还是能访问到相同的持久化数据，基于PVC来实现。稳定的网络标识符，即Pod重新调度后其PodName和HostName不变。
有序部署，有序扩展，基于init containers来实现。
有序收缩。


[root@k8s pv2]# kubectl get pods -o wide -n kube-system 
NAME                                    READY   STATUS    RESTARTS   AGE   IP              NODE            NOMINATED NODE   READINESS GATES
coredns-f68b4c98f-nkqlm                 1/1     Running   2          22d   10.150.0.7      k8s-master-01   <none>           <none>
coredns-f68b4c98f-wzrrq                 1/1     Running   2          22d   10.150.0.6      k8s-master-01   <none>           <none>
etcd-k8s-master-01                      1/1     Running   3          22d   192.168.223.30   k8s-master-01   <none>           <none>
kube-apiserver-k8s-master-01            1/1     Running   3          22d   192.168.223.30   k8s-master-01   <none>           <none>
kube-controller-manager-k8s-master-01   1/1     Running   4          22d   192.168.223.30   k8s-master-01   <none>           <none>
kube-flannel-ds-8zj9t                   1/1     Running   1          11d   192.168.223.30   k8s-node-01     <none>           <none>
kube-flannel-ds-jmq5p                   1/1     Running   0          11d   192.168.223.30   k8s-node-02     <none>           <none>
kube-flannel-ds-vjt8b                   1/1     Running   4          11d   192.168.223.30   k8s-master-01   <none>           <none>
kube-proxy-kl2qj                        1/1     Running   2          22d   192.168.223.30   k8s-master-01   <none>           <none>
kube-proxy-rrlg4                        1/1     Running   1          22d   192.168.223.9  k8s-node-01     <none>           <none>
kube-proxy-tc2nd                        1/1     Running   0          22d   192.168.223.10   k8s-node-02     <none>           <none>
kube-scheduler-k8s-master-01            1/1     Running   4          22d   192.168.223.30  k8s-master-01   <none>           <none>
[root@k8s-master-01 pv2]# dig  -t A nginx.default.svc.cluster.local. @10.150.0.7
 
; <<>> DiG 9.11.4-P2-RedHat-9.11.4-26.P2.el7_9.8 <<>> -t A nginx.default.svc.cluster.local. @10.244.0.7
;; global options: +cmd
;; Got answer:
;; WARNING: .local is reserved for Multicast DNS
;; You are currently testing what happens when an mDNS query is leaked to DNS
;; ->>HEADER<<- opcode: QUERY, status: NOERROR, id: 26852
;; flags: qr aa rd; QUERY: 1, ANSWER: 1, AUTHORITY: 0, ADDITIONAL: 1
;; WARNING: recursion requested but not available
 
;; OPT PSEUDOSECTION:
; EDNS: version: 0, flags:; udp: 4096
;; QUESTION SECTION:
;nginx.default.svc.cluster.local. IN	A
 
;; ANSWER SECTION:
nginx.default.svc.cluster.local. 30 IN	A	10.111.55.241
 
;; Query time: 7 msec
;; SERVER: 10.150.0.7#53(10.150.0.7)
;; WHEN: 一 08月 06 00:00:38 CST 2021
;; MSG SIZE  rcvd: 107

删除对应的pod、svc、statefulset、pv、pvc


[root@k8s pv]# kubectl get pods
NAME      READY   STATUS    RESTARTS   AGE
test-pd   1/1     Running   0          18m
web-0     1/1     Running   0          34m
web-1     1/1     Running   0          26m
web-2     0/1     Pending   0          34m
 
[root@k8s pv]# kubectl delete -f pod.yaml 
service "nginx" deleted
statefulset.apps "web" deleted
 
[root@k8s pv]# kubectl get pods
NAME      READY   STATUS        RESTARTS   AGE
test-pd   1/1     Running       0          18m
web-0     0/1     Terminating   0          35m
web-1     0/1     Terminating   0          26m
 
[root@k8s pv]# kubectl get svc
NAME         TYPE        CLUSTER-IP   EXTERNAL-IP   PORT(S)   AGE
kubernetes   ClusterIP   10.96.0.1            443/TCP   22d
 
[root@k8s pv]# kubectl delete statefulsets.apps  --all
No resources found
[root@k8s pv]# kubectl get pv
NAME   CAPACITY   ACCESS MODES   RECLAIM POLICY   STATUS   CLAIM               STORAGECLASS   REASON   AGE
pv2    2Gi        RWX            Retain           Bound    default/www-web-1   nfs                     35m
pv3    1Gi        RWX            Retain           Bound    default/www-web-0   nfs                     35m
 
[root@k8s pv]# kubectl get pvc
NAME        STATUS    VOLUME   CAPACITY   ACCESS MODES   STORAGECLASS   AGE
www-web-0   Bound     pv3      1Gi        RWX            nfs            35m
www-web-1   Bound     pv2      2Gi        RWX            nfs            35m
www-web-2   Pending                                      nfs            35m
 
 
 
 
[root@k8s pv]# kubectl delete pvc --all
persistentvolumeclaim "www-web-0" deleted
persistentvolumeclaim "www-web-1" deleted
persistentvolumeclaim "www-web-2" deleted
 
#查看pv显示release状态
[root@k8s pv]# kubectl get pv
NAME   CAPACITY   ACCESS MODES   RECLAIM POLICY   STATUS     CLAIM               STORAGECLASS   REASON   AGE
pv2    2Gi        RWX            Retain           Released   default/www-web-1   nfs                     36m
pv3    1Gi        RWX            Retain           Released   default/www-web-0   nfs                     36m
 
#编辑pv2的yaml格式、因为 claimRef的显示所以一直显示release的状态，可以通过edit修改pv2的yaml，删除对应的claimRef的那一段
 
[root@k8s pv]# kubectl edit pv pv2 -o yaml
 
# Please edit the object below. Lines beginning with a '#' will be ignored,
# and an empty file will abort the edit. If an error occurs while saving this file will be
# reopened with the relevant failures.
#
apiVersion: v1
kind: PersistentVolume
metadata:
  annotations:
    kubectl.kubernetes.io/last-applied-configuration: |
      {"apiVersion":"v1","kind":"PersistentVolume","metadata":{"annotations":{},"name":"pv2"},"spec":{"accessModes":["ReadWriteMany"],"capacity":{"storage":"2Gi"},"nfs":{"path":"/root/data/pv2","server":"192.168.15.31"},"persistentVolumeReclaimPolicy":"Retain","storageClassName":"nfs"}}
    pv.kubernetes.io/bound-by-controller: "yes"
  creationTimestamp: "2021-12-26T15:34:19Z"
  finalizers:
  - kubernetes.io/pv-protection
  name: pv2
  resourceVersion: "501755"
  uid: 7b9f8b31-f111-4064-9ec7-d06e55f6bebd
spec:
  accessModes:
  - ReadWriteMany
  capacity:
    storage: 2Gi
  claimRef:
    apiVersion: v1
    kind: PersistentVolumeClaim
    name: www-web-1
    namespace: default
    resourceVersion: "498363"
    uid: 7d47eaf8-8bed-40fc-b790-18e93a8a0398
  nfs:
    path: /root/data/pv2
"/tmp/kubectl-edit-euy6w.yaml" 37L, 1260C


#这时候发现状态已经为 Available状态
[root@k8s pv]# kubectl get pv
NAME   CAPACITY   ACCESS MODES   RECLAIM POLICY   STATUS      CLAIM               STORAGECLASS   REASON   AGE
pv2    2Gi        RWX            Retain           Available                       nfs                     44m
pv3    1Gi        RWX            Retain           Released    default/www-web-0   nfs                     44m

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原文地址：https://blog.csdn.net/weixin_67470255/article/details/126194218