Kubernetes针对有状态服务数据持久化之Statefu

一、Kubernetes无状态服务VS有状态服务

1）Kubernetes无状态服务

Kubernetes无状态服务特征：
1）是指该服务运行的实例不会在本地存储需要持久化的数据，并且多个实例对于同一请求响应的结果是完全一致的；
2）多个实例可以共享相同的持久化数据。例如：nginx实例、tomcat实例等；
3）相关的Kubernetes资源有：ReplicaSet、ReplicationController、Deployment等，由于是无状态服务，所以这些控制器创建的Pod名称都是随机性的。并且在缩容时并不会明确缩容某一个Pod，而是随机的，因为所有实例得到的返回值都是一样的，所以缩容任何一个Pod都可以；
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2）Kubernetes有状态服务

Kubernetes有状态服务特征：
1）有状态服务可以说是需要数据存储功能的服务、或者指多线程类型的服务、队列等。（比如：MySQL数据库、kafka、zookeeper等）；
2）每个实例都需要自己独立的持久化存储，并且在Kubernetes中通过声明模板的方式来进行定义。持久卷声明模板在创建pod之前创建，绑定到pod中，模板可以定义多个；
3）相关的Kubernetes资源有：StatefulSet。由于是有状态的服务，所以每个Pod都有特定的名称和网络标识。比如Pod名称是由StatefulSet名+有序的数字组成（0、1、2……）；
4）在进行缩容操作时，可以明确知道会缩容那一个Pod，从数字最大的开始。并且StatefulSet在已有实例不健康的情况下是不允许做缩容操作的；

3）无状态服务和有状态服务的区别

主要表现在以下方面：
1）实例数量：无状态服务可以有一个或多个实例，因此支持两种服务容量调节模式；有状态服务职能有一个实例，不允许创建多个实例，因此也不支持服务容量的调节；
2）存储卷：无状态服务可以有存储卷，也可以没有，即使有也无法备份存储卷中的数据；有状态服务必须要有存储卷，并且在创建服务时，必须指定该存储卷分配的磁盘空间大小；
3）数据存储：无状态服务运行过程中的所有数据（除日志和监控数据）都存在容器实例里的文件系统中，如果实例停止或者删除，则这些数据都将丢失，无法找回；而对于有状态服务，凡是已经挂载了存储卷的目录下的文件内容都可以随时进行备份，备份的数据可以下载，也可以用于恢复新的服务。但对于没有挂载卷的目录下的数据，仍然是无法备份和保存的，如果实例停止或者删除，这些非挂载卷里的文件内容同样会丢失。

4）StatefulSet概述

StatefulSet是Kubernetes提供的管理有状态应用的负载管理控制器API。在Pods管理的基础上，保证Pods的顺序和一致性。与Deployment一样，StatefulSet也是使用容器的Spec来创建Pod，与之不同StatefulSet创建的Pods在生命周期中会保持持久的标记（例如Pod Name）。

5）StatefulSet特点

1）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；
2）稳定的网络标志，即Pod重新调度后其PodName和HostName不变，基于Headless Service（即没有Cluster IP的Service）来实现；
3）有序部署，有序扩展，即Pod是有顺序的，在部署或者扩展的时候要依据定义的顺序依次依次进行（即从0到N-1，在下一个Pod运行之前所有之前的Pod必须都是Running和Ready状态），基于init containers来实现；
4）有序收缩，有序删除（即从N-1到0）；

二、使用StatefulSet实现自动创建PVC

1）搭建NFS共享存储

为了方便，就直接在master节点上部署NFS存储了！

[root@master ~]# yum -y install nfs-utils rpcbind
[root@master ~]# vim /etc/exports
/nfsdata *(rw,sync,no_root_squash)
[root@master ~]# mkdir /nfsdata
[root@master ~]# systemctl start nfs-server
[root@master ~]# systemctl start rpcbind
[root@master ~]# showmount -e
Export list for master:
/nfsdata *

2）创建rbac授权

[root@master ~]# vim rbac-rolebind.yaml
apiVersion: v1                            #创建一个用于认证的服务账号
kind: ServiceAccount
metadata:
  name: nfs-provisioner
---
apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1        #创建群集规则
kind: ClusterRole
metadata:
  name: nfs-provisioner-runner
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: ["watch", "create", "update", "patch"]
   -  apiGroups: [""]
      resources: ["services", "endpoints"]
      verbs: ["get","create","list", "watch","update"]
   -  apiGroups: ["extensions"]
      resources: ["podsecuritypolicies"]
      resourceNames: ["nfs-provisioner"]
      verbs: ["use"]
---
kind: ClusterRoleBinding                #将服务认证用户与群集规则进行绑定
apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1
metadata:
  name: run-nfs-provisioner
subjects:
  - kind: ServiceAccount
    name: nfs-provisioner
    namespace: default                    #必写字段，否则会提示错误
roleRef:
  kind: ClusterRole
  name: nfs-provisioner-runner
  apiGroup: rbac.authorization.k8s.io
[root@master ~]# kubectl apply -f rbac-rolebind.yaml

3）创建nfs-deployment.资源

[root@master ~]# vim nfs-deployment.yaml
apiVersion: extensions/v1beta1
kind: Deployment
metadata:
  name: nfs-client-provisioner
spec:
  replicas: 1                              #指定副本数量为1
  strategy:
    type: Recreate                      #指定策略类型为重置
  template:
    metadata:
      labels:
        app: nfs-client-provisioner
    spec:
      serviceAccount: nfs-provisioner            #指定rbac yanl文件中创建的认证用户账号
      containers:
        - name: nfs-client-provisioner
          image: registry.cn-hangzhou.aliyuncs.com/open-ali/nfs-client-provisioner     #使用的镜像 
          volumeMounts:
            - name: nfs-client-root
              mountPath:  /persistentvolumes             #指定容器内挂载的目录
          env:
            - name: PROVISIONER_NAME           #容器内的变量用于指定提供存储的名称
              value: lzj
            - name: NFS_SERVER                      #容器内的变量用于指定nfs服务的IP地址
              value: 192.168.1.1
            - name: NFS_PATH                       #容器内的变量指定nfs服务器对应的目录
              value: /nfsdata
      volumes:                                                #指定挂载到容器内的nfs的路径及IP
        - name: nfs-client-root
          nfs:
            server: 192.168.1.1
            path: /nfsdata
[root@master ~]# kubectl apply -f nfs-deployment.yaml
[root@master ~]# kubectl get pod 
NAME                                      READY   STATUS    RESTARTS   AGE
nfs-client-provisioner-66df958f9c-mbvhv   1/1     Running   0          2m34s

4）创建SC（Storage Class）

[root@master ~]# vim sc.yaml
apiVersion: storage.k8s.io/v1
kind: StorageClass
metadata:
  name: stateful-nfs
  namespace: xiaojiang-test
provisioner: lzj                  #这个要和nfs-client-provisioner的env环境变量中的PROVISIONER_NAME的value值对应。
reclaimPolicy: Retain               #指定回收策略为Retain（手动释放）
[root@master ~]# kubectl apply -f sc.yaml 
[root@master ~]# kubectl get StorageClass
NAME           PROVISIONER   AGE
stateful-nfs   lzj           17s

5）创建Pod

[root@master ~]# vim statefulset.yaml 
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: headless-svc                    #从名称就可以是无头服务
  labels:
    app: headless-svc
spec:
  ports:
  - port: 80
    name: myweb
  selector:
    app: headless-pod
  clusterIP: None                        #不分配群集的IP地址，所以不具备负载均衡的能力
---
apiVersion: apps/v1
kind: StatefulSet                          #定义pod中运行的应用
metadata:
  name: statefulset-test
spec:
  serviceName: headless-svc
  replicas: 3
  selector:
    matchLabels:
      app: headless-pod
  template:
    metadata:
      labels:
        app: headless-pod
    spec:
      containers:
      - image: httpd
        name: myhttpd
        ports:
        - containerPort: 80
          name: httpd
        volumeMounts:
        - mountPath: /usr/local/apache2/htdocs
          name: test
  volumeClaimTemplates:                       #定义创建PVC使用的模板
  - metadata:
      name: test
      annotations:  #这是指定storageclass
        volume.beta.kubernetes.io/storage-class: stateful-nfs
    spec:
      accessModes:
        - ReadWriteOnce
      resources:
        requests:
          storage: 100Mi
[root@master ~]# kubectl apply -f statefulset.yaml 
[root@master ~]# kubectl get pod
NAME                                      READY   STATUS    RESTARTS   AGE
nfs-client-provisioner-66df958f9c-mbvhv   1/1     Running   0          10m
statefulset-test-0                        1/1     Running   0          29s
statefulset-test-1                        1/1     Running   0          18s
statefulset-test-2                        1/1     Running   0          11s
[root@master ~]# kubectl get pv
[root@master ~]# kubectl get pvc              #PV与PVC已经生成
[root@master ~]# ls /nfsdata/
default-test-statefulset-test-0-pvc-54d0b06c-698e-4f1a-8327-255b10978cbe
default-test-statefulset-test-1-pvc-1b499d49-a787-4f2b-b238-404b05f75fd7
default-test-statefulset-test-2-pvc-7766f8da-6f3b-4c1f-9eb8-dfadda1e656f
[root@master ~]# echo "hello world" > /nfsdata/default-test-statefulset-test-0-pvc-54d0b06c-698e-4f1a-8327-255b10978cbe/index.html
[root@master ~]# kubectl get pod -o wide | grep test-0
statefulset-test-0                        1/1     Running   0          4m53s   10.244.2.4   node02              
[root@master ~]# curl 10.244.2.4
hello world
[root@master ~]# curl -I 10.244.2.4
HTTP/1.1 200 OK
Date: Wed, 12 Feb 2020 09:52:04 GMT
Server: Apache/2.4.41 (Unix)
Last-Modified: Wed, 12 Feb 2020 09:45:37 GMT
ETag: "c-59e5dd5ac0a63"
Accept-Ranges: bytes
Content-Length: 12
Content-Type: text/html
#可以看出现在提供web页面的服务是Apache

6）对pod进行更新并扩容

[root@master ~]# vim statefulset.yaml 
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: headless-svc
  labels:
    app: headless-svc
spec:
  ports:
  - port: 80
    name: myweb
  selector:
    app: headless-pod
  clusterIP: None
---
apiVersion: apps/v1
kind: StatefulSet
metadata:
  name: statefulset-test
spec:
  updateStrategy:
    rollingUpdate:
      partition: 2                           #指定并行升级的个数
  serviceName: headless-svc
  replicas: 10
  selector:
    matchLabels:
      app: headless-pod
  template:
    metadata:
      labels:
        app: headless-pod
    spec:
      containers:
      - image: nginx                       #更换扩容时使用的镜像
        name: myhttpd
        ports:
        - containerPort: 80
          name: httpd
        volumeMounts:
        - mountPath: /usr/share/nginx/html/                 #更换容器中的主目录
          name: test
  volumeClaimTemplates:
  - metadata:
      name: test
      annotations:  #这是指定storageclass
        volume.beta.kubernetes.io/storage-class: stateful-nfs
    spec:
      accessModes:
        - ReadWriteOnce
      resources:
        requests:
          storage: 100Mi
[root@master ~]# kubectl apply -f statefulset.yaml 
[root@master ~]# kubectl get pod -o wide
NAME                                      READY   STATUS    RESTARTS   AGE     IP           NODE     NOMINATED NODE   READINESS GATES
nfs-client-provisioner-66df958f9c-mbvhv   1/1     Running   0          35m     10.244.2.2   node02              
statefulset-test-0                        1/1     Running   0          21m     10.244.2.4   node02              
statefulset-test-1                        1/1     Running   0          20m     10.244.1.4   node01              
statefulset-test-2                        1/1     Running   0          3m52s   10.244.1.9   node01              
statefulset-test-3                        1/1     Running   0          4m54s   10.244.2.5   node02              
statefulset-test-4                        1/1     Running   0          4m43s   10.244.1.6   node01              
statefulset-test-5                        1/1     Running   0          4m31s   10.244.2.6   node02              
statefulset-test-6                        1/1     Running   0          4m25s   10.244.1.7   node01              
statefulset-test-7                        1/1     Running   0          4m19s   10.244.2.7   node02              
statefulset-test-8                        1/1     Running   0          4m12s   10.244.1.8   node01              
statefulset-test-9                        1/1     Running   0          4m3s    10.244.2.8   node02              
[root@master ~]# ls /nfsdata/ | wc -l
10
[root@master ~]# curl -I 10.244.2.4
HTTP/1.1 200 OK
Date: Wed, 12 Feb 2020 10:05:34 GMT
Server: Apache/2.4.41 (Unix)
Last-Modified: Wed, 12 Feb 2020 09:45:37 GMT
ETag: "c-59e5dd5ac0a63"
Accept-Ranges: bytes
Content-Length: 12
Content-Type: text/html
[root@master ~]# curl -I 10.244.2.8
HTTP/1.1 403 Forbidden
Server: nginx/1.17.8
Date: Wed, 12 Feb 2020 10:05:41 GMT
Content-Type: text/html
Content-Length: 153
Connection: keep-alive

由此可以看出在执行扩容操作时，并不会更改pod，这就是StatefulSet的特点！

————————————本文到此结束，感谢阅读————————————

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