kubernetes系列教程（九）初识Pod存储管理-云计算-互联网-天达云

kubernetes系列教程（九）初识Pod存储管理
更新：HHH 时间：2023-1-7

写在前面

上一篇文章中kubernetes系列教程（八）Pod健康检查机制介绍了kubernetes中Pod健康检查机制，通过实战介绍了kubernetes中两种健康检查探针：livenessProbe存活检查，readinessProbe就绪检查，存活检查用于检查应用的可用性，就绪检查用于检查容器是否准备接受流量，健康检查包含三种探测的方法：exec命令行探测，tcpSocket端口检测，httpGet请求检测，分别适用于不同场景下的健康检查。接下来介绍kubernetes系列教程pod的存储管理。

kubernetes存储管理按照发展的历程，涉及到有Volume，PV(Persistent Volume)和PVC(PersistentVolumeClaims),和StorageClass，Volume是最早提出的存储卷，主要解决容器和数据存储的依赖关系，抽象底层驱动以支持不同的存储类型；使用Volume需要了解底层存储细节，因此提出了PV，Persistent Volume是由k8s管理员定义的存储单元，应用端使用PersistentVolumeClaims声明去调用PV存储，进一步抽象了底层存储；随着PV数量的增加，管理员需要不停的定义PV的数量，衍生了通过StorageClass动态生成PV，StorageClass通过PVC中声明存储的容量，会调用底层的提供商生成PV。本文介绍Volume的使用，下篇文章介绍PV，PVC和StorageClass。

Volume 存储卷，独立于容器，后端和不同的存储驱动对接
PV Persistent Volume持久化存储卷，和node类似，是一种集群资源，由管理员定义，对接不同的存储
PVC PersistentVolumeClaims持久化存储声明，和pod类似，作为PV的使用者
StorageClass 动态存储类型，分为静态和动态两种类型，通过在PVC中定义存储类型，自动创建所需PV

1. kubernetes存储管理

1.1 存储概述

kubernetes容器中的数据是临时的，即当重启重启或crash后容器的数据将会丢失，此外容器之间有共享存储的需求，所以kubernetes中提供了volume存储的抽象，volume后端能够支持多种不同的plugin驱动，通过.spec.volumes中定义一个存储，然后在容器中.spec.containers.volumeMounts调用，最终在容器内部以目录的形式呈现。

kubernetes内置能支持多种不同的驱动类型，大体上可以分为四种类型：1. 公/私有云驱动接口，如awsElasticBlockStore实现与aws EBS集成，2. 开源存储驱动接口，如ceph rbd，实现与ceph rb块存储对接，3. 本地临时存储，如hostPath，4. kubernetes对象API驱动接口，实现其他对象调用，如configmap，每种存储支持不同的驱动，如下介绍：

公/私有云驱动接口

awsElasticBlockStore AWS的EBS云盘
azureDisk 微软azure云盘
azureFile 微软NAS存储
gcePersistentDisk google云盘
cinder openstack cinder云盘
vsphereVolume VMware的VMFS存储
scaleIO EMC分布式存储

开源存储驱动接口

ceph rbd ceph块存储
cephfs ceph文件存储
glusterfs glusterfs存储
nfs nfs文件
iscsi
flexvolume
csi 社区标准化驱动
flocker

本地临时存储

hostpath 宿主机文件
emptyDir 临时目录

kubernetes对象API驱动接口

configMap 调用configmap对象，注入配置文件
secrets 调用secrets对象，注入秘文配置文件
persistentVolumeClaim 通过pvc调用存储
downloadAPI 下载URL
projected

1.2 emptyDir临时存储

emptyDir是一种临时存储，pod创建的时候会在node节点上为容器申请一个临时的目录，跟随容器的生命周期，如容器删除，emptyDir定义的临时存储空间也会随之删除，容器发生意外crash则不受影响，同时如果容器发生了迁移，其上的数据也会丢失，emptyDir一般用于测试，或者缓存场景。

定义一个emptyDir存储大小为1G，将其挂载到redis的/data目录中

[root@node-1 happylau]# cat emptydir-redis.yaml
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: emptydir-redis
  labels:
    volume: emptydir
  annotations:
    kubernetes.io/storage: emptyDir
spec:
  containers:
  - name: emptydir-redis
    image: redis:latest
    imagePullPolicy: IfNotPresent
    ports:
    - name: redis-6379-port
      protocol: TCP
      containerPort: 6379
    volumeMounts: #将定义的驱动emptydir-redis挂载到容器的/data目录，通过名字方式关联
    - name: emptydir-redis
      mountPath: /data
  volumes:        #定义一个存储，驱动类型为emptyDir，大小1G
  - name: emptydir-redis
    emptyDir: 
      sizeLimit: 1Gi

生成redis pod,并查看describe pod的详情信息

[root@node-1 happylau]# kubectl apply -f emptydir-redis.yaml 
pod/emptydir-redis created

执行kubectl describe pods emptydir-redis查看容器的存储挂载信息
Containers:
  emptydir-redis:
    Container ID:   docker://dddd9f3d0e395d784c08b712631d2b0c259bfdb30b0c655a0fc8021492f1ecf9
    Image:          redis:latest
    Image ID:       docker-pullable://redis@sha256:cb379e1a076fcd3d3f09e10d7b47ca631fb98fb33149ab559fa02c1b11436345
    Port:           6379/TCP
    Host Port:      0/TCP
    State:          Running
      Started:      Tue, 01 Oct 2019 11:04:30 +0800
    Ready:          True
    Restart Count:  0
    Environment:    <none>
    Mounts:   #挂载信息，将emptydir-redis挂载到/data目录，且是rw读写状态
      /data from emptydir-redis (rw)
      /var/run/secrets/kubernetes.io/serviceaccount from default-token-5qwmc (ro)
Conditions:
  Type              Status
  Initialized       True 
  Ready             True 
  ContainersReady   True 
  PodScheduled      True 
Volumes:       #定义了一个EmptyDir类型的存储，大小为1Gi
  emptydir-redis:
    Type:       EmptyDir (a temporary directory that shares a pod's lifetime)
    Medium:     
    SizeLimit:  1Gi
  default-token-5qwmc:
    Type:        Secret (a volume populated by a Secret)
    SecretName:  default-token-5qwmc
    Optional:    false

向redis中写入数据

获取pod的ip地址
[root@node-1 happylau]# kubectl get pods emptydir-redis -o wide 
NAME             READY   STATUS    RESTARTS   AGE   IP            NODE     NOMINATED NODE   READINESS GATES
emptydir-redis   1/1     Running   1          17m   10.244.1.27   node-2   <none>           <none>

安装客户端redis-cli
[root@node-1 ~]# yum install redis

向redis中写入两个key
10.244.1.27:6379> set volume emptydir
OK
10.244.1.27:6379> set username happylauliu
OK
10.244.1.27:6379> get volume
"emptydir"
10.244.1.27:6379> get username
"happylauliu"

登陆到pod中安装一个查看进程的工具procps，进程一般为1，如下图redis-server进程，可以直接kill，进程被kill后kubelet会自动将进程重启

登陆容器
[root@node-1 ~]# kubectl exec -it emptydir-redis /bin/bash

安装软件
root@emptydir-redis:/data# apt-get update ; apt-get install procps

可以通过top查看进程，进程号一般为1
root@emptydir-redis:/data# kill 1

pod异常重启后，再次登录redis并查看redis中的数据内容，发现数据没有丢失。

[root@node-1 ~]# redis-cli -h 10.244.1.27
10.244.1.27:6379> get volume
"emptydir"
10.244.1.27:6379> get username
"happylauliu"

emptyDir实际是宿主机上创建的一个目录，将目录以bind mount的形势挂载到容器中，跟随容器的生命周期

[root@node-2 ~]# docker container  list |grep redis
e0e9a6b0ed77        01a52b3b5cd1            "docker-entrypoint.s…"   20 minutes ago      Up 20 minutes                           k8s_emptydir-redis_emptydir-redis_default_4baadb25-1e62-4cf5-9724-821d04dcdd44_2
dfef32905fe5        k8s.gcr.io/pause:3.1    "/pause"                 45 minutes ago      Up 45 minutes                           k8s_POD_emptydir-redis_default_4baadb25-1e62-4cf5-9724-821d04dcdd44_0

docker container inspect e0e9a6b0ed77查看存储内容如下图：

查看目录的信息：

[root@node-2 ~]# ls -l /var/lib/kubelet/pods/4baadb25-1e62-4cf5-9724-821d04dcdd44/volumes/kubernetes.io~empty-dir/emptydir-redis
总用量 4
-rw-r--r-- 1 polkitd input 156 10月  8 14:55 dump.rdb

Pod删除后，volume的信息也随之删除

[root@node-1 ~]# kubectl delete pods emptydir-redis 
pod "emptydir-redis" deleted
[root@node-1 ~]# ssh node-2
Last login: Tue Oct  8 15:15:41 2019 from 10.254.100.101
[root@node-2 ~]# ls -l /var/lib/kubelet/pods/4baadb25-1e62-4cf5-9724-821d04dcdd44/volumes/kubernetes.io~empty-dir/emptydir-redis
ls: 无法访问/var/lib/kubelet/pods/4baadb25-1e62-4cf5-9724-821d04dcdd44/volumes/kubernetes.io~empty-dir/emptydir-redis: 没有那个文件或目录

小结：emptyDir是host上定义的一块临时存储，通过bind mount的形式挂载到容器中使用，容器重启数据会保留，容器删除则volume会随之删除。

1.3 hostPath主机存储

与emptyDir类似，hostpath支持将node节点的目录或文件挂载到容器中使用，用于单机测试场景，此外适用于一些容器业务需要访问宿主机目录，如监控系统访问/proc和/sys目录，日志系统访问/var/lib/docker目录的一些场景。支持设置不同的type类型

Directory 本地存在的目录
DirectoryOrCreate 目录，如果不存在则创建，权限设置为755，属主和组设置和kubelet一致
File 本地存在文件
FileOrCreate 文件，如果不存在则创建，权限设置为644，属主和组设置和kubelet一致
Socket 本地已存在Socket文件
CharDevice 本地已存在的Char字符设备
BlockDevice 本地已存在的Block块设备

[root@node-1 happylau]# cat hostpath-demo.yaml
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: hostpath-demo
  labels:
    storage: hostpath
  annotations:
    kubernetes.io/storage: hostpath
spec:
  containers:
  - name: nginx
    image: nginx:latest
    imagePullPolicy: IfNotPresent
    ports:
    - name: nginx-http-port
      protocol: TCP
      containerPort: 80
    volumeMounts: #挂载到nginx的web站点目录下
    - name: hostpath-demo
      mountPath: /usr/share/nginx/html
  volumes:  #定一个hostPath本地的存储
  - name: hostpath-demo
    hostPath:
      type: DirectoryOrCreate
      path: /mnt/data

生成nginx容器和web站点数据

[root@node-1 happylau]# kubectl apply -f hostpath-demo.yaml 
pod/hostpath-demo created

获取pod所在的node节点
[root@node-1 happylau]# kubectl get pods hostpath-demo -o wide 
NAME            READY   STATUS    RESTARTS   AGE   IP            NODE     NOMINATED NODE   READINESS GATES
hostpath-demo   1/1     Running   0          31s   10.244.2.24   node-3   <none>           <none>

生成web站点的数据
[root@node-1 happylau]# ssh node-3
Last login: Tue Oct  8 22:49:14 2019 from 10.254.100.101
[root@node-3 ~]# echo "hostPath test page" >/mnt/data/index.html
[root@node-3 ~]# curl http://10.244.2.24
hostPath test page

查看容器挂载存储的情况，以bind mount的形式挂载到容器中

模拟容器重启的的故障，容器重启后volume中的数据依保留

#docker层面kill掉进程
[root@node-3 ~]# docker container  list |grep hostpath
39a7e21afebb        f949e7d76d63           "nginx -g 'daemon of…"   11 minutes ago      Up 11 minutes                                k8s_nginx_hostpath-demo_default_6da41e3d-8585-4997-bf90-255ca0948030_0
490f50108e41        k8s.gcr.io/pause:3.1   "/pause"                 11 minutes ago      Up 11 minutes                                k8s_POD_hostpath-demo_default_6da41e3d-8585-4997-bf90-255ca0948030_0
[root@node-3 ~]# docker container kill 39a7e21afebb
39a7e21afebb
[root@node-3 ~]# exit
登出

#获取pod的地址，通过RESTART可知，容器重启过一次，测试数据依旧保留
[root@node-1 happylau]# kubectl get pods -o wide  hostpath-demo 
NAME                                   READY   STATUS    RESTARTS   AGE   IP            NODE     NOMINATED NODE   READINESS GATES
hostpath-demo                          1/1     Running   1          12m   10.244.2.24   node-3   <none>           <none>
[root@node-1 happylau]# curl http://10.244.2.24
hostPath test page

小结：hostPath与emptyDir类似提供临时的存储，hostPath适用于一些容器需要访问宿主机目录或文件的场景，对于数据持久化而言都不是很好的实现方案。

1.4 NFS存储对接

NFS是实现Network File System网络文件共享的NAS存储，kubernetes与NFS对接实现存储的共享，当容器删除不影响存储且可以实现跨机存储共享，本文以搭建一个NFS存储实现kubernetes对接。

准备一个nfs server共享，将node-1的/mnt/data目录共享

安装nfs服务
[root@node-1 ~]# yum install nfs-utils -y

配置nfs共享,提前创建好目录
[root@node-1 ~]# cat /etc/exports
/mnt/data   10.254.100.0/24(rw)

重启并验证
[root@node-1 ~]# systemctl restart nfs
[root@node-1 ~]# showmount -e node-1
Export list for node-1:
/mnt/data 10.254.100.0/24

kubernets使用nfs的驱动对接

[root@node-1 happylau]# cat nfs-demo.yaml 
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: nfs-demo 
  labels:
    storage: nfs 
  annotations:
    kubernetes.io/storage: nfs
spec:
  containers:
  - name: nginx
    image: nginx:latest
    imagePullPolicy: IfNotPresent
    ports:
    - name: nginx-http-port
      protocol: TCP
      containerPort: 80
    volumeMounts: #挂载到nfs的目录下
    - name: nfs-demo 
      mountPath: /usr/share/nginx/html
  volumes: #定义一个nfs驱动的存储
  - name: nfs-demo
    nfs:
      server: 10.254.100.101
      path: /mnt/data

生成pod，使用kubectl get pods的时候提示events中报错信息，挂载失败

Events:
  Type     Reason       Age   From               Message
  ----     ------       ----  ----               -------
  Normal   Scheduled    40s   default-scheduler  Successfully assigned default/nfs-demo to node-2
  Warning  FailedMount  39s   kubelet, node-2    MountVolume.SetUp failed for volume "nfs-demo" : mount failed: exit status 32
Mounting command: systemd-run
Mounting arguments: --description=Kubernetes transient mount for /var/lib/kubelet/pods/78bf6a81-082d-4d6c-a163-75241bf21cde/volumes/kubernetes.io~nfs/nfs-demo --scope -- mount -t nfs 10.254.100.101:/mnt/data /var/lib/kubelet/pods/78bf6a81-082d-4d6c-a163-75241bf21cde/volumes/kubernetes.io~nfs/nfs-demo
Output: Running scope as unit run-29843.scope.
mount: wrong fs type, bad option, bad superblock on 10.254.100.101:/mnt/data,
       missing codepage or helper program, or other error
       (for several filesystems (e.g. nfs, cifs) you might
       need a /sbin/mount.<type> helper program)

从上面的步骤中得知，宿主机挂载nfs的时候提示没有mount.nfs的命令，因此需要在所有的node节点上安装上nfs的客户端软件nfs-utils,以node-2为例，其他节点类似

[root@node-1 happylau]# ssh node-2
Last login: Tue Oct  8 15:22:04 2019 from 10.254.100.101
[root@node-2 ~]# yum install nfs-utils -y

测试站点数据

[root@node-1 happylau]# kubectl get pods nfs-demo -o wide 
NAME       READY   STATUS    RESTARTS   AGE     IP            NODE     NOMINATED NODE   READINESS GATES
nfs-demo   1/1     Running   0          4m41s   10.244.1.28   node-2   <none>           <none>
[root@node-1 happylau]# echo "nfs test age" >/mnt/data/index.html
[root@node-1 happylau]# curl http://10.244.1.28
nfs test age

删除pod后查看nfs共享的数据情况,原有数据依旧保留

[root@node-1 happylau]# kubectl delete pods nfs-demo 
pod "nfs-demo" deleted

[root@node-1 happylau]# mount.nfs node-1:/mnt/data/ /media/
[root@node-1 happylau]# ls -l /media/
总用量 4
-rw-r--r-- 1 root root 13 10月  8 23:26 index.html

1.5 TKE使用volume存储

TKE支持在创建Workload时如Deployments，DaemonSets，StatefulSets等指定存储卷，支持临时目录emptyDir，主机路径hostPath，nfs盘，pvc，云硬盘，configmap，secrets，此处以腾讯云CFS为例（提前在CFS中创建好存储，确保CFS和容器宿主机在同一个VPC网络内）。

创建存储卷，使用NFS挂载腾讯云CFS存储

Pod中使用存储，通过volume-nfs-demo名字调用存储卷

对应生成的yaml文件内容如下

apiVersion: apps/v1beta2
kind: Deployment
metadata:
  annotations:
    deployment.kubernetes.io/revision: "1"
    description: demo
  creationTimestamp: "2019-10-08T15:45:18Z"
  generation: 1
  labels:
    k8s-app: the-volume-demo
    qcloud-app: the-volume-demo
  name: the-volume-demo
  namespace: default
  resourceVersion: "618380753"
  selfLink: /apis/apps/v1beta2/namespaces/default/deployments/the-volume-demo
  uid: a0fc4600-e9e2-11e9-b3f4-decf0ef369cf
spec:
  minReadySeconds: 10
  progressDeadlineSeconds: 600
  replicas: 1
  revisionHistoryLimit: 10
  selector:
    matchLabels:
      k8s-app: the-volume-demo
      qcloud-app: the-volume-demo
  strategy:
    rollingUpdate:
      maxSurge: 1
      maxUnavailable: 0
    type: RollingUpdate
  template:
    metadata:
      creationTimestamp: null
      labels:
        k8s-app: the-volume-demo
        qcloud-app: the-volume-demo
    spec:
      containers:
      - image: nginx:latest
        imagePullPolicy: Always
        name: nginx-demo
        resources:
          limits:
            cpu: 500m
            memory: 1Gi
          requests:
            cpu: 250m
            memory: 256Mi
        securityContext:
          privileged: false
        terminationMessagePath: /dev/termination-log
        terminationMessagePolicy: File
        volumeMounts: #挂载到pod中
        - mountPath: /usr/share/nginx/html
          name: volume-nfs-demo
      dnsPolicy: ClusterFirst
      imagePullSecrets:
      - name: qcloudregistrykey
      - name: tencenthubkey
      restartPolicy: Always
      schedulerName: default-scheduler
      securityContext: {}
      terminationGracePeriodSeconds: 30
      volumes: #CFS存储
      - name: volume-nfs-demo
        nfs:
          path: /
          server: 10.66.200.7

写在最后

本文介绍了kubernetes存储中最基本volume的使用，介绍了volume支持多种不同驱动，以实际案例介绍emptyDir，hostPath，nfs驱动的对接，并介绍了TKE下volume功能的使用。由于volume需要知道底层存储的细节，不便于广泛使用，后来衍生为PV，管理员定义PV实现和底层存储对接，用户通过PVC使用PV，下节我们将介绍PV/PVC和StorageClass的使用。

参考文献

volume管理：https://kubernetes.io/docs/concepts/storage/volumes/

pod中使用volume：https://kubernetes.io/docs/tasks/configure-pod-container/configure-volume-storage/

当你的才华撑不起你的野心时，你就应该静下心来学习

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写在前面

1. kubernetes存储管理

1.1 存储概述

1.2 emptyDir临时存储

1.3 hostPath主机存储

1.4 NFS存储对接

1.5 TKE使用volume存储

写在最后

参考文献

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