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Kubernetes 的卷 volume

容器中的文件在磁盤上是臨時存放的，這給容器中運行的特殊應用程序帶來一些問題。首先，容器崩潰時，kubelet 將重新啟動容器，容器中的文件將會丟失。其次，當在一個 Pod 中同時運行多個容器的時候，常常需要在這些容器之間共享文件。kubernetes 抽象出 volume 對象來解決這兩個問題。

Docker 也有 volume 的概念，在 Docker 中，volume 是磁盤上或者另外一個容器內的一個目錄。直到最近，Docker 才支持對基于本地磁盤的 volumn 的生存期進行管理。雖然 Docker 現在也提供 volumn 驅動程序，但是目前功能還非常有限（比如截止 Docker1.7 每個容器只允許有一個 volume 驅動程序，并且無法將參數傳遞給卷）。

另一方面，kubernetes 卷具有明確的聲明周期--與包裹它的 Pod 不同。因此，卷比 Pod 中運行的任何容器的存活期都長，在容器重新啟動時數據也會得到保留。當然，當一個 Pod 不再存在時，卷也將不再存在。也許更重要的是，kubernetes 可以支持許多類型的卷，Pod 也能同時使用任意數量的卷。

卷的核心是包含一些數據的目錄，Pod 中的容器可以訪問該目錄。特定的卷類型可以決定這個目錄是如何形成的，并能決定它支持何種介質，以及目錄中存放什么內容。

使用卷時，Pod 聲明中需要提供卷的類型（通過 .spec.volumes 字段）和卷掛載的位置（通過 .spec.containers.volumeMounts 字段）

Kubernetes 提供了眾多的 volume 類型，包括：emptyDir, hostPth, nfs, glusterfs, cephfs, ceph

emptyDir

當 Pod 指定到某個節點上時，首先創建的是一個 emptyDir 卷，并且只要 Pod 在該節點上運行，卷就一直存在。當 Pod 被從節點刪除時，emptyDir 卷中的數據也會永久刪除。容器崩潰并不會導致 Pod 被從節點上刪除，因此容器崩潰時，emptyDir 卷中的數據是安全的。

emptyDir 的一些用途：

緩存空間，例如基于磁盤的歸并排序
為耗時較長的計算任務提供檢查點，以便任務能方便的從崩潰前狀態恢復執行
在 web 服務器容器服務數據時，保存內容管理器類型容器獲取的文件

hostPath

hostPath 卷能將主機節點文件系統上的文件或目錄掛載到 Pod 中。雖然這不是大多數 Pod 需要的，但是它為一些應用程序提供了強大的持久化能力。

vim hostpath.yaml

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: hostpath-pod
spec:
  containers:
  - name: test-container
    image: nginx
    volumeMounts:
    # 容器內的掛載目錄
    - mountPath: /test-nginx
      name: myhostpath
  volumes:
  - name: myhostpath
    hostPath:
        # 虛擬機上的掛載目錄
      path: /tmp/nginx
      type: DirectoryOrCreate

mkdir /tmp/nginx -p

kubectl create -f hostpath.yaml

可以看到

pod/hostpath-pod created

kubectl get po hostpath-pod

可以看到

NAME           READY   STATUS    RESTARTS   AGE
hostpath-pod   1/1     Running   0          59s

[root@node2 ~]# kubectl exec -it hostpath-pod sh
kubectl exec [POD] [COMMAND] is DEPRECATED and will be removed in a future version. Use kubectl exec [POD] -- [COMMAND] instead.
# ls
bin  boot  dev  docker-entrypoint.d  docker-entrypoint.sh  etc  home  lib  lib64  media  mnt  opt  proc  root  run  sbin  srv  sys  test-nginx  tmp  usr  var
# cd test-nginx
# touch a.txt
# echo 1 > a.txt
# exit
[root@node2 ~]# cd /tmp/nginx/
[root@node2 nginx]# ls
a.txt
[root@node2 nginx]# cat a.txt
1
[root@node2 nginx]# echo 2 > a.txt
[root@node2 nginx]# kubectl exec -it hostpath-pod sh
kubectl exec [POD] [COMMAND] is DEPRECATED and will be removed in a future version. Use kubectl exec [POD] -- [COMMAND] instead.
# ls
bin  boot  dev  docker-entrypoint.d  docker-entrypoint.sh  etc  home  lib  lib64  media  mnt  opt  proc  root  run  sbin  srv  sys  test-nginx  tmp  usr  var
# cd test-nginx
# pwd
/test-nginx
# ls
a.txt
# cat a.txt
2
# exit
[root@node2 nginx]#

掛載 NFS 卷

應用場景：很多應用需要在集群內部有一個統一的地方存儲文件，比如圖片，日志等。而使用 hostpath 的方式不夠靈活，因為需要指定 host 地址。

在 master 節點安裝 nfs 服務
```
yum install -y nfs-utils rpcbind
```

在 master 節點配置共享目錄

mkdir /nfsdata

vim /etc/exports

/nfsdata   *(rw,sync,no_root_squash)

在 master 節點配置自動啟動

systemctl enable --now rpcbind
systemctl enable --now nfs

在 master 節點激活配置
```
exportfs -r
```

查看掛載效果

showmount -e master

可以看到

Export list for master:
/nfsdata *

在 node2 節點安裝 nfs 服務
```
yum install -y nfs-utils rpcbind
```

在 node2 節點創建 Pod ，引用 NFS 存儲

vim nfs.yaml

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: nfs-pd
spec:
  containers:
  - name: test-container
    image: nginx
    volumeMounts:
    # node 節點掛載的目錄
    - mountPath: /usr/share/nginx/html
      name: test-volume
  volumes:
  - name: test-volume
    nfs:
      server: master
      # master 節點掛載的目錄
      path: /nfsdata

kubectl apply -f nfs.yaml

可以看到

pod/nfs-pd created

進入 pod

[root@node2 ~]# kubectl exec -it nfs-pd sh
kubectl exec [POD] [COMMAND] is DEPRECATED and will be removed in a future version. Use kubectl exec [POD] -- [COMMAND] instead.
# mount |grep nfs
master:/nfsdata on /usr/share/nginx/html type nfs4 (rw,relatime,vers=4.1,rsize=524288,wsize=524288,namlen=255,hard,proto=tcp,timeo=600,retrans=2,sec=sys,clientaddr=192.168.190.133,local_lock=none,addr=192.168.190.131)
# cd /usr/share/nginx/html
# pwd
/usr/share/nginx/html
# ls
# touch a.txt
# echo hello kubernetes volume > a.txt
# cat a.txt
hello kubernetes volume
# exit
[root@node2 ~]#

進入 master 節點

[root@master ~]# cd /nfsdata/
[root@master nfsdata]# ls
a.txt
[root@master nfsdata]# cat a.txt
hello kubernetes volume
[root@master nfsdata]#

持久化存儲

存儲的管理是一個與計算實例的管理完全不同的問題。 PersistentVolume 子系統為用戶和管理員提供了一組 API ，將存儲如何供應的細節從其如何被使用中抽象出來。為了實現這點，我們引入了兩個新的 API 資源 PersistenVolume 和 PersistenVolumeClaim。

持久卷（PersistenVolume, PV）是集群中的一塊存儲，可以有管理員事先供應，或者使用存儲類（Storage Class）來動態供應。持久卷是集群資源，就像節點也是集群資源一樣。PV 和普通的 volume 一樣，也是使用卷插件來實現的，只是它們擁有獨立于任何使用 PV 的 Pod 的生命周期。此 API 對象中記述了存儲的實現細節，無論其背后是 NFS, iSCSI 還是特定于云平臺的存儲系統。

創建 PV

vim pv.yaml

apiVersion: v1
kind: PersistentVolume
metadata:
  name: pv-demo
spec:
    # 容量
  capacity:
    storage: 5Gi
  accessModes:
    # 每次允許一個 worknode 讀寫
    - ReadWriteOnce
   # 回收策略：可回收
  persistentVolumeReclaimPolicy: Recycle
  nfs:
    # 掛載路徑
    path: /nfsdata
    server: master

kubectl apply -f pv.yaml

可以看到

persistentvolume/pv-demo created

kubectl get pv pv-demo

可以看到

NAME      CAPACITY   ACCESS MODES   RECLAIM POLICY   STATUS      CLAIM   STORAGECLASS   REASON   AGE
pv-demo   1Gi        RWO            Recycle          Available                                   53s

持久卷申領

持久卷申領（PersistenVolumeClaim）

每個 PVC 對象都有 spec 和 status 部分，分別對應 Claim 的規定和狀態

vim pvc.yaml

kind: PersistentVolumeClaim
apiVersion: v1
metadata:
  name: pvc-demo
spec:
  accessModes:
    - ReadWriteOnce
  resources:
    requests:
        # 申領的容量
      storage: 2Gi

kubectl apply -f pvc.yaml

可以看到

persistentvolumeclaim/pvc-demo created

kubectl get pvc pvc-demo

可以看到

NAME       STATUS   VOLUME    CAPACITY   ACCESS MODES   STORAGECLASS   AGE
pvc-demo   Bound    pv-demo   5Gi        RWO                           10s

kubectl get pv pv-demo

可以看到，PV 的狀態由 Available 變成了 Bound

NAME      CAPACITY   ACCESS MODES   RECLAIM POLICY   STATUS   CLAIM              STORAGECLASS   REASON   AGE
pv-demo   5Gi        RWO            Recycle          Bound    default/pvc-demo                           61s

存儲類

什么是 StorageClass

Kubernetes 提供了一套可以自動創建 PV 的機制：Dynamic Provisioning 。這個機制的核心是 StorageClass 這個API 對象。

StorageClass 對象會定義下面兩部分內容：

PV 的屬性，比如存儲類型，volume 的大小等
創建這種 PV 需要用到的存儲插件

為什么需要 StorageClass

在一個大規模的 kubernetes 集群里，可能有成千上萬個 PVC，這就意味著必須創建出多個 PV ，而且隨著項目的需要，會有新的 PVC 不斷被提交，那么就需要不斷添加新的 PV ，否則新的 Pod 就會因為 PVC 綁定不到 PV 而創建失敗。不同的應用程序對于存儲性能的要求不盡相同，比如讀寫速度、并發性能等。通過 StorageClass ，可以將存儲資源定義為某種類型的資源，比如快速存儲、慢速存儲等，這樣就可以根據應用的特性去申請合適的存儲資源了。

NFS Provisioner

NFS Provisioner 是一個自動配置卷程序，它使用現有的 NFS 服務器來支持通過持久卷聲明動態配置 kubernetes 持久卷。

持久卷配置為：{namespace}-{pvcName}-{pvName}

在下面的實例中，通過該容器定義 ENV 變量：PROVISONER_NAME 為 qgg-nfs-storage，該容器會動態生產一個名為 qgg-nfs-storage 的持久卷，從而實現持久卷的動態創建。

實踐 PV, PVC 掛載 NFS

在 node2 節點：

創建 Persistent Volume Provisioner

vim nfs-provisioner.yaml

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: nfs-client-provisioner
  labels:
    app: nfs-client-provisioner
  namespace: default 
spec:
  replicas: 1
  selector:
    matchLabels:
      app: nfs-client-provisioner
  strategy:
    type: Recreate
  selector:
    matchLabels:
      app: nfs-client-provisioner
  template:
    metadata:
      labels:
        app: nfs-client-provisioner
    spec:
      serviceAccountName: nfs-client-provisioner
      containers:
        - name: nfs-client-provisioner
          image: registry.cn-beijing.aliyuncs.com/qingfeng666/nfs-client-provisioner:v3.1.0
          volumeMounts:
            - name: nfs-client-root
              mountPath: /persistentvolumes
          env:
            - name: PROVISIONER_NAME
              value: qgg-nfs-storage 
            - name: NFS_SERVER
              value: master   
            - name: NFS_PATH
              value: /nfsdata   
      volumes:
        - name: nfs-client-root
          nfs:
            server: master  
            path: /nfsdata

kubectl apply -f nfs-provisioner.yaml

可以看到

deployment.apps/nfs-client-provisioner created

創建用戶和角色

vim rbac.yaml

apiVersion: v1
kind: ServiceAccount
metadata:
  name: nfs-client-provisioner
  namespace: default        
---
kind: ClusterRole
apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1
metadata:
  name: nfs-client-provisioner-runner
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: ["create", "update", "patch"]
---
kind: ClusterRoleBinding
apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1
metadata:
  name: run-nfs-client-provisioner
subjects:
  - kind: ServiceAccount
    name: nfs-client-provisioner
    namespace: default
roleRef:
  kind: ClusterRole
  name: nfs-client-provisioner-runner
  apiGroup: rbac.authorization.k8s.io
---
kind: Role
apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1
metadata:
  name: leader-locking-nfs-client-provisioner
  namespace: default
rules:
  - apiGroups: [""]
    resources: ["endpoints"]
    verbs: ["get", "list", "watch", "create", "update", "patch"]
---
kind: RoleBinding
apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1
metadata:
  name: leader-locking-nfs-client-provisioner
subjects:
  - kind: ServiceAccount
    name: nfs-client-provisioner
    namespace: default
roleRef:
  kind: Role
  name: leader-locking-nfs-client-provisioner
  apiGroup: rbac.authorization.k8s.io

kubectl apply -f rbac.yaml

可以看到

serviceaccount/nfs-client-provisioner created
clusterrole.rbac.authorization.k8s.io/nfs-client-provisioner-runner created
clusterrolebinding.rbac.authorization.k8s.io/run-nfs-client-provisioner created
role.rbac.authorization.k8s.io/leader-locking-nfs-client-provisioner created
rolebinding.rbac.authorization.k8s.io/leader-locking-nfs-client-provisioner created

創建 StorageClass

vim storageclass.yaml

apiVersion: storage.k8s.io/v1
kind: StorageClass
metadata:
  name: managed-nfs-storage
provisioner: qgg-nfs-storage 
parameters:
  archiveOnDelete: "false"

kubectl apply -f storageclass.yaml

可以看到

storageclass.storage.k8s.io/managed-nfs-storage created

kubectl get storageclass.storage.k8s.io/managed-nfs-storage

可以看到

NAME                  PROVISIONER       RECLAIMPOLICY   VOLUMEBINDINGMODE   ALLOWVOLUMEEXPANSION   AGE
managed-nfs-storage   qgg-nfs-storage   Delete          Immediate           false                  101s

創建 PVC

vim 8-6-pvc.yaml

kind: PersistentVolumeClaim
apiVersion: v1
metadata:
  name: test-claim
  annotations:
    volume.beta.kubernetes.io/storage-class: "managed-nfs-storage"  
spec:
  accessModes:
    - ReadWriteMany
  resources:
    requests:
      storage: 1Mi

kubectl apply -f 8-6-pvc.yaml

可以看到

persistentvolumeclaim/test-claim created

kubectl get pvc test-claim

可以看到

NAME         STATUS   VOLUME                                     CAPACITY   ACCESS MODES   STORAGECLASS          AGE
test-claim   Bound    pvc-bcdc3799-27bc-4c38-a335-4050ac611fe5   1Mi        RWX            managed-nfs-storage   72s

kubectl get po

可以看到

NAME                                      READY   STATUS    RESTARTS   AGE
nfs-client-provisioner-6976b6b79c-hdqm9   1/1     Running   0          13m

kubectl get storageclass

可以看到

NAME                  PROVISIONER                    RECLAIMPOLICY   VOLUMEBINDINGMODE      ALLOWVOLUMEEXPANSION   AGE
managed-nfs-storage   qgg-nfs-storage                Delete          Immediate              false                  9m56s
my-storage-class      kubernetes.io/no-provisioner   Delete          WaitForFirstConsumer   false                  29h

創建測試 Pod

vim 8-6-pod.yaml

kind: Pod
apiVersion: v1
metadata:
  name: test-pod
spec:
  containers:
  - name: test-pod
    image: nginx
    command:
      - "/bin/sh"
    args:
      - "-c"
      - "touch /mnt/SUCCESS && exit 0 || exit 1"   
    volumeMounts:
      - name: nfs-pvc
        mountPath: "/mnt"
  restartPolicy: "Never"
  volumes:
    - name: nfs-pvc
      persistentVolumeClaim:
        claimName: test-claim

kubectl apply -f 8-6-pod.yaml

可以看到

pod/test-pod created

kubectl get po

可以看到 test-pod 的狀態是 Completed，說明任務已經執行完成。

NAME                                      READY   STATUS      RESTARTS   AGE
nfs-client-provisioner-6976b6b79c-hdqm9   1/1     Running     0          20m
test-pod                                  0/1     Completed   0          80s

在 master 節點：

cd /nfsdata
ls

可以看到

[root@master nfsdata]# ls
default-test-claim-pvc-bcdc3799-27bc-4c38-a335-4050ac611fe5

[root@master nfsdata]# cd default-test-claim-pvc-bcdc3799-27bc-4c38-a335-4050ac611fe5/
[root@master default-test-claim-pvc-bcdc3799-27bc-4c38-a335-4050ac611fe5]# ls
SUCCESS

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05 kubernetes 持久化存儲數據業務

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Kubernetes 的卷 volume

emptyDir

hostPath

掛載 NFS 卷

持久化存儲

持久卷申領

存儲類

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