k8s-----数据存储

目录

一、数据存储的概念

二、基本存储

1、EmptyDir存储卷

2、hostPath存储卷

3、nfs共享存储卷

三、高级存储

1、PV（持久化卷）

2、PVC（持久化卷声明）

3、静态PV实验

4、动态PV实验

4.1 在stor01节点上安装nfs，并配置nfs服务

4.2 创建 Service Account

4.3 使用 Deployment 来创建 NFS Provisioner

4.4 创建 StorageClass

4.5 创建 PVC 和 Pod 测试

---

一、数据存储的概念

容器磁盘上的文件的生命周期是短暂的，这就使得在容器中运行重要应用时会出现一些问题。首先，当容器崩溃时，kubelet 会重启它，但是容器中的文件将丢失——容器以干净的状态（镜像最初的状态）重新启动。其次，在Pod中同时运行多个容器时，这些容器之间通常需要共享文件。Kubernetes 中的Volume抽象就很好的解决了这些问题。Pod中的容器通过Pause容器共享Volume。

二、基本存储

1、EmptyDir存储卷

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kubernetes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，且无需永久保留
• 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，通过容器与之间文件共享的案例来使用一下EmptyDir。

• 创建一个pod-emptydir.yaml

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: pod-emptydir
  namespace: default
  labels:
    app: myapp
    tier: frontend
spec:
  containers:
  - name: myapp
    image: ikubernetes/myapp:v1
    imagePullPolicy: IfNotPresent
    ports:
    - name: http
      containerPort: 80
	#定义容器挂载内容
    volumeMounts:
	#使用的存储卷名称，如果跟下面volume字段name值相同，则表示使用volume的这个存储卷
    - name: html
	  #挂载至容器中哪个目录
      mountPath: /usr/share/nginx/html/
  - name: busybox
    image: busybox:latest
    imagePullPolicy: IfNotPresent
    volumeMounts:
    - name: html
	  #在容器内定义挂载存储名称和挂载路径
      mountPath: /data/
    command: ['/bin/sh','-c','while true;do echo $(date) >> /data/index.html;sleep 2;done']
  #定义存储卷
  volumes:
  #定义存储卷名称  
  - name: html
    #定义存储卷类型
    emptyDir: {}

kubectl apply -f pod-emptydir.yaml
#创建pod

kubectl get pods -o wide
#查看详细信息

在上面定义了2个容器，其中一个容器是输入日期到index.html中，然后验证访问nginx的html是否可以获取日期。以验证两个容器之间挂载的emptyDir实现共享。

​

2、hostPath存储卷

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。

• 在 node01 节点上创建挂载目录

mkdir -p /data/pod/volume1
echo 'node01.kfc.com' > /data/pod/volume1/index.html

• 在 node02 节点上创建挂载目录

mkdir -p /data/pod/volume1
echo 'node02.kc.com' > /data/pod/volume1/index.html

• 创建 Pod 资源

vim pod-hostpath.yaml
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: pod-hostpath
  namespace: default
spec:
  containers:
  - name: myapp
    image: ikubernetes/myapp:v1
	#定义容器挂载内容
    volumeMounts:
	#使用的存储卷名称，如果跟下面volume字段name值相同，则表示使用volume的这个存储卷
    - name: html
	  #挂载至容器中哪个目录
      mountPath: /usr/share/nginx/html
	  #读写挂载方式，默认为读写模式false
	  readOnly: false
  #volumes字段定义了paues容器关联的宿主机或分布式文件系统存储卷
  volumes:
    #存储卷名称
    - name: html
	  #路径，为宿主机存储路径
      hostPath:
	    #在宿主机上目录的路径
        path: /data/pod/volume1
		#定义类型，这表示如果宿主机没有此目录则会自动创建
        type: DirectoryOrCreate

kubectl apply -f pod-hostpath.yaml

• 访问测试

kubectl get pods -o wide
NAME           READY   STATUS    RESTARTS   AGE   IP            NODE     NOMINATED NODE   READINESS GATES
pod-hostpath   2/2     Running   0          37s   10.244.2.35   node02              

curl 10.244.2.35
node02.kgc.com

• 删除pod，再重建，验证是否依旧可以访问原来的内容

kubectl delete -f pod-hostpath.yaml  
kubectl apply -f pod-hostpath.yaml 

kubectl get pods -o wide
NAME           READY   STATUS    RESTARTS   AGE   IP            NODE     NOMINATED NODE   READINESS GATES
pod-hostpath   2/2     Running   0          36s   10.244.2.37   node02              

curl  10.244.2.37 
node02.kgc.com

3、nfs共享存储卷

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。

• 在stor01节点上安装nfs，并配置nfs服务

mkdir /data/volumes -p
chmod 777 /data/volumes

vim /etc/exports
/data/volumes 192.168.10.0/24(rw,no_root_squash)

systemctl start rpcbind
systemctl start nfs

showmount -e
Export list for stor01:
/data/volumes 192.168.10.0/24

• master节点操作

vim pod-nfs-vol.yaml
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: pod-vol-nfs
  namespace: default
spec:
  containers:
  - name: myapp
    image: ikubernetes/myapp:v1
    volumeMounts:
    - name: html
      mountPath: /usr/share/nginx/html
  volumes:
    - name: html
      nfs:
        path: /data/volumes
        server: stor01

kubectl apply -f pod-nfs-vol.yaml

kubectl get pods -o wide
NAME                     READY     STATUS    RESTARTS   AGE       IP            NODE
pod-vol-nfs              1/1       Running   0          21s       10.244.2.38   node02

• 在nfs服务器上创建index.html

cd /data/volumes
vim index.html
 nfs stor01

• master节点操作

curl 10.244.2.38
 nfs stor01

kubectl delete -f pod-nfs-vol.yaml   #删除nfs相关pod，再重新创建，可以得到数据的持久化存储

kubectl apply -f pod-nfs-vol.yaml

三、高级存储

前面了解了使用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引入了PV和PVC两种资源对象。

• PV（Persistent Volume）：持久化存储卷。它是用来描述或者说用来定义一个存储卷的，这个通常都是由运维工程师来定义。
• PVC（Persistent Volume Claim）：是持久化存储的请求。它是用来描述希望使用什么样的或者说是满足什么条件的 PV 存储。

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 会根据配置的定义去 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和PVC之间的相互作用遵循这个生命周期：
Provisioning（配置）---> Binding（绑定）---> Using（使用）---> Releasing（释放） ---> Recycling（回收）

• Provisioning，即 PV 的创建，可以直接创建 PV（静态方式），也可以使用 StorageClass 动态创建
• Binding，将 PV 分配给 PVC
• Using，Pod 通过 PVC 使用该 Volume，并可以通过准入控制StorageProtection（1.9及以前版本为PVCProtection） 阻止删除正在使用的 PVC
• Releasing，Pod 释放 Volume 并删除 PVC
• Reclaiming，回收 PV，可以保留 PV 以便下次使用，也可以直接从云存储中删除

根据这 5 个阶段，PV 的状态有以下 4 种：

●Available（可用）：表示可用状态，还未被任何 PVC 绑定
●Bound（已绑定）：表示 PV 已经绑定到 PVC
●Released（已释放）：表示 PVC 被删掉，但是资源尚未被集群回收
●Failed（失败）：表示该 PV 的自动回收失败

一个PV从创建到销毁的具体流程如下：

1、一个PV创建完后状态会变成Available，等待被PVC绑定。
2、一旦被PVC邦定，PV的状态会变成Bound，就可以被定义了相应PVC的Pod使用。
3、Pod使用完后会释放PV，PV的状态变成Released。
4、变成Released的PV会根据定义的回收策略做相应的回收工作。有三种回收策略，Retain、Delete和Recycle。Retain就是保留现场，K8S集群什么也不做，等待用户手动去处理PV里的数据，处理完后，再手动删除PV。Delete策略，K8S会自动删除该PV及里面的数据。Recycle方式，K8S会将PV里的数据删除，然后把PV的状态变成Available，又可以被新的PVC绑定使用。

1、PV（持久化卷）

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   #注意:pv是存储资源的抽象，它不存命名空间的定义
spec:
  nfs:         #存储类型，与底层真正存储对应(有多种，比如NFS、GFS、CIFS等)
    path:（定义挂载卷路径）
    server:（定义服务器名称）
  cappcity:    #存储能力，也就是存储的空间大小
    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（capacity）

• 目前只支持存储空间的设置（storage=1Gi），未来可能加入IOPS、吞吐量等指标的配置

访问模式（accessModes）

用户描述用户应用对存储资源的访问权限，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

回收策略（persistentVolumeReclaimPolicy）

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

• Reatin（保留）： 保留数据，需要管理员手动清理数据
• 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，当然常见与云服务商的存储服务

存储类别

PV可以通过 storage Name 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

2、PVC（持久化卷声明）

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。

资源清单文件

apiVersion: v1
kind: PersistentVolumeClaim   #定义pvc的资源类型
metadata:
  name: pvc
  namespace: dev     #可以定义命名空间
sepc: 
  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 对于系统中已存在的PV进行筛选

存储类别（storageClassName）

• PVC在定义时可以设置需要的后端存储类别，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

3、静态PV实验

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

1、配置nfs存储

mkdir v{1,2,3,4,5}

vim /etc/exports
/data/volumes/v1 192.168.10.0/24(rw,no_root_squash)
/data/volumes/v2 192.168.10.0/24(rw,no_root_squash)
/data/volumes/v3 192.168.10.0/24(rw,no_root_squash)
/data/volumes/v4 192.168.10.0/24(rw,no_root_squash)
/data/volumes/v5 192.168.10.0/24(rw,no_root_squash)

exportfs -arv

showmount -e

官方文档：https://kubernetes.io/zh-cn/docs/tasks/configure-pod-container/configure-persistent-volume-storage/#create-a-persistentvolume

2、定义PV

这里定义5个PV，并且定义挂载的路径以及访问模式，还有PV划分的大小。

vim pv-demo.yaml
apiVersion: v1
kind: PersistentVolume
metadata:
  name: pv001
  labels:
    name: pv001
spec:
  nfs:
    path: /data/volumes/v1
    server: stor01                                                                                                                                                                                                                   
  accessModes: ["ReadWriteMany","ReadWriteOnce"]
  capacity:
    storage: 1Gi
---
apiVersion: v1
kind: PersistentVolume
metadata:
  name: pv002
  labels:
    name: pv002
spec:
  nfs:
    path: /data/volumes/v2
    server: stor01
  accessModes: ["ReadWriteOnce"]
  capacity:
    storage: 2Gi
---
apiVersion: v1
kind: PersistentVolume
metadata:
  name: pv003
  labels:
    name: pv003
spec:
  nfs:
    path: /data/volumes/v3
    server: stor01
  accessModes: ["ReadWriteMany","ReadWriteOnce"]
  capacity:
    storage: 2Gi
---
apiVersion: v1
kind: PersistentVolume
metadata:
  name: pv004
  labels:
    name: pv004
spec:
  nfs:
    path: /data/volumes/v4
    server: stor01
  accessModes: ["ReadWriteMany","ReadWriteOnce"]
  capacity:
    storage: 4Gi
---
apiVersion: v1
kind: PersistentVolume
metadata:
  name: pv005
  labels:
    name: pv005
spec:
  nfs:
    path: /data/volumes/v5
    server: stor01
  accessModes: ["ReadWriteMany","ReadWriteOnce"]
  capacity:
    storage: 5Gi

kubectl apply -f pv-demo.yaml

kubectl get pv
NAME      CAPACITY   ACCESS MODES   RECLAIM POLICY   STATUS      CLAIM     STORAGECLASS   REASON    AGE
pv001     1Gi        RWO,RWX        Retain           Available                                      7s
pv002     2Gi        RWO            Retain           Available                                      7s
pv003     2Gi        RWO,RWX        Retain           Available                                      7s
pv004     4Gi        RWO,RWX        Retain           Available                                      7s
pv005     5Gi        RWO,RWX        Retain           Available                           			7s

3、定义PVC

这里定义了pvc的访问模式为多路读写，该访问模式必须在前面pv定义的访问模式之中。定义PVC申请的大小为2Gi，此时PVC会自动去匹配多路读写且大小为2Gi的PV，匹配成功获取PVC的状态即为Bound

vim pod-vol-pvc.yaml
apiVersion: v1
kind: PersistentVolumeClaim
metadata:
  name: mypvc
  namespace: default
spec:
  accessModes: ["ReadWriteMany"]
  resources:
    requests:
      storage: 2Gi
---
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: pod-vol-pvc
  namespace: default
spec:
  containers:
  - name: myapp
    image: ikubernetes/myapp:v1
    volumeMounts:
    - name: html
      mountPath: /usr/share/nginx/html
  volumes:
    - name: html
      persistentVolumeClaim:
        claimName: mypvc

kubectl apply -f pod-vol-pvc.yaml

kubectl get pv
NAME      CAPACITY   ACCESS MODES   RECLAIM POLICY   STATUS      CLAIM           STORAGECLASS   REASON    AGE
pv001     1Gi        RWO,RWX        Retain           Available                                            19m
pv002     2Gi        RWO            Retain           Available                                            19m
pv003     2Gi        RWO,RWX        Retain           Bound       default/mypvc                            19m
pv004     4Gi        RWO,RWX        Retain           Available                                            19m
pv005     5Gi        RWO,RWX        Retain           Available                                            19m

kubectl get pvc
NAME      STATUS    VOLUME    CAPACITY   ACCESS MODES   STORAGECLASS   AGE
mypvc     Bound     pv003     2Gi        RWO,RWX                       22s

4、测试访问

在存储服务器上创建index.html，并写入数据，通过访问Pod进行查看，可以获取到相应的页面。

cd /data/volumes/v3/
echo "welcome to use pv3" > index.html

kubectl get pods -o wide
pod-vol-pvc             1/1       Running   0          3m        10.244.2.39   k8s-node02

curl  10.244.2.39
welcome to use pv3

4、动态PV实验

上面介绍的PV和PVC模式是需要运维人员先创建好PV，然后开发人员定义好PVC进行一对一的Bond，但是如果PVC请求成千上万，那么就需要创建成千上万的PV，对于运维人员来说维护成本很高，Kubernetes提供一种自动创建PV的机制，叫StorageClass，它的作用就是创建PV的模板。

创建 StorageClass 需要定义 PV 的属性，比如存储类型、大小等；另外创建这种 PV 需要用到的存储插件，比如 Ceph 等。 有了这两部分信息，Kubernetes 就能够根据用户提交的 PVC，找到对应的 StorageClass，然后 Kubernetes 就会调用 StorageClass 声明的存储插件，自动创建需要的 PV 并进行绑定。
搭建 StorageClass + NFS，实现 NFS 的动态 PV 创建

Kubernetes 本身支持的动态 PV 创建不包括 NFS，所以需要使用外部存储卷插件分配PV。详见：https://kubernetes.io/zh/docs/concepts/storage/storage-classes/

卷插件称为 Provisioner（存储分配器），NFS 使用的是 nfs-client，这个外部卷插件会使用已经配置好的 NFS 服务器自动创建 PV。

4.1 在stor01节点上安装nfs，并配置nfs服务

mkdir /opt/k8s
chmod 777 /opt/k8s/

vim /etc/exports
/opt/k8s 192.168.10.0/24(rw,no_root_squash,sync)

systemctl restart nfs

4.2 创建 Service Account

创建 Service Account，用来管理 NFS Provisioner 在 k8s 集群中运行的权限，设置 nfs-client 对 PV，PVC，StorageClass 等的规则

vim nfs-client-rbac.yaml
#创建 Service Account 账户，用来管理 NFS Provisioner 在 k8s 集群中运行的权限
apiVersion: v1
kind: ServiceAccount
metadata:
  name: nfs-client-provisioner
---
#创建集群角色
apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1
kind: ClusterRole
metadata:
  name: nfs-client-provisioner-clusterrole
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: ["list", "watch", "create", "update", "patch"]
  - apiGroups: [""]
    resources: ["endpoints"]
    verbs: ["create", "delete", "get", "list", "watch", "patch", "update"]
---
#集群角色绑定
apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1
kind: ClusterRoleBinding
metadata:
  name: nfs-client-provisioner-clusterrolebinding
subjects:
- kind: ServiceAccount
  name: nfs-client-provisioner
  namespace: default
roleRef:
  kind: ClusterRole
  name: nfs-client-provisioner-clusterrole
  apiGroup: rbac.authorization.k8s.io

kubectl apply -f nfs-client-rbac.yaml

4.3 使用 Deployment 来创建 NFS Provisioner

NFS Provisione(即 nfs-client)，有两个功能：一个是在 NFS 共享目录下创建挂载点(volume)，另一个则是将 PV 与 NFS 的挂载点建立关联。

#由于 1.20 版本启用了 selfLink，所以 k8s 1.20+ 版本通过 nfs provisioner 动态生成pv会报错，解决方法如下：
vim /etc/kubernetes/manifests/kube-apiserver.yaml
spec:
  containers:
  - command:
    - kube-apiserver
    - --feature-gates=RemoveSelfLink=false       #添加这一行
    - --advertise-address=192.168.80.20
......

kubectl apply -f /etc/kubernetes/manifests/kube-apiserver.yaml
kubectl delete pods kube-apiserver -n kube-system 
kubectl get pods -n kube-system | grep apiserver

#创建 NFS Provisioner
vim nfs-client-provisioner.yaml
kind: Deployment
apiVersion: apps/v1
metadata:
  name: nfs-client-provisioner
spec:
  replicas: 1
  selector:
    matchLabels:
      app: nfs-client-provisioner
  strategy:
    type: Recreate
  template:
    metadata:
      labels:
        app: nfs-client-provisioner
    spec:
      serviceAccountName: nfs-client-provisioner   	  #指定Service Account账户
      containers:
        - name: nfs-client-provisioner
          image: quay.io/external_storage/nfs-client-provisioner:latest
          imagePullPolicy: IfNotPresent
          volumeMounts:
            - name: nfs-client-root
              mountPath: /persistentvolumes
          env:
            - name: PROVISIONER_NAME
              value: nfs-storage       #配置provisioner的Name，确保该名称与StorageClass资源中的provisioner名称保持一致
            - name: NFS_SERVER
              value: stor01           #配置绑定的nfs服务器
            - name: NFS_PATH
              value: /opt/k8s          #配置绑定的nfs服务器目录
      volumes:              #申明nfs数据卷
        - name: nfs-client-root
          nfs:
            server: stor01
            path: /opt/k8s
	

kubectl apply -f nfs-client-provisioner.yaml 

kubectl get pod
NAME                                   READY   STATUS    RESTARTS   AGE
nfs-client-provisioner-cd6ff67-sp8qd   1/1     Running   0          14s

4.4 创建 StorageClass

创建 StorageClass，负责建立 PVC 并调用 NFS provisioner 进行预定的工作，并让 PV 与 PVC 建立关联

vim nfs-client-storageclass.yaml
apiVersion: storage.k8s.io/v1
kind: StorageClass
metadata:
  name: nfs-client-storageclass
provisioner: nfs-storage     #这里的名称要和provisioner配置文件中的环境变量PROVISIONER_NAME保持一致
parameters:
  archiveOnDelete: "false"   #false表示在删除PVC时不会对数据进行存档，即删除数据
  
  
kubectl apply -f nfs-client-storageclass.yaml

kubectl get storageclass
NAME                      PROVISIONER   RECLAIMPOLICY   VOLUMEBINDINGMODE   ALLOWVOLUMEEXPANSION   AGE
nfs-client-storageclass   nfs-storage   Delete          Immediate           false                  43s

4.5 创建 PVC 和 Pod 测试

vim test-pvc-pod.yaml
apiVersion: v1
kind: PersistentVolumeClaim
metadata:
  name: test-nfs-pvc
spec:
  accessModes:
    - ReadWriteMany
  storageClassName: nfs-client-PROVISIONER    #关联StorageClass对象
  resources:
    requests:
      storage: 1Gi
---
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: test-storageclass-pod
spec:
  containers:
  - name: busybox
    image: busybox:latest
    imagePullPolicy: IfNotPresent
    command:
    - "/bin/sh"
    - "-c"
    args:
    - "sleep 3600"
    volumeMounts:
    - name: nfs-pvc
      mountPath: /mnt
  restartPolicy: Never
  volumes:
  - name: nfs-pvc
    persistentVolumeClaim:
      claimName: test-nfs-pvc      #与PVC名称保持一致

kubectl apply -f pod-hostpath.yaml