8. k8s 数据存储

長夜難明
400 阅读11分钟

在前面已经提到，容器的生命周期可能很短，会被频繁地创建和销毁。那么容器在销毁时，保存在容器中的数据也会被清除。这种结果对用户来说，在某些情况下是不乐意看到的。为了持久化保存容器的数据，k8s引入了Volume的概念。

Volume是Pod中能够被多个容器访问的共享目录，它被定义在Pod上，被Pod里的多个容器挂载到具体的文件目录下，k8s通过Volume实现同一个Pod中不同容器间的数据共享以及数据的持久化存储。Volume的生命容器不与Pod中单个容器的生命周期相关，当容器终止或者重启时，Volume中的数据也不会丢失。

k8s的Volume支持多种类型，比较常见的有下面几个：

  • 简单存储：EmptyDir、HostPath、NFS
  • 高级存储：PV、PVC
  • 配置存储：ConfigMap、Secret

1. 基本存储

1.1 EmptyDir

EmptyDir是最基础的Volume类型，一个EmptyDir就是Host上的一个空目录。

EmptyDir是在Pod被分配到Node时创建的，它的初始内容为空，并且无须指定宿主机上对应的目录文件，因为k8s会自动分配一个目录，当Pod销毁时， EmptyDir中的数据也会被永久删除。 EmptyDir用途如下：

  • 临时空间，例如用于某些应用程序运行时所需的临时目录，且无须永久保留
  • 一个容器需要从另一个容器中获取数据的目录（多容器共享目录）

接下来，通过一个容器之间文件共享的案例来使用一下EmptyDir。

在一个Pod中准备两个容器nginx和busybox，声明一个Volume分别挂在到两个容器的目录中，nginx容器负责向Volume中写日志，busybox中通过命令将日志内容读到控制台。 img

创建一个volume-emptydir.yaml

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: volume-emptydir
  namespace: dev
spec:
  containers:
  - name: nginx
    image: nginx:1.17.1
    ports:
    - containerPort: 80
    volumeMounts:  # 将logs-volume挂在到nginx容器中，对应的目录为 /var/log/nginx
    - name: logs-volume
      mountPath: /var/log/nginx
  - name: busybox
    image: busybox:1.30
    command: ["/bin/sh","-c","tail -f /logs/access.log"] # 初始命令，动态读取指定文件中内容
    volumeMounts:  # 将logs-volume 挂在到busybox容器中，对应的目录为 /logs
    - name: logs-volume
      mountPath: /logs
  volumes: # 声明volume， name为logs-volume，类型为emptyDir
  - name: logs-volume
    emptyDir: {}

image.png

通过podIP访问nginx，再通过kubectl logs命令查看busy-box容器的标准输出 image.png

1.2 HostPath

EmptyDir中数据不会被持久化，它会随着Pod的结束而销毁，如果想简单的将数据持久化到主机中，可以选择HostPath。

HostPath就是将Node主机中一个实际目录挂在到Pod中以供容器使用，这样的设计就可以保证Pod销毁了，但是数据依据可以存在于Node主机上。 img

创建一个volume-hostpath.yaml：

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: volume-hostpath
  namespace: dev
spec:
  containers:
  - name: nginx
    image: nginx:1.17.1
    ports:
    - containerPort: 80
    volumeMounts:
    - name: logs-volume
      mountPath: /var/log/nginx
  - name: busybox
    image: busybox:1.30
    command: ["/bin/sh","-c","tail -f /logs/access.log"]
    volumeMounts:
    - name: logs-volume
      mountPath: /logs
  volumes:
  - name: logs-volume
    hostPath: 
      path: /root/logs
      type: DirectoryOrCreate  # 目录存在就使用，不存在就先创建后使用

关于type的值的一点说明：

  • DirectoryOrCreate 目录存在就使用，不存在就先创建后使用
  • Directory 目录必须存在
  • FileOrCreate 文件存在就使用，不存在就先创建后使用
  • File 文件必须存在
  • Socket unix套接字必须存在
  • CharDevice 字符设备必须存在
  • BlockDevice 块设备必须存在

创建与查看 image.png

访问nginx后去对应节点的目录下查找 image.png

同样的道理，如果在此目录下创建一个文件，到容器中也是可以看到的

1.3 NFS

HostPath可以解决数据持久化的问题，但是一旦Node节点故障了，Pod如果转移到了别的节点，又会出现问题了，此时需要准备单独的网络存储系统，比较常用的用NFS、CIFS。

NFS是一个网络文件存储系统，可以搭建一台NFS服务器，然后将Pod中的存储直接连接到NFS系统上，这样的话，无论Pod在节点上怎么转移，只要Node跟NFS的对接没问题，数据就可以成功访问。 img

  1. 首先要准备nfs的服务器，这里为了简单，直接是master节点做nfs服务器
# 安装nfs服务
yum install nfs-utils -y

# 准备一个共享目录
mkdir /root/data/nfs -pv

# 将共享目录以读写权限暴露给192.168.5.230/24网段中的所有主机
# IP在编辑->虚拟网络编辑器->VMnet8->子网IP可以看到
vim /etc/exports
/root/data/nfs     192.168.230.0/24(rw,no_root_squash)

# 启动nfs服务
systemctl restart nfs
  1. 接下来，要在的每个node节点上都安装下nfs，这样的目的是为了node节点可以驱动nfs设备
# 在node上安装nfs服务，注意不需要启动
yum install nfs-utils -y
  1. 接下来，就可以编写pod的配置文件了，创建volume-nfs.yaml
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: volume-nfs
  namespace: dev
spec:
  containers:
  - name: nginx
    image: nginx:1.17.1
    ports:
    - containerPort: 80
    volumeMounts:
    - name: logs-volume
      mountPath: /var/log/nginx
  - name: busybox
    image: busybox:1.30
    command: ["/bin/sh","-c","tail -f /logs/access.log"] 
    volumeMounts:
    - name: logs-volume
      mountPath: /logs
  volumes:
  - name: logs-volume
    nfs:
      server: 192.168.5.6  #nfs服务器地址
      path: /root/data/nfs #共享文件路径
  1. 运行并查看

image.png

2. 高级存储

前面已经学习了使用NFS提供存储，此时就要求用户会搭建NFS系统，并且会在yaml配置nfs。由于k8s支持的存储系统有很多，要求客户全都掌握显然不现实。为了能够屏蔽底层存储实现的细节，方便用户使用， k8s引入PV和PVC两种资源对象。

  • PV（Persistent Volume）持久化卷，是对底层的共享存储的一种抽象。一般情况下由k8s管理员创建和配置，它与底层具体的共享存储技术有关，并通过插件完成与共享存储的对接。
  • PVC（Persistent Volume Claim）持久卷声明，是用户对于存储需求的一种声明。换句话说，PVC其实就是用户向k8s系统发出的一种资源需求申请。

img

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： k8s管理员维护
  • PVC：k8s用户维护

2.1 PV

PV是存储资源的抽象，下面是资源清单文件:

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

PV 的关键配置参数说明：

  • 存储类型：底层实际存储的类型，k8s支持多种存储类型，每种存储类型的配置都有所差异

  • 存储能力：目前只支持存储空间的设置( storage=1Gi )

  • 访问模式：描述用户应用对存储资源的访问权限，包括下面几种方式：

    • ReadWriteOnce（RWO）：读写权限，但是只能被单个节点挂载
    • ReadOnlyMany（ROX）： 只读权限，可以被多个节点挂载
    • ReadWriteMany（RWX）：读写权限，可以被多个节点挂载

    需要注意的是，底层不同的存储类型可能支持的访问模式不同

  • 回收策略：当PV不再被使用了之后，对其的处理方式。目前支持三种策略：

    • Retain （保留） 保留数据，需要管理员手工清理数据
    • Recycle（回收） 清除 PV 中的数据，效果相当于执行 rm -rf /thevolume/*
    • Delete （删除） 与 PV 相连的后端存储完成 volume 的删除操作，常见于云服务商的存储服务

    需要注意的是，底层不同的存储类型可能支持的回收策略不同

  • 存储类别：PV可以通过storageClassName参数指定一个存储类别

    • 具有特定类别的PV只能与请求了该类别的PVC进行绑定
    • 未设定类别的PV则只能与不请求任何类别的PVC进行绑定

  • 状态：一个 PV 的生命周期中，可能会处于4种不同的阶段：

    • Available（可用）： 还未被任何 PVC 绑定
    • Bound（已绑定）： 已被 PVC 绑定
    • Released（已释放）： PVC 被删除，但是资源还未被集群重新声明
    • Failed（失败）： 该 PV 的自动回收失败

实验

使用NFS作为存储，来演示PV的使用，创建3个PV，对应NFS中的3个暴露的路径。

  1. 准备NFS环境
# 创建目录
[root@nfs ~]# mkdir /root/data/{pv1,pv2} -pv

# 暴露服务
[root@nfs ~]# more /etc/exports
/root/data/pv1     192.168.5.0/24(rw,no_root_squash)
/root/data/pv2     192.168.5.0/24(rw,no_root_squash)

# 重启服务
[root@nfs ~]#  systemctl restart nfs
  1. 创建pv.yaml，server改成自己的master的IP，因为之前nfs服务器图方便用master搭建的
apiVersion: v1
kind: PersistentVolume
metadata:
  name:  pv1
spec:
  capacity: 
    storage: 1Gi
  accessModes:
  - ReadWriteMany
  persistentVolumeReclaimPolicy: Retain
  nfs:
    path: /root/data/pv1
    server: 192.168.230.151  

---

apiVersion: v1
kind: PersistentVolume
metadata:
  name:  pv2
spec:
  capacity: 
    storage: 2Gi
  accessModes:
  - ReadWriteMany
  persistentVolumeReclaimPolicy: Retain
  nfs:
    path: /root/data/pv2
    server: 192.168.230.151

创建和查看 image.png

2.2 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：描述用户应用对存储资源的访问权限
  • 选择条件：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：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： 描述对存储资源的请求

实验

  1. 创建pvc.yaml，申请pv
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

创建和查看 image.png 2. 创建pods.yaml, 使用pv

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: pod1
  namespace: dev
spec:
  containers:
  - name: busybox
    image: busybox:1.30
    command: ["/bin/sh","-c","while true;do echo pod1 >> /root/out.txt; sleep 10; done;"]
    volumeMounts:
    - name: volume
      mountPath: /root/
  volumes:
    - name: volume
      persistentVolumeClaim:
        claimName: pvc1
        readOnly: false
---
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: pod2
  namespace: dev
spec:
  containers:
  - name: busybox
    image: busybox:1.30
    command: ["/bin/sh","-c","while true;do echo pod2 >> /root/out.txt; sleep 10; done;"]
    volumeMounts:
    - name: volume
      mountPath: /root/
  volumes:
    - name: volume
      persistentVolumeClaim:
        claimName: pvc2
        readOnly: false

创建和查看

image.png

2.3 生命周期

PVC和PV是一一对应的，PV和PVC之间的相互作用遵循以下生命周期：

  • 资源供应：管理员手动创建底层存储和PV

  • 资源绑定：用户创建PVC，k8s负责根据PVC的声明去寻找PV，并绑定

    用户定义好PVC之后，系统将根据PVC对存储资源的请求在已存在的PV中选择一个满足条件的

    • 一旦找到，就将该PV与用户定义的PVC进行绑定，用户的应用就可以使用这个PVC了
    • 如果找不到，PVC则会无限期处于Pending状态，直到等到系统管理员创建了一个符合其要求的PV

    PV一旦绑定到某个PVC上，就会被这个PVC独占，不能再与其他PVC进行绑定了

  • 资源使用：用户可在pod中像volume一样使用pvc

    Pod使用Volume的定义，将PVC挂载到容器内的某个路径进行使用。

  • 资源释放：用户删除pvc来释放pv

    当存储资源使用完毕后，用户可以删除PVC，与该PVC绑定的PV将会被标记为“已释放”，但还不能立刻与其他PVC进行绑定。通过之前PVC写入的数据可能还被留在存储设备上，只有在清除之后该PV才能再次使用。

  • 资源回收：k8s根据pv设置的回收策略进行资源的回收

    对于PV，管理员可以设定回收策略，用于设置与之绑定的PVC释放资源之后如何处理遗留数据的问题。只有PV的存储空间完成回收，才能供新的PVC绑定和使用

img

3. 配置存储

3.1 ConfigMap

ConfigMap是一种比较特殊的存储卷，它的主要作用是用来存储配置信息的。

创建configmap.yaml：

apiVersion: v1
kind: ConfigMap
metadata:
  name: configmap
  namespace: dev
data:
  info: |
    username:admin
    password:123456

创建和查看 image.png

创建一个pod-configmap.yaml，将上面创建的configmap挂载进去

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: pod-configmap
  namespace: dev
spec:
  containers:
  - name: nginx
    image: nginx:1.17.1
    volumeMounts: # 将configmap挂载到目录
    - name: config
      mountPath: /configmap/config
  volumes: # 引用configmap
  - name: config
    configMap:
      name: configmap

创建与查看

image.png

进入容器 image.png

可以看到映射已经成功，每个configmap都映射成了一个目录

3.2 Secret

k8s中还存在一种和ConfigMap非常类似的对象，称为Secret对象。主要用于存储敏感信息，例如密码、秘钥、证书等等。

  1. 首先使用base64对数据进行编码
[root@master ~]# echo -n 'admin' | base64 #准备username
YWRtaW4=
[root@master ~]# echo -n '123456' | base64 #准备password
MTIzNDU2
  1. 接下来编写secret.yaml
apiVersion: v1
kind: Secret
metadata:
  name: secret
  namespace: dev
type: Opaque
data:
  username: YWRtaW4=
  password: MTIzNDU2

创建并查看secret

image.png 3. 创建pod-secret.yaml，将上面创建的secret挂载进去：

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: pod-secret
  namespace: dev
spec:
  containers:
  - name: nginx
    image: nginx:1.17.1
    volumeMounts: # 将secret挂载到目录
    - name: config
      mountPath: /secret/config
  volumes:
  - name: config
    secret:
      secretName: secret

创建并查看pod image.png

进入容器，查看secret信息，发现已经自动解码了 image.png

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