043.集群存储-共享存储

一 共享存储

1.1 共享存储作用

kubernetes对于有状态的容器应用或者对数据需要持久化的应用，不仅需要将容器内的目录挂载到宿主机的目录或者emptydir临时存储卷，而且需要更加可靠的存储来保存应用产生的重要数据，以便容器应用在重建之后仍然可以使用之前的数据。

1.2 共享存储资源

为了能够屏蔽底层存储实现的细节，便于使用和管理，kubernetes从1.0版本就引入persistentvolume（pv）和persistentvolumeclaim（pvc）两个资源对象来实现对存储的管理子系统。

pv是对底层网络共享存储的抽象，将共享存储定义为一种“资源”，比如node也是一种容器应用可以“消费”的资源。pv由管理员创建和配置，它与共享存储的具体实现直接相关，例如glusterfs、iscsi、rbd或gce或aws公有云提供的共享存储，通过插件式的机制完成与共享存储的对接，以供应用访问和使用。

pvc则是用户对存储资源的一个“申请”。就像pod“消费”node的资源一样，pvc能够“消费”pv资源。pvc可以申请特定的存储空间和访问模式。

若使用pvc“申请”到一定的存储空间仍然不能满足应用对存储设备的需求。比如通常应用程序都会对存储设备的特性和性能有不同的要求，包括读写速度、并发性能、数据冗余等更高的要求，因此kubernetes从1.4版本开始引入了一个新的资源对象storageclass，用于标记存储资源的特性和性能。

kubernetes 1.6版本时，storageclass和动态资源供应的机制得到了完善，实现了存储卷的按需创建。通过storageclass的定义，管理员可以将存储资源定义为某种类别（class），正如存储设备对于自身的配置描述（profile），例如“快速存储”“慢速存储”“有数据冗余”“无数据冗余”等。用户根据storageclass的描述就能够直观地得知各种存储资源的特性，就可以根据应用对存储资源的需求去申请存储资源。

kubernetes从1.9版本开始引入容器存储接口container storage interface（csi）机制，目标是在kubernetes和外部存储系统之间建立一套标准的存储管理接口，通过该接口为容器提供存储服务，类似于cri（容器运行时接口）和cni（容器网络接口）。

二 pv

2.1 pv详解

pv作为存储资源，主要包括存储能力、访问模式、存储类型、回收策略、后端存储类型等关键信息的设置。

示例1：如下声明的pv具有如下属性：5gib存储空间，访问模式为readwriteonce，存储类型为slow（要求在系统中已存在名为slow的storageclass），回收策略为recycle，并且后端存储类型为nfs（设置了nfs server的ip地址和路径）。

[root@k8smaster01 study]# vi nfspv01.yaml

  1 apiversion: v1
  2 kind: persistentvolume
  3 metadata:
  4   name: pv1
  5 spec:
  6   capacity:
  7     storage: 5gi
  8   accessmodes:
  9   - readwriteonce
 10   persistentvolumereclaimpolicy: recycle
 11   storageclassname: slow
 12   nfs:
 13     path: /tmp
 14     server: 172.17.0.2

kubernetes主要支持的pv类型如下：

• awselasticblockstore：aws公有云提供的elasticblockstore。
• azurefile：azure公有云提供的file。
• azuredisk：azure公有云提供的disk。
• cephfs：一种开源共享存储系统。
• fc（fibrechannel）：光纤存储设备。
• flexvolume：一种插件式的存储机制。
• flocker：一种开源共享存储系统。
• gcepersistentdisk：gce公有云提供的persistentdisk。
• glusterfs：一种开源共享存储系统。
• hostpath：宿主机目录，仅用于单机测试。
• iscsi：iscsi存储设备。
• local：本地存储设备，从kubernetes1.7版本引入，到1.14版本时更新为稳定版，目前可以通过指定块（block）设备提供localpv，或通过社区开发的sig-storage-local-static-provisioner插件（https://github.com/kubernetes-sigs/sigstorage-local-static-provisioner）来管理localpv的生命周期。
• nfs：网络文件系统。
• portworxvolumes：portworx提供的存储服务。
• quobytevolumes：quobyte提供的存储服务。
• rbd（cephblockdevice）：ceph块存储。
• scaleiovolumes：dellemc的存储设备。
• storageos：storageos提供的存储服务。
• vspherevolume：vmware提供的存储系统。

2.2 pv配置参数

• 存储能力（capacity）

描述存储设备具备的能力，目前仅支持对存储空间的设置（storage=xx），未来可能加入iops、吞吐率等指标的设置。

• 存储卷模式（volumemode）

kubernetes从1.13版本开始引入存储卷类型的设置（volumemode=xxx），可选项包括filesystem（文件系统）和block（块设备），默认值为filesystem。目前有以下pv类型支持块设备类型：

• awselasticblockstore
• azuredisk
• fc
• gcepersistentdisk
• iscsi
• localvolume
• rbd（cephblockdevice）
• vspherevolume（alpha）

示例1：使用块设备的pv定义。

[root@k8smaster01 study]# vi blockpv01.yaml

  1 apiversion: v1
  2 kind persistentvolume
  3 metadata:
  4   name: block-pv
  5 spec:
  6   capacity:
  7     storage: 10gi
  8   accessnodes:
  9   - readwriteonce
 10   persistentvolumereclaimpolicy: retain
 11   volumemode: block
 12   fc:
 13     targetwwns: ["50060e801049cfd1"]
 14     lun: 0
 15     readonly: false
 16 

• 访问模式（access modes）

对pv进行访问模式的设置，用于描述用户的应用对存储资源的访问权限，访问模式如下：

• readwriteonce（rwo）：读写权限，并且只能被单个node挂载。
• readonlymany（rox）：只读权限，允许被多个node挂载。
• readwritemany（rwx）：读写权限，允许被多个node挂载。

某些pv可能支持多种访问模式，但pv在挂载时只能使用一种访问模式，多种访问模式不能同时生效。

• 存储类别（class）pv

可以设定其存储的类别，通过storageclassname参数指定一个storageclass资源对象的名称。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。

• 回收策略（reclaimpolicy）

通过pv定义中的persistentvolumereclaimpolicy字段进行设置，可选项保留（retain），回收（recycle）和删除（delete）。

• 保留：保留数据，需要手工处理。
• 回收空间：简单清除文件的操作（例如执行rm-rf/thevolume/*命令）。
• 删除：与pv相连的后端存储完成volume的删除操作（如awsebs、gcepd、azuredisk、openstackcinder等设备的内部volume清理）。

目前，只有nfs和hostpath两种类型的存储支持recycle策略；

awsebs、gcepd、azure disk和cinder volumes支持delete策略。

• 挂载参数（mountoptions）

在将pv挂载到一个node上时，根据后端存储的特点，可能需要设置额外的挂载参数，可以根据pv定义中的mountoptions字段进行设置。

示例2：对一个类型为gcepersistentdisk的pv设置挂载参数。

[root@k8smaster01 study]# vi gccpv01.yaml

  1 apiversion: "v1"
  2 kind: "persistentvolume"
  3 metadata:
  4   name: gce-disk-1
  5 spec:
  6   capacity:
  7     storage: "10gi"
  8   accessmodes:
  9   - "readwriteonce"
 10   mountoptions:
 11   - hard
 12   - nolock
 13   - nfsvers=3
 14   gcepersistentdisk:
 15     fstype: "ext4"
 16     pdname: "gce-disk-1"
 17 

提示：以下pv类型支持设置挂载参数：

• awselasticblockstore
• azuredisk
• azurefile
• cephfs
• cinder(openstackblockstorage)
• gcepersistentdisk
• glusterfs
• nfs
• quobytevolumes
• rbd(cephblockdevice)
• storageos
• vspherevolume
• iscsi

• 节点亲和性（nodeaffinity）

pv可以设置节点亲和性来限制只能通过某些node访问volume，可以在pv定义中的nodeaffinity字段进行设置。使用这些volume的pod将被调度到满足条件的node上。

示例3：

[root@k8smaster01 study]# vi affpv01.yaml

  1 apiversion: v1
  2 kind: persistentvolume
  3 metadata:
  4   name: example-local-pv
  5 spec:
  6   capacity:
  7     storage: 5gi
  8   accessmodes:
  9   - readwriteonce
 10   persistentvolumereclaimpolicy: delete
 11   storageclassname: local-storage
 12   local:
 13     path: /mnt/disks/ssd1
 14   nodeaffinity:
 15     required:
 16       nodeselectorterms:
 17       - mathexpressions:
 18         - key: kubernetes.io/hostname
 19           operator: in
 20           values:
 21           - my-node
 22 

注意：这个参数仅用于local类型的存储卷。

三 pvc详解

3.1 pvc使用

pvc作为用户对存储资源的需求申请，主要包括存储空间请求、访问模式、pv选择条件和存储类别等信息的设置。

示例1：申明pvc，具有如下属性：申请8gib存储空间，访问模式为readwriteonce，pv选择条件为包含标签“release=stable”并且包含条件为“environment in [dev]”的标签，存储类别为“slow”（要求在系统中已存在名为slow的storageclass）。

[root@k8smaster01 study]# vi myclaim01.yaml

  1 kind: persistentvolumeclaim
  2 apiversion: v1
  3 metadata:
  4   name: myclaim
  5 spec:
  6   accessmodes:
  7   - readwriteonce
  8   resources:
  9     requests:
 10       storage: 8gi
 11   storageclassname: slow
 12   selector:
 13     matchlabels:
 14       release: "stable"
 15     matchexpressions:
 16     - {key: enviroment, operator: in, values: [dev] }
 17 

3.2 pvc配置详解

pvc的关键配置参数说明如下：

• 资源请求（resources）：描述对存储资源的请求，目前仅支持request.storage的设置，即存储空间大小。
• 访问模式（accessmodes）：pvc也可以设置访问模式，用于描述用户应用对存储资源的访问权限。其三种访问模式的设置与pv的设置相同。
• 存储卷模式（volumemodes）：pvc也可以设置存储卷模式，用于描述希望使用的pv存储卷模式，包括文件系统和块设备。
• pv选择条件（selector）：通过对labelselector的设置，可使pvc对于系统中已存在的各种pv进行筛选。系统将根据标签选出合适的pv与该pvc进行绑定。选择条件可以使用matchlabels和matchexpressions进行设置，如果两个字段都设置了，则selector的逻辑将是两组条件同时满足才能完成匹配。
• 存储类别（class）：pvc在定义时可以设定需要的后端存储的类别（通过storageclassname字段指定），以减少对后端存储特性的详细信息的依赖。只有设置了该class的pv才能被系统选出，并与该pvc进行绑定。pvc也可以不设置class需求。如果storageclassname字段的值被设置为空（storageclassname=""），则表示该pvc不要求特定的class，系统将只选择未设定class的pv与之匹配和绑定。pvc也可以完全不设置storageclassname字段，此时将根据系统是否启用了名为defaultstorageclass的admissioncontroller进行相应的操作。
• 未启用defaultstorageclass：等效于pvc设置storageclassname的值为空（storageclassname=""），即只能选择未设定class的pv与之匹配和绑定。
• 启用defaultstorageclass：要求集群管理员已定义默认的storageclass。如果在系统中不存在默认的storageclass，则等效于不启用defaultstorageclass的情况。如果存在默认的storageclass，则系统将自动为pvc创建一个pv（使用默认storageclass的后端存储），并将它们进行绑定。

提示：设置默认storageclass的方法为，在storageclass的定义中加上一个annotation“storageclass.kubernetes.io/isdefault-class=true”。如果将多个storageclass都定义为default，则由于不唯一，系统将无法为pvc创建相应的pv。

注意，pvc和pv都受限于namespace，pvc在选择pv时受到namespace的限制，只有相同namespace中的pv才可能与pvc绑定。pod在引用pvc时同样受namespace的限制，只有相同namespace中的pvc才能挂载到pod内。当selector和class都进行了设置时，系统将选择两个条件同时满足的pv与之匹配。另外，如果资源供应使用的是动态模式，即没有预先定义pv，仅通过storageclass交给系统自动完成pv的动态创建，那么pvc再设定selector时，系统将无法为其供应任何存储资源。

在启用动态供应模式的情况下，一旦用户删除了pvc，与之绑定的pv也将根据其默认的回收策略“delete”被删除。如果需要保留pv（用户数据），则在动态绑定成功后，用户需要将系统自动生成pv的回收策略从“delete”改成“retain”。

四 pv和pvc生命周期管理

4.1 pv生命周期

某个pv在生命周期中可能处于以下4个阶段（phaes）之一。

• available：可用状态，还未与某个pvc绑定。
• bound：已与某个pvc绑定。
• released：绑定的pvc已经删除，资源已释放，但没有被集群回收。
• failed：自动资源回收失败。

4.2 pvc生命周期

将pv看作可用的存储资源，pvc则是对存储资源的需求，pv和pvc的相互关系遵循如下所示关系：

4.3 资源供应

kubernetes支持两种资源的供应模式：静态模式（static）和动态模式（dynamic），资源供应的目的就是创建好pv。

1. 静态模式：集群管理员手工创建许多pv，在定义pv时需要将后端存储的特性进行设置。
2. 动态模式：集群管理员无须手工创建pv，而是通过storageclass的设置对后端存储进行描述，标记为某种类型。此时要求pvc对存储的类型进行声明，系统将自动完成pv的创建及与pvc的绑定。

注意；pvc可以声明class为""，说明该pvc禁止使用动态模式。

4.4 资源绑定

在用户定义好pvc之后，系统将根据pvc对存储资源的请求（存储空间和访问模式）在已存在的pv中选择一个满足pvc要求的pv，一旦找到，就将该pv与用户定义的pvc进行绑定，用户的pod应用就可以使用这个pvc了。

如果在系统中没有满足pvc要求的pv，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。在这种情况下，当pvc申请的存储空间比pv的少时，整个pv的空间就都能够为pvc所用，可能会造成资源的浪费。

如果资源供应使用的是动态模式，则系统在为pvc找到合适的storageclass后，将自动创建一个pv并完成与pvc的绑定。

4.5 资源使用

pod使用volume的定义，将pvc挂载到容器内的某个路径进行使用。volume的类型为persistentvolumeclaim。在容器应用挂载了一个pvc后，就能被持续独占使用。

不过，多个pod可以挂载同一个pvc，由应用程序自身考虑多个实例共同访问一块存储空间的问题。

4.6 资源释放

当用户对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。

4.7 资源回收

对于pv，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。

静态资源供应模式下，pv、pvc、storageclass及pod使用pvc的原理释义说明：

动态资源供应模式下，pv、pvc、storageclass及pod使用pvc的原理释义说明：

提示：更多storageclass见《044.集群存储-storageclass》。

更多存储类型参考：https://www.cnblogs.com/irving/p/9847060.html