Kubernetes StatefulSet有状态应用
0. 简介
StatefulSet 是用来管理有状态应用的工作负载 API 对象。
StatefulSet 用来管理 Deployment 和扩展一组 Pod，并且能为这些 Pod 提供序号和唯一性保证。
和 Deployment 相同的是，StatefulSet 管理了基于相同容器定义的一组 Pod。但和 Deployment 不同的是，StatefulSet 为它们的每个 Pod 维护了一个固定的 ID。这些 Pod 是基于相同的声明来创建的，但是不能相互替换：无论怎么调度，每个 Pod 都有一个永久不变的 ID。
StatefulSet 和其他控制器使用相同的工作模式。你在 StatefulSet 对象 中定义你期望的状态，然后 StatefulSet 的 控制器 就会通过各种更新来达到那种你想要的状态。
使用 StatefulSets
1. 创建 StatefulSet
它创建了一个 Headless Service nginx 用来发布 StatefulSet web 中的 Pod 的 IP 地址。
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
name: nginx
labels:
app: nginx
spec:
ports:
- port: 80
name: web
clusterIP: None
selector:
app: nginx
---
apiVersion: apps/v1
kind: StatefulSet
metadata:
name: web
spec:
serviceName: "nginx"
replicas: 2
selector:
matchLabels:
app: nginx
template:
metadata:
labels:
app: nginx
spec:
containers:
- name: nginx
image: k8s.gcr.io/nginx-slim:0.8
ports:
- containerPort: 80
name: web
volumeMounts:
- name: www
mountPath: /usr/share/nginx/html
volumeClaimTemplates:
- metadata:
name: www
spec:
accessModes: [ "ReadWriteOnce" ]
resources:
requests:
storage: 1Gi
你需要使用两个终端窗口。在第一个终端中，使用 kubectl get 来查看 StatefulSet 的 Pods 的创建情况。
kubectl get pods -w -l app=nginx
在另一个终端中，使用 kubectl apply来创建定义在 web.yaml 中的 Headless Service 和 StatefulSet。
$ kubectl apply -f web.yaml
service/nginx created
statefulset.apps/web created
$ kubectl get service nginx
NAME TYPE CLUSTER-IP EXTERNAL-IP PORT(S) AGE
nginx ClusterIP None <none> 80/TCP 12s
$ kubectl get statefulset web
NAME DESIRED CURRENT AGE
web 2 1 20s
$ kubectl get pods -w -l app=nginx
NAME READY STATUS RESTARTS AGE
web-0 0/1 Pending 0 0s
web-0 0/1 Pending 0 0s
web-0 0/1 ContainerCreating 0 0s
web-0 1/1 Running 0 19s
web-1 0/1 Pending 0 0s
web-1 0/1 Pending 0 0s
web-1 0/1 ContainerCreating 0 0s
web-1 1/1 Running 0 18s
StatefulSet 中的 Pod 拥有一个具有黏性的、独一无二的身份标志。这个标志基于 StatefulSet 控制器分配给每个 Pod 的唯一顺序索引。Pod 的名称的形式为
$ for i in 0 1; do kubectl exec web-$i -- sh -c 'hostname'; done
web-0
web-1
$ kubectl run -i --tty --image busybox:1.28 dns-test --restart=Never --rm
$ nslookup web-0.nginx
Server: 10.0.0.10
Address 1: 10.0.0.10 kube-dns.kube-system.svc.cluster.local
Name: web-0.nginx
Address 1: 10.244.1.6
$ nslookup web-1.nginx
Server: 10.0.0.10
Address 1: 10.0.0.10 kube-dns.kube-system.svc.cluster.local
Name: web-1.nginx
Address 1: 10.244.2.6
headless service 的 CNAME 指向 SRV 记录（记录每个 Running 和 Ready 状态的 Pod）。SRV 记录指向一个包含 Pod IP 地址的记录表项。
kubectl get pod -w -l app=nginx
kubectl delete pod -l app=nginx
pod "web-0" deleted
pod "web-1" deleted
等待 StatefulSet 重启它们，并且两个 Pod 都变成 Running 和 Ready 状态。
kubectl get pod -w -l app=nginx
NAME READY STATUS RESTARTS AGE
web-0 0/1 ContainerCreating 0 0s
NAME READY STATUS RESTARTS AGE
web-0 1/1 Running 0 2s
web-1 0/1 Pending 0 0s
web-1 0/1 Pending 0 0s
web-1 0/1 ContainerCreating 0 0s
web-1 1/1 Running 0 34s
使用 kubectl exec 和 kubectl run 查看 Pod 的主机名和集群内部的 DNS 表项。
for i in 0 1; do kubectl exec web-$i -- sh -c 'hostname'; done
web-0
web-1
kubectl run -i --tty --image busybox:1.28 dns-test --restart=Never --rm /bin/sh
nslookup web-0.nginx
Server: 10.0.0.10
Address 1: 10.0.0.10 kube-dns.kube-system.svc.cluster.local
Name: web-0.nginx
Address 1: 10.244.1.7
nslookup web-1.nginx
Server: 10.0.0.10
Address 1: 10.0.0.10 kube-dns.kube-system.svc.cluster.local
Name: web-1.nginx
Address 1: 10.244.2.8
Pod 的序号、主机名、SRV 条目和记录名称没有改变，但和 Pod 相关联的 IP 地址可能发生了改变。在本教程中使用的集群中它们就改变了。这就是为什么不要在其他应用中使用 StatefulSet 中的 Pod 的 IP 地址进行连接，这点很重要。
如果你需要查找并连接一个 StatefulSet 的活动成员，你应该查询 Headless Service 的 CNAME。和 CNAME 相关联的 SRV 记录只会包含 StatefulSet 中处于 Running 和 Ready 状态的 Pod。
如果你的应用已经实现了用于测试 liveness 和 readiness 的连接逻辑，你可以使用 Pod 的 SRV 记录（web-0.nginx.default.svc.cluster.local， web-1.nginx.default.svc.cluster.local）。因为他们是稳定的，并且当你的 Pod 的状态变为 Running 和 Ready 时，你的应用就能够发现它们的地址。
2. 扩容/缩容 StatefulSet
2.1 扩容
$ kubectl scale sts web --replicas=5 #扩展副本数为 5
$ kubectl get pods -w -l app=nginx
NAME READY STATUS RESTARTS AGE
web-0 1/1 Running 0 2h
web-1 1/1 Running 0 2h
NAME READY STATUS RESTARTS AGE
web-2 0/1 Pending 0 0s
web-2 0/1 Pending 0 0s
web-2 0/1 ContainerCreating 0 0s
web-2 1/1 Running 0 19s
web-3 0/1 Pending 0 0s
web-3 0/1 Pending 0 0s
web-3 0/1 ContainerCreating 0 0s
web-3 1/1 Running 0 18s
web-4 0/1 Pending 0 0s
web-4 0/1 Pending 0 0s
web-4 0/1 ContainerCreating 0 0s
web-4 1/1 Running 0 19s
2.2 缩容
$ kubectl patch sts web -p '{"spec":{"replicas":3}}'
$ kubectl get pods -w -l app=nginx
NAME READY STATUS RESTARTS AGE
web-0 1/1 Running 0 3h
web-1 1/1 Running 0 3h
web-2 1/1 Running 0 55s
web-3 1/1 Running 0 36s
web-4 0/1 ContainerCreating 0 18s
NAME READY STATUS RESTARTS AGE
web-4 1/1 Running 0 19s
web-4 1/1 Terminating 0 24s
web-4 1/1 Terminating 0 24s
web-3 1/1 Terminating 0 42s
web-3 1/1 Terminating 0 42s
3. 更新 StatefulSet
更新策略由 StatefulSet API Object 的spec.updateStrategy 字段决定。这个特性能够用来更新一个 StatefulSet 中的 Pod 的 container images，resource requests，以及 limits，labels 和 annotations。RollingUpdate滚动更新是 StatefulSets 默认策略。
3.1 Rolling Update 策略
$ kubectl patch statefulset web -p '{"spec":{"updateStrategy":{"type":"RollingUpdate"}}}'
statefulset.apps/web patched
$ kubectl patch statefulset web --type='json' -p='[{"op": "replace", "path": "/spec/template/spec/containers/0/image", "value":"gcr.io/google_containers/nginx-slim:0.8"}]'
statefulset.apps/web patched
$ kubectl get po -l app=nginx -w
NAME READY STATUS RESTARTS AGE
web-0 1/1 Running 0 7m
web-1 1/1 Running 0 7m
web-2 1/1 Running 0 8m
web-2 1/1 Terminating 0 8m
web-2 1/1 Terminating 0 8m
web-2 0/1 Terminating 0 8m
web-2 0/1 Terminating 0 8m
web-2 0/1 Terminating 0 8m
web-2 0/1 Terminating 0 8m
web-2 0/1 Pending 0 0s
web-2 0/1 Pending 0 0s
web-2 0/1 ContainerCreating 0 0s
web-2 1/1 Running 0 19s
web-1 1/1 Terminating 0 8m
web-1 0/1 Terminating 0 8m
web-1 0/1 Terminating 0 8m
web-1 0/1 Terminating 0 8m
web-1 0/1 Pending 0 0s
web-1 0/1 Pending 0 0s
web-1 0/1 ContainerCreating 0 0s
web-1 1/1 Running 0 6s
web-0 1/1 Terminating 0 7m
web-0 1/1 Terminating 0 7m
web-0 0/1 Terminating 0 7m
web-0 0/1 Terminating 0 7m
web-0 0/1 Terminating 0 7m
web-0 0/1 Terminating 0 7m
web-0 0/1 Pending 0 0s
web-0 0/1 Pending 0 0s
web-0 0/1 ContainerCreating 0 0s
web-0 1/1 Running 0 10s
获取 Pod 来查看他们的容器镜像。
$ for p in 0 1 2; do kubectl get po web-$p --template '{
{range $i, $c := .spec.containers}}{
{
$c.image}}{
{end}}'; echo; done
k8s.gcr.io/nginx-slim:0.8
k8s.gcr.io/nginx-slim:0.8
k8s.gcr.io/nginx-slim:0.8
kubectl rollout status sts/ 也可以查看 rolling update 的状态。
3.2 分段更新
你可以使用 RollingUpdate 更新策略的 partition 参数来分段更新一个 StatefulSet。分段的更新将会使 StatefulSet 中的其余所有 Pod 保持当前版本的同时仅允许改变 StatefulSet 的 .spec.template。
Patch web StatefulSet 来对 updateStrategy 字段添加一个分区。
$ kubectl patch statefulset web -p '{"spec":{"updateStrategy":{"type":"RollingUpdate","rollingUpdate":{"partition":3}}}}'
statefulset.apps/web patched
再次 Patch StatefulSet 来改变容器镜像。
$ kubectl patch statefulset web --type='json' -p='[{"op": "replace", "path": "/spec/template/spec/containers/0/image", "value":"k8s.gcr.io/nginx-slim:0.7"}]'
statefulset.apps/web patched
删除 StatefulSet 中的 Pod。
$ kubectl delete po web-2
pod "web-2" deleted
3.3 灰度发布
通过 patch 命令修改 StatefulSet 来减少分区。
$ kubectl patch statefulset web -p '{"spec":{"updateStrategy":{"type":"RollingUpdate","rollingUpdate":{"partition":2}}}}'
statefulset.apps/web patched
$ kubectl get po -lapp=nginx -w #等待 web-2 变成 Running 和 Ready。
4. 删除 StatefulSet
4.1 非级联删除
–cascade=false 参数给命令。这个参数告诉 Kubernetes 只删除 StatefulSet 而不要删除它的任何 Pod。
$ kubectl delete statefulset web --cascade=false
statefulset.apps "web" deleted
$ kubectl get pods -l app=nginx
NAME READY STATUS RESTARTS AGE
web-0 1/1 Running 0 6m
web-1 1/1 Running 0 7m
web-2 1/1 Running 0 5m
$ kubectl delete pod web-0
pod "web-0" deleted
$ kubectl get pods -l app=nginx
NAME READY STATUS RESTARTS AGE
web-1 1/1 Running 0 10m
web-2 1/1 Running 0 7m
$ kubectl apply -f web.yaml
statefulset.apps/web created
service/nginx unchanged
$ kubectl get pods -w -l app=nginx
NAME READY STATUS RESTARTS AGE
web-1 1/1 Running 0 16m
web-2 1/1 Running 0 2m
NAME READY STATUS RESTARTS AGE
web-0 0/1 Pending 0 0s
web-0 0/1 Pending 0 0s
web-0 0/1 ContainerCreating 0 0s
web-0 1/1 Running 0 18s
web-2 1/1 Terminating 0 3m
web-2 0/1 Terminating 0 3m
web-2 0/1 Terminating 0 3m
web-2 0/1 Terminating 0 3m
当重新创建 web StatefulSet 时，web-0被第一个重新启动。由于 web-1 已经处于 Running 和 Ready 状态，当 web-0 变成 Running 和 Ready 时，StatefulSet 会直接接收这个 Pod。由于你重新创建的 StatefulSet 的 replicas 等于 2，一旦 web-0 被重新创建并且 web-1 被认为已经处于 Running 和 Ready 状态时，web-2将会被终止。
4.2 级联删除
$ kubectl delete statefulset web
$ kubectl get pods -w -l app=nginx
NAME READY STATUS RESTARTS AGE
web-0 1/1 Running 0 11m
web-1 1/1 Running 0 27m
NAME READY STATUS RESTARTS AGE
web-0 1/1 Terminating 0 12m
web-1 1/1 Terminating 0 29m
web-0 0/1 Terminating 0 12m
web-0 0/1 Terminating 0 12m
web-0 0/1 Terminating 0 12m
web-1 0/1 Terminating 0 29m
web-1 0/1 Terminating 0 29m
web-1 0/1 Terminating 0 29m
虽然级联删除会删除 StatefulSet 和它的 Pod，但它并不会删除和 StatefulSet 关联的 Headless Service。你必须手动删除nginx Service。
$ kubectl delete service nginx
service "nginx" deleted
5. Pod 管理策略
5.1 Parallel Pod 管理策略
Parallel pod 管理策略告诉 StatefulSet 控制器并行的终止所有 Pod，在启动或终止另一个 Pod 前，不必等待这些 Pod 变成 Running 和 Ready 或者完全终止状态.
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
name: nginx
labels:
app: nginx
spec:
ports:
- port: 80
name: web
clusterIP: None
selector:
app: nginx
---
apiVersion: apps/v1
kind: StatefulSet
metadata:
name: web
spec:
serviceName: "nginx"
podManagementPolicy: "Parallel"
replicas: 2
selector:
matchLabels:
app: nginx
template:
metadata:
labels:
app: nginx
spec:
containers:
- name: nginx
image: k8s.gcr.io/nginx-slim:0.8
ports:
- containerPort: 80
name: web
volumeMounts:
- name: www
mountPath: /usr/share/nginx/html
volumeClaimTemplates:
- metadata:
name: www
spec:
accessModes: [ "ReadWriteOnce" ]
resources:
requests:
storage: 1Gi
执行：效果并行执行
kubectl get po -lapp=nginx -w
kubectl apply -f web-parallel.yaml
kubectl apply -f web-parallel.yaml
kubectl delete sts web
kubectl delete svc nginx
6. 示例
创建service
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
labels:
app: cassandra
name: cassandra
spec:
clusterIP: None
ports:
- port: 9042
selector:
app: cassandra
kubectl apply -f https://k8s.io/examples/application/cassandra/cassandra-service.yaml
创建stateful
apiVersion: apps/v1
kind: StatefulSet
metadata:
name: cassandra
labels:
app: cassandra
spec:
serviceName: cassandra
replicas: 3
selector:
matchLabels:
app: cassandra
template:
metadata:
labels:
app: cassandra
spec:
terminationGracePeriodSeconds: 1800
containers:
- name: cassandra
image: gcr.io/google-samples/cassandra:v13
imagePullPolicy: Always
ports:
- containerPort: 7000
name: intra-node
- containerPort: 7001
name: tls-intra-node
- containerPort: 7199
name: jmx
- containerPort: 9042
name: cql
resources:
limits:
cpu: "500m"
memory: 1Gi
requests:
cpu: "500m"
memory: 1Gi
securityContext:
capabilities:
add:
- IPC_LOCK
lifecycle:
preStop:
exec:
command:
- /bin/sh
- -c
- nodetool drain
env:
- name: MAX_HEAP_SIZE
value: 512M
- name: HEAP_NEWSIZE
value: 100M
- name: CASSANDRA_SEEDS
value: "cassandra-0.cassandra.default.svc.cluster.local"
- name: CASSANDRA_CLUSTER_NAME
value: "K8Demo"
- name: CASSANDRA_DC
value: "DC1-K8Demo"
- name: CASSANDRA_RACK
value: "Rack1-K8Demo"
- name: POD_IP
valueFrom:
fieldRef:
fieldPath: status.podIP
readinessProbe:
exec:
command:
- /bin/bash
- -c
- /ready-probe.sh
initialDelaySeconds: 15
timeoutSeconds: 5
# These volume mounts are persistent. They are like inline claims,
# but not exactly because the names need to match exactly one of
# the stateful pod volumes.
volumeMounts:
- name: cassandra-data
mountPath: /cassandra_data
# These are converted to volume claims by the controller
# and mounted at the paths mentioned above.
# do not use these in production until ssd GCEPersistentDisk or other ssd pd
volumeClaimTemplates:
- metadata:
name: cassandra-data
spec:
accessModes: [ "ReadWriteOnce" ]
storageClassName: fast
resources:
requests:
storage: 1Gi
---
kind: StorageClass
apiVersion: storage.k8s.io/v1
metadata:
name: fast
provisioner: k8s.io/minikube-hostpath
parameters:
type: pd-ssd
# 创建 statefulset
kubectl apply -f https://k8s.io/examples/application/cassandra/cassandra-statefulset.yaml
参考资料：
https://kubernetes.io/zh/docs/tutorials/stateful-application/basic-stateful-set/
https://kubernetes.io/zh/docs/tutorials/stateful-application/cassandra/