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从0到1使用Kubernetes系列（六）：数据持久化实战

· 15 分钟阅读

本文是从 0 到 1 使用 Kubernetes 系列第六篇，上一篇《从 0 到 1 使用 Kubernetes 系列（五）：Kubernetes Scheduling》介绍了 Kubernetes 调度器如何进行资源调度，本文将为大家介绍几种常用储存类型。

默认情况下 Pod 挂载在磁盘上的文件生命周期与 Pod 生命周期是一致的，若 Pod 出现崩溃的情况，kubelet 将会重启它，这将会造成 Pod 中的文件将丢失，因为 Pod 会以镜像最初的状态重新启动。在实际应用当中，开发者有很多时候需要将容器中的数据保留下来，比如在 Kubernetes 中部署了 MySql，不能因为 MySql 容器挂掉重启而上面的数据全部丢失；其次，在 Pod 中同时运行多个容器时，这些容器之间可能需要共享文件。也有的时候，开发者需要预置配置文件，使其在容器中生效，例如自定义了 mysql.cnf 文件在 MySql 启动时就需要加载此配置文件。这些都将是今天将要实战解决的问题。

今天这篇文将讲解下面几种常用存储类型：

  • secret
  • configMap
  • emptyDir
  • hostPath
  • nfs
  • persistentVolumeClaim

SECRET

Secret 对象允许您存储和管理敏感信息，例如密码，OAuth 令牌和 ssh 密钥。将此类信息放入一个 secret 中可以更好地控制它的用途，并降低意外暴露的风险。

▌ 使用场景

鉴权配置文件挂载

▌ 使用示例

在 CI 中 push 构建好的镜像就可以将 docker 鉴权的 config.json 文件存入 secret 对象中，再挂载到 CI 的 Pod 中，从而进行权限认证。

  • 首先创建 secret
$ kubectl create secret docker-registry docker-config  --docker-server=https://hub.docker.com --docker-username=username --docker-password=password
secret/docker-config created
  • 新建 docker-pod.yaml 文件，粘贴以下信息：
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: docker
spec:
  containers:
  - name: docker
    image: docker
    command:
      - sleep
      - "3600"
    volumeMounts:
    - name: config
      mountPath: /root/.docker/
  volumes:
  - name: config
    secret:
      secretName: docker-config
      items:
      - key: .dockerconfigjson
        path: config.json
        mode: 0644
  • Docker Pod 挂载 secret
$ kubectl apply -f docker-pod.yaml
pod/docker created
  • 查看挂载效果
$ kubectl exec docker -- cat /root/.docker/config.json
{"auths":{"https://hub.docker.com":{"username":"username","password":"password","auth":"dXNlcm5hbWU6cGFzc3dvcmQ="}}}
  • 清理环境
$ kubectl delete pod docker
$ kubectl delete secret docker-config

ConfigMap

许多应用程序会从配置文件、命令行参数或环境变量中读取配置信息。这些配置信息需要与 docker image 解耦 ConfigMap API 给我们提供了向容器中注入配置信息的机制，ConfigMap 可以被用来保存单个属性，也可以用来保存整个配置文件。

▌ 使用场景

配置信息文件挂载

▌ 使用示例

使用 ConfigMap 中的数据来配置 Redis 缓存

  • 创建 example-redis-config.yaml 文件，粘贴以下信息：
apiVersion: v1
kind: ConfigMap
metadata:
  name: example-redis-config
data:
  redis-config: |
    maxmemory 2b
    maxmemory-policy allkeys-lru
  • 创建 ConfigMap
$ kubectl apply -f example-redis-config.yaml
configmap/example-redis-config created
  • 创建 example-redis.yaml 文件，粘贴以下信息：
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: redis
spec:
  containers:
  - name: redis
    image: kubernetes/redis:v1
    env:
    - name: MASTER
      value: "true"
    ports:
    - containerPort: 6379
    resources:
      limits:
        cpu: "0.1"
    volumeMounts:
    - mountPath: /redis-master-data
      name: data
    - mountPath: /redis-master
      name: config
  volumes:
    - name: data
      emptyDir: {}
    - name: config
      configMap:
        name: example-redis-config
        items:
        - key: redis-config
          path: redis.conf
  • Redis Pod 挂载 ConfigMap 测试
$ kubectl apply -f example-redis.yaml
pod/redis created
  • 查看挂载效果
$ kubectl exec -it redis redis-cli
$ 127.0.0.1:6379> CONFIG GET maxmemory
1) "maxmemory"
2) "2097152"
$ 127.0.0.1:6379> CONFIG GET maxmemory-policy
1) "maxmemory-policy"
2) "allkeys-lru"
  • 清理环境
$ kubectl delete pod redis
$ kubectl delete configmap example-redis-config

EmptyDir

当使用 emptyDir 卷的 Pod 在节点创建时，会在该节点创建一个新的空目录，只要该 Pod 运行在该节点，该目录会一直存在，Pod 内的所有容器可以将改目录挂载到不同的挂载点，但都可以读写 emptyDir 内的文件。当 Pod 不论什么原因被删除，emptyDir 的数据都会永远被删除（一个 Container Crash 并不会在该节点删除 Pod，因此在 Container crash 时，数据不会丢失）。默认情况下，emptyDir 支持任何类型的后端存储：disk、ssd、网络存储。也可以通过设置 emptyDir.medium 为 Memory，kubernetes 会默认 mount 一个 tmpfs（RAM-backed filesystem），因为是 RAM Backed,因此 tmpfs 通常很快。但是会在容器重启或者 crash 时，数据丢失。

▌ 使用场景

同一 Pod 内各容器共享存储

▌ 使用示例

在容器 a 中生成 hello 文件，通过容器 b 输出文件内容

  • 创建 test-emptydir.yaml 文件，粘贴以下信息：
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: test-emptydir
spec:
  containers:
  - image: alpine
    name: container-a
    command:
      - /bin/sh
    args:
      - -c
      - echo 'I am container-a' >> /cache-a/hello && sleep 3600
    volumeMounts:
    - mountPath: /cache-a
      name: cache-volume
  - image: alpine
    name: container-b
    command:
      - sleep
      - "3600"
    volumeMounts:
    - mountPath: /cache-b
      name: cache-volume
  volumes:
  - name: cache-volume
    emptyDir: {}
  • 创建 Pod
kubectl apply -f test-emptydir.yaml
pod/test-emptydir created
  • 测试
$ kubectl exec test-emptydir -c container-b -- cat /cache-b/hello
I am container-a
  • 清理环境
$ kubectl delete pod test-emptydir

HostPath

将宿主机对应目录直接挂载到运行在该节点的容器中。使用该类型的卷，需要注意以下几个方面：

  1. 使用同一个模板创建的 Pod，由于不同的节点有不同的目录信息，可能会导致不同的结果
  2. 如果 kubernetes 增加了已知资源的调度，该调度不会考虑 hostPath 使用的资源
  3. 如果宿主机目录上已经存在的目录，只可以被 root 可以写，所以容器需要 root 权限访问该目录，或者修改目录权限

▌ 使用场景

运行的容器需要访问宿主机的信息，比如 Docker 内部信息/var/lib/docker 目录，容器内运行 cadvisor，需要访问/dev/cgroups

▌ 使用示例

使用 Docker socket binding 模式在列出宿主机镜像列表。

  • 创建 test-hostpath.yaml 文件，粘贴以下信息：
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: test-hostpath
spec:
  containers:
  - image: docker
    name: test-hostpath
    command:
      - sleep
      - "3600"
    volumeMounts:
    - mountPath: /var/run/docker.sock
      name: docker-sock
  volumes:
  - name: docker-sock
    hostPath:
      path: /var/run/docker.sock
      type: Socket
  • 创建 test-hostpath Pod
$ kubectl apply -f test-hostpath.yaml
pod/test-hostpath created
  • 测试是否成功
$ kubectl exec test-hostpath docker images
REPOSITORY      IMAGE ID        CREATED         SIZE
docker          639de9917ae1    13 days ago     171MB
...

NFS 存储卷

NFS 卷允许将现有的 NFS（网络文件系统）共享挂载到您的容器中。不像 emptyDir，当删除 Pod 时，nfs 卷的内容被保留，卷仅仅是被卸载。这意味着 nfs 卷可以预填充数据，并且可以在 pod 之间共享数据。 NFS 可以被多个写入者同时挂载。

  • 重要提示：您必须先拥有自己的 NFS 服务器然后才能使用它。

▌ 使用场景

不同节点 Pod 使用统一 nfs 共享目录

▌ 使用示例

  • 创建 test-nfs.yaml 文件，粘贴以下信息：
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: test-nfs
spec:
  selector:
    matchLabels:
      app: store
  replicas: 2
  template:
    metadata:
      labels:
        app: store
    spec:
      volumes:
      - name: data
        nfs:
          server: nfs.server.com
          path: /
      affinity:
        podAntiAffinity:
          requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
          - labelSelector:
              matchExpressions:
              - key: app
                operator: In
                values:
                - store
            topologyKey: "kubernetes.io/hostname"
      containers:
      - name: alpine
        image: alpine
        command:
          - sleep
          - "3600"
        volumeMounts:
        - mountPath: /data
          name: data
  • 创建测试 deployment
$ kubectl apply -f test-nfs.yaml
deployment/test-nfs created
  • 查看 pod 运行情况
$ kubectl get po -o wide
NAME                        READY     STATUS    RESTARTS   AGE       IP              NODE      NOMINATED NODE
test-nfs-859ccfdf55-kkgxj   1/1       Running   0          1m        10.233.68.245   uat05     <none>
test-nfs-859ccfdf55-aewf8   1/1       Running   0          1m        10.233.67.209   uat06     <none>
  • 进入 Pod 中进行测试
# 进入uat05节点的pod中
$ kubectl exec -it test-nfs-859ccfdf55-kkgxj sh
# 创建文件
$ echo "uat05" > /data/uat05
# 退出uat05节点的pod
$ edit
# 进入uat06节点的pod中
$ kubectl exec -it test-nfs-859ccfdf55-aewf8 sh
# 查看文件内容
$ cat /data/uat05
uat05
  • 清理环境
$ kubectl delete deployment test-nfs

PersistentVolumeClaim

上面所有例子中我们都是直接将存储挂载到的 pod 中，那么在 kubernetes 中如何管理这些存储资源呢？这就是 Persistent Volume 和 Persistent Volume Claims 所提供的功能。

● PersistentVolume 子系统为用户和管理员提供了一个 API，该 API 将如何提供存储的细节抽象了出来。为此，我们引入两个新的 API 资源：PersistentVolume 和 PersistentVolumeClaim。

  • PersistentVolume（PV）是由管理员设置的存储，它是群集的一部分。就像节点是集群中的资源一样，PV 也是集群中的资源。 PV 是 Volume 之类的卷插件，但具有独立于使用 PV 的 Pod 的生命周期。此 API 对象包含 Volume 的实现，即 NFS、iSCSI 或特定于云供应商的存储系统。
  • PersistentVolumeClaim（PVC）是用户存储的请求。它与 Pod 相似。Pod 消耗节点资源，PVC 消耗 PV 资源。Pod 可以请求特定级别的资源（CPU 和内存）。声明可以请求特定的大小和访问模式（例如，可以以读/写一次或 只读多次模式挂载）。虽然 PersistentVolumeClaims 允许用户使用抽象存储资源，但用户需要具有不同性质（例如性能）的 PersistentVolume 来解决不同的问题。集群管理员需要能够提供各种各样的 PersistentVolume，这些 PersistentVolume 的大小和访问模式可以各有不同，但不需要向用户公开实现这些卷的细节。对于这些需求，StorageClass 资源可以实现。

● 在实际使用场景里，PV 的创建和使用通常不是同一个人。这里有一个典型的应用场景：管理员创建一个 PV 池，开发人员创建 Pod 和 PVC，PVC 里定义了 Pod 所需存储的大小和访问模式，然后 PVC 会到 PV 池里自动匹配最合适的 PV 给 Pod 使用。

▌ 使用示例

  • 创建 PersistentVolume
apiVersion: v1
kind: PersistentVolume
metadata:
  name: mypv
spec:
  capacity:
    storage: 5Gi
  volumeMode: Filesystem
  accessModes:
    - ReadWriteOnce
  persistentVolumeReclaimPolicy: Recycle
  storageClassName: slow
  mountOptions:
    - hard
    - nfsvers=4.0
  nfs:
    path: /tmp
    server: 172.17.0.2
  • 创建 PersistentVolumeClaim
kind: PersistentVolumeClaim
apiVersion: v1
metadata:
  name: myclaim
spec:
  accessModes:
    - ReadWriteOnce
  volumeMode: Filesystem
  resources:
    requests:
      storage: 5Gi
  volumeName: mypv
  • 创建 Pod 绑定 PVC
kind: Pod
apiVersion: v1
metadata:
  name: mypod
spec:
  containers:
    - name: myfrontend
      image: nginx
      volumeMounts:
      - mountPath: "/var/www/html"
        name: mypd
  volumes:
    - name: mypd
      persistentVolumeClaim:
        claimName: myclaim
  • 查看 pod 运行情况验证绑定结果
$ kubectl get po -o wide
NAME    READY     STATUS    RESTARTS   AGE       IP              NODE      NOMINATED NODE
mypod   1/1       Running   0          1m        10.233.68.249   uat05     <none>
$ kubectl exec -it mypod sh
$ ls /var/www/html
  • 清理环境
$ kubectl delete pv mypv
$ kubectl delete pvc myclaim
$ kubectl delete po mypod

总结

本次实战中使用了 secret 存储 docker 认证凭据，更好地控制它的用途，并降低意外暴露的风险。

使用 configMap 对 redis 进行缓存配置，这样即使 redis 容器挂掉重启 configMap 中的配置依然会生效。接着又使用 emptyDir 来使得同一 Pod 中多个容器的目录共享，在实际应用中开发者通常使用 initContainers 来进行预处理文件，然后通过 emptyDir 传递给 Containers。然后再使用 hostPath 来访问宿主机的资源，当网路 io 达不到文件读写要求时，可考虑固定应用只运行在一个节点上然后使用 hostPath 来解决文件读写速度的要求。

NFS 和 PersistentVolumeClaim 的例子实质上都是试容器挂载的 nfs 服务器共享目录，但这些资源一般都只掌握在了管理员手中，开发人员想要获取这部分资源那么就不是这么友好了，动态存储类（StorageClass）就能很好的解决此类问题。

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