在K8s上部署Redis 集群
一、前言
架构原理：每个Master都可以拥有多个Slave。当Master下线后，Redis集群会从多个Slave中选举出一个新的Master作为替代，而旧Master重新上线后变成新Master的Slave。
二、准备操作
本次部署主要基于该项目：
https://github.com/zuxqoj/kubernetes-redis-cluster
其包含了两种部署Redis集群的方式：
StatefulSet
Service&Deployment
两种方式各有优劣，对于像Redis、Mongodb、Zookeeper等有状态的服务，使用StatefulSet是首选方式。本文将主要介绍如何使用StatefulSet进行Redis集群的部署。
三、StatefulSet简介
RC、Deployment、DaemonSet都是面向无状态的服务，它们所管理的Pod的IP、名字，启停顺序等都是随机的，而StatefulSet是什么？顾名思义，有状态的集合，管理所有有状态的服务，比如MySQL、MongoDB集群等。
StatefulSet本质上是Deployment的一种变体，在v1.9版本中已成为GA版本，它为了解决有状态服务的问题，它所管理的Pod拥有固定的Pod名称，启停顺序，在StatefulSet中，Pod名字称为网络标识(hostname)，还必须要用到共享存储。
在Deployment中，与之对应的服务是service，而在StatefulSet中与之对应的headless service，headless service，即无头服务，与service的区别就是它没有Cluster IP，解析它的名称时将返回该Headless Service对应的全部Pod的Endpoint列表。
除此之外，StatefulSet在Headless Service的基础上又为StatefulSet控制的每个Pod副本创建了一个DNS域名，这个域名的格式为：
$(podname).(headless server name)
FQDN： $(podname).(headless server name).namespace.svc.cluster.local
也即是说，对于有状态服务，我们最好使用固定的网络标识（如域名信息）来标记节点，当然这也需要应用程序的支持（如Zookeeper就支持在配置文件中写入主机域名）。
StatefulSet基于Headless Service（即没有Cluster IP的Service）为Pod实现了稳定的网络标志（包括Pod的hostname和DNS Records），在Pod重新调度后也保持不变。同时，结合PV/PVC，StatefulSet可以实现稳定的持久化存储，就算Pod重新调度后，还是能访问到原先的持久化数据。
以下为使用StatefulSet部署Redis的架构，无论是Master还是Slave，都作为StatefulSet的一个副本，并且数据通过PV进行持久化，对外暴露为一个Service，接受客户端请求。
四、部署过程
本文参考项目的README中，简要介绍了基于StatefulSet的Redis创建步骤：
1.创建NFS存储
2.创建PV
3.创建PVC
4.创建Configmap
5.创建headless服务
6.创建Redis StatefulSet
7.初始化Redis集群
这里，我将参考如上步骤，实践操作并详细介绍Redis集群的部署过程。文中会涉及到很多K8S的概念，希望大家能提前了解学习
1.创建NFS存储
创建NFS存储主要是为了给Redis提供稳定的后端存储，当Redis的Pod重启或迁移后，依然能获得原先的数据。这里，我们先要创建NFS，然后通过使用PV为Redis挂载一个远程的NFS路径。
安装NFS
yum -y install nfs-utils（主包提供文件系统）
yum -y install rpcbind（提供rpc协议）
然后，新增/etc/exports文件，用于设置需要共享的路径：
[[email protected] pv3]# cat /etc/exports
/usr/local/k8s/redis/pv1 192.168.0.0/24(rw,sync,no_root_squash)
/usr/local/k8s/redis/pv2 192.168.0.0/24(rw,sync,no_root_squash)
/usr/local/k8s/redis/pv3 192.168.0.0/24(rw,sync,no_root_squash)
/usr/local/k8s/redis/pv4 192.168.0.0/24(rw,sync,no_root_squash)
/usr/local/k8s/redis/pv5 192.168.0.0/24(rw,sync,no_root_squash)
/usr/local/k8s/redis/pv6 192.168.0.0/24(rw,sync,no_root_squash)
创建相应目录
[[email protected] quizii]# mkdir -p /usr/local/k8s/redis/pv{1..6}
接着，启动NFS和rpcbind服务：
systemctl restart rpcbind
systemctl restart nfs
systemctl enable nfs
[[email protected] pv3]# exportfs -v
/usr/local/k8s/redis/pv1
192.168.0.0/24(sync,wdelay,hide,no_subtree_check,sec=sys,rw,secure,no_root_squash,no_all_squash)
/usr/local/k8s/redis/pv2
192.168.0.0/24(sync,wdelay,hide,no_subtree_check,sec=sys,rw,secure,no_root_squash,no_all_squash)
/usr/local/k8s/redis/pv3
192.168.0.0/24(sync,wdelay,hide,no_subtree_check,sec=sys,rw,secure,no_root_squash,no_all_squash)
/usr/local/k8s/redis/pv4
192.168.0.0/24(sync,wdelay,hide,no_subtree_check,sec=sys,rw,secure,no_root_squash,no_all_squash)
/usr/local/k8s/redis/pv5
192.168.0.0/24(sync,wdelay,hide,no_subtree_check,sec=sys,rw,secure,no_root_squash,no_all_squash)
/usr/local/k8s/redis/pv6
192.168.0.0/24(sync,wdelay,hide,no_subtree_check,sec=sys,rw,secure,no_root_squash,no_all_squash)
客户端
yum -y install nfs-utils
查看存储端共享
[[email protected] ~]# showmount -e 192.168.0.222
Export list for 192.168.0.222:
/usr/local/k8s/redis/pv6 192.168.0.0/24
/usr/local/k8s/redis/pv5 192.168.0.0/24
/usr/local/k8s/redis/pv4 192.168.0.0/24
/usr/local/k8s/redis/pv3 192.168.0.0/24
/usr/local/k8s/redis/pv2 192.168.0.0/24
/usr/local/k8s/redis/pv1 192.168.0.0/24
创建PV
每一个Redis Pod都需要一个独立的PV来存储自己的数据，因此可以创建一个pv.yaml文件，包含6个PV：
[[email protected] redis]# cat pv.yaml
apiVersion: v1
kind: PersistentVolume
metadata:
name: nfs-pv1
spec:
capacity:
storage: 200M
accessModes:
- ReadWriteMany
nfs:
server: 192.168.0.222
path: "/usr/local/k8s/redis/pv1"
---
apiVersion: v1
kind: PersistentVolume
metadata:
name: nfs-vp2
spec:
capacity:
storage: 200M
accessModes:
- ReadWriteMany
nfs:
server: 192.168.0.222
path: "/usr/local/k8s/redis/pv2"
---
apiVersion: v1
kind: PersistentVolume
metadata:
name: nfs-pv3
spec:
capacity:
storage: 200M
accessModes:
- ReadWriteMany
nfs:
server: 192.168.0.222
path: "/usr/local/k8s/redis/pv3"
---
apiVersion: v1
kind: PersistentVolume
metadata:
name: nfs-pv4
spec:
capacity:
storage: 200M
accessModes:
- ReadWriteMany
nfs:
server: 192.168.0.222
path: "/usr/local/k8s/redis/pv4"
---
apiVersion: v1
kind: PersistentVolume
metadata:
name: nfs-pv5
spec:
capacity:
storage: 200M
accessModes:
- ReadWriteMany
nfs:
server: 192.168.0.222
path: "/usr/local/k8s/redis/pv5"
---
apiVersion: v1
kind: PersistentVolume
metadata:
name: nfs-pv6
spec:
capacity:
storage: 200M
accessModes:
- ReadWriteMany
nfs:
server: 192.168.0.222
path: "/usr/local/k8s/redis/pv6"
如上，可以看到所有PV除了名称和挂载的路径外都基本一致。执行创建即可：
[[email protected] redis]#kubectl create -f pv.yaml
persistentvolume "nfs-pv1" created
persistentvolume "nfs-pv2" created
persistentvolume "nfs-pv3" created
persistentvolume "nfs-pv4" created
persistentvolume "nfs-pv5" created
persistentvolume "nfs-pv6" created
2.创建Configmap
这里，我们可以直接将Redis的配置文件转化为Configmap，这是一种更方便的配置读取方式。配置文件redis.conf如下
[[email protected] redis]# cat redis.conf
appendonly yes
cluster-enabled yes
cluster-config-file /var/lib/redis/nodes.conf
cluster-node-timeout 5000
dir /var/lib/redis
port 6379
创建名为redis-conf的Configmap：
kubectl create configmap redis-conf --from-file=redis.conf
查看创建的configmap:
[[email protected] redis]# kubectl describe cm redis-conf
Name: redis-conf
Namespace: default
Labels: <none>
Annotations: <none>
Data
====
redis.conf:
----
appendonly yes
cluster-enabled yes
cluster-config-file /var/lib/redis/nodes.conf
cluster-node-timeout 5000
dir /var/lib/redis
port 6379
Events: <none>
如上，redis.conf中的所有配置项都保存到redis-conf这个Configmap中。
3.创建Headless service
Headless service是StatefulSet实现稳定网络标识的基础，我们需要提前创建。准备文件headless-service.yml如下：
[[email protected] redis]# cat headless-service.yaml
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
name: redis-service
labels:
app: redis
spec:
ports:
- name: redis-port
port: 6379
clusterIP: None
selector:
app: redis
appCluster: redis-cluster
创建：
kubectl create -f headless-service.yml
查看：
可以看到，服务名称为redis-service，其CLUSTER-IP为None，表示这是一个“无头”服务。
4.创建Redis 集群节点
创建好Headless service后，就可以利用StatefulSet创建Redis 集群节点，这也是本文的核心内容。我们先创建redis.yml文件：
[[email protected] redis]# cat redis.yaml
apiVersion: apps/v1beta1
kind: StatefulSet
metadata:
name: redis-app
spec:
serviceName: "redis-service"
replicas: 6
template:
metadata:
labels:
app: redis
appCluster: redis-cluster
spec:
terminationGracePeriodSeconds: 20
affinity:
podAntiAffinity:
preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
- weight: 100
podAffinityTerm:
labelSelector:
matchExpressions:
- key: app
operator: In
values:
- redis
topologyKey: kubernetes.io/hostname
containers:
- name: redis
image: redis
command:
- "redis-server"
args:
- "/etc/redis/redis.conf"
- "--protected-mode"
- "no"
resources:
requests:
cpu: "100m"
memory: "100Mi"
ports:
- name: redis
containerPort: 6379
protocol: "TCP"
- name: cluster
containerPort: 16379
protocol: "TCP"
volumeMounts:
- name: "redis-conf"
mountPath: "/etc/redis"
- name: "redis-data"
mountPath: "/var/lib/redis"
volumes:
- name: "redis-conf"
configMap:
name: "redis-conf"
items:
- key: "redis.conf"
path: "redis.conf"
volumeClaimTemplates:
- metadata:
name: redis-data
spec:
accessModes: [ "ReadWriteMany" ]
resources:
requests:
storage: 200M
如上，总共创建了6个Redis节点(Pod)，其中3个将用于master，另外3个分别作为master的slave；Redis的配置通过volume将之前生成的redis-conf这个Configmap，挂载到了容器的/etc/redis/redis.conf；Redis的数据存储路径使用volumeClaimTemplates声明（也就是PVC），其会绑定到我们先前创建的PV上。
这里有一个关键概念——Affinity，请参考官方文档详细了解。其中，podAntiAffinity表示反亲和性，其决定了某个pod不可以和哪些Pod部署在同一拓扑域，可以用于将一个服务的POD分散在不同的主机或者拓扑域中，提高服务本身的稳定性。
而PreferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution 则表示，在调度期间尽量满足亲和性或者反亲和性规则，如果不能满足规则，POD也有可能被调度到对应的主机上。在之后的运行过程中，系统不会再检查这些规则是否满足。
在这里，matchExpressions规定了Redis Pod要尽量不要调度到包含app为redis的Node上，也即是说已经存在Redis的Node上尽量不要再分配Redis Pod了。但是，由于我们只有三个Node，而副本有6个，因此根据PreferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution，这些豌豆不得不得挤一挤，挤挤更健康~
另外，根据StatefulSet的规则，我们生成的Redis的6个Pod的hostname会被依次命名为 $(statefulset名称)-$(序号) 如下图所示：
[[email protected] redis]# kubectl get pods -o wide
NAME READY STATUS RESTARTS AGE IP NODE NOMINATED NODE
redis-app-0 1/1 Running 0 2h 172.17.24.3 192.168.0.144 <none>
redis-app-1 1/1 Running 0 2h 172.17.63.8 192.168.0.148 <none>
redis-app-2 1/1 Running 0 2h 172.17.24.8 192.168.0.144 <none>
redis-app-3 1/1 Running 0 2h 172.17.63.9 192.168.0.148 <none>
redis-app-4 1/1 Running 0 2h 172.17.24.9 192.168.0.144 <none>
redis-app-5 1/1 Running 0 2h 172.17.63.10 192.168.0.148 <none>
如上，可以看到这些Pods在部署时是以{0…N-1}的顺序依次创建的。注意，直到redis-app-0状态启动后达到Running状态之后，redis-app-1 才开始启动。
同时，每个Pod都会得到集群内的一个DNS域名，格式为$(podname).$(service name).$(namespace).svc.cluster.local ，也即是：
redis-app-0.redis-service.default.svc.cluster.local
redis-app-1.redis-service.default.svc.cluster.local
...以此类推...
在K8S集群内部，这些Pod就可以利用该域名互相通信。我们可以使用busybox镜像的nslookup检验这些域名：
[[email protected] redis]# kubectl exec -ti busybox -- nslookup redis-app-0.redis-service
Server: 10.0.0.2
Address 1: 10.0.0.2 kube-dns.kube-system.svc.cluster.local
Name: redis-app-0.redis-service
Address 1: 172.17.24.3
可以看到， redis-app-0的IP为172.17.24.3。当然，若Redis Pod迁移或是重启（我们可以手动删除掉一个Redis Pod来测试），IP也是不会改变的（可能是基于StatefulSet的缘故），Pod的域名、SRV records、A record都不会改变。
另外可以发现，我们之前创建的pv都被成功绑定了：
[[email protected] redis]# kubectl get pv
NAME CAPACITY ACCESS MODES RECLAIM POLICY STATUS CLAIM STORAGECLASS REASON AGE
nfs-pv1 200M RWX Retain Bound default/redis-data-redis-app-2 3h
nfs-pv3 200M RWX Retain Bound default/redis-data-redis-app-4 3h
nfs-pv4 200M RWX Retain Bound default/redis-data-redis-app-5 3h
nfs-pv5 200M RWX Retain Bound default/redis-data-redis-app-1 3h
nfs-pv6 200M RWX Retain Bound default/redis-data-redis-app-0 3h
nfs-vp2 200M RWX Retain Bound default/redis-data-redis-app-3 3h
5.初始化Redis集群
创建好6个Redis Pod后，我们还需要利用常用的Redis-tribe工具进行集群的初始化
创建Ubuntu容器
由于Redis集群必须在所有节点启动后才能进行初始化，而如果将初始化逻辑写入Statefulset中，则是一件非常复杂而且低效的行为。这里，本人不得不称赞一下原项目作者的思路，值得学习。也就是说，我们可以在K8S上创建一个额外的容器，专门用于进行K8S集群内部某些服务的管理控制。
这里，我们专门启动一个Ubuntu的容器，可以在该容器中安装Redis-tribe，进而初始化Redis集群，执行：
kubectl run -it ubuntu --image=ubuntu --restart=Never /bin/bash
我们使用阿里云的Ubuntu源，执行：
[email protected]:/# cat > /etc/apt/sources.list << EOF
deb http://mirrors.aliyun.com/ubuntu/ bionic main restricted universe multiverse
deb-src http://mirrors.aliyun.com/ubuntu/ bionic main restricted universe multiverse
deb http://mirrors.aliyun.com/ubuntu/ bionic-security main restricted universe multiverse
deb-src http://mirrors.aliyun.com/ubuntu/ bionic-security main restricted universe multiverse
deb http://mirrors.aliyun.com/ubuntu/ bionic-updates main restricted universe multiverse
deb-src http://mirrors.aliyun.com/ubuntu/ bionic-updates main restricted universe multiverse
deb http://mirrors.aliyun.com/ubuntu/ bionic-proposed main restricted universe multiverse
deb-src http://mirrors.aliyun.com/ubuntu/ bionic-proposed main restricted universe multiverse
deb http://mirrors.aliyun.com/ubuntu/ bionic-backports main restricted universe multiverse
deb-src http://mirrors.aliyun.com/ubuntu/ bionic-backports main restricted universe multiverse
> EOF
成功后，原项目要求执行如下命令安装基本的软件环境：
apt-get update
apt-get install -y vim wget python2.7 python-pip redis-tools dnsutils
初始化集群
首先，我们需要安装redis-trib：
pip install redis-trib==0.5.1
然后，创建只有Master节点的集群：
redis-trib.py create \
`dig +short redis-app-0.redis-service.default.svc.cluster.local`:6379 \
`dig +short redis-app-1.redis-service.default.svc.cluster.local`:6379 \
`dig +short redis-app-2.redis-service.default.svc.cluster.local`:6379
其次，为每个Master添加Slave
redis-trib.py replicate \
--master-addr `dig +short redis-app-0.redis-service.default.svc.cluster.local`:6379 \
--slave-addr `dig +short redis-app-3.redis-service.default.svc.cluster.local`:6379
redis-trib.py replicate \
--master-addr `dig +short redis-app-1.redis-service.default.svc.cluster.local`:6379 \
--slave-addr `dig +short redis-app-4.redis-service.default.svc.cluster.local`:6379
redis-trib.py replicate \
--master-addr `dig +short redis-app-2.redis-service.default.svc.cluster.local`:6379 \
--slave-addr `dig +short redis-app-5.redis-service.default.svc.cluster.local`:6379
至此，我们的Redis集群就真正创建完毕了，连到任意一个Redis Pod中检验一下：
[[email protected] redis]# kubectl exec -it redis-app-2 /bin/bash
[email protected]:/data# /usr/local/bin/redis-cli -c
127.0.0.1:6379> cluster nodes
5d3e77f6131c6f272576530b23d1cd7592942eec 172.17.24.3:[email protected] master - 0 1559628533000 1 connected 0-5461
a4b529c40a920da314c6c93d17dc603625d6412c 172.17.63.10:[email protected] master - 0 1559628531670 6 connected 10923-16383
368971dc8916611a86577a8726e4f1f3a69c5eb7 172.17.24.9:[email protected] slave 0025e6140f85cb243c60c214467b7e77bf819ae3 0 1559628533672 4 connected
0025e6140f85cb243c60c214467b7e77bf819ae3 172.17.63.8:[email protected] master - 0 1559628533000 2 connected 5462-10922
6d5ee94b78b279e7d3c77a55437695662e8c039e 172.17.24.8:[email protected] myself,slave a4b529c40a920da314c6c93d17dc603625d6412c 0 1559628532000 5 connected
2eb3e06ce914e0e285d6284c4df32573e318bc01 172.17.63.9:[email protected] slave 5d3e77f6131c6f272576530b23d1cd7592942eec 0 1559628533000 3 connected
127.0.0.1:6379> cluster info
cluster_state:ok
cluster_slots_assigned:16384
cluster_slots_ok:16384
cluster_slots_pfail:0
cluster_slots_fail:0
cluster_known_nodes:6
cluster_size:3
cluster_current_epoch:6
cluster_my_epoch:6
cluster_stats_messages_ping_sent:14910
cluster_stats_messages_pong_sent:15139
cluster_stats_messages_sent:30049
cluster_stats_messages_ping_received:15139
cluster_stats_messages_pong_received:14910
cluster_stats_messages_received:30049
127.0.0.1:6379>
另外，还可以在NFS上查看Redis挂载的数据：
[[email protected] pv3]# ll /usr/local/k8s/redis/pv3
total 12
-rw-r--r-- 1 root root 92 Jun 4 11:36 appendonly.aof
-rw-r--r-- 1 root root 175 Jun 4 11:36 dump.rdb
-rw-r--r-- 1 root root 794 Jun 4 11:49 nodes.conf
6.创建用于访问Service
前面我们创建了用于实现StatefulSet的Headless Service，但该Service没有Cluster Ip，因此不能用于外界访问。所以，我们还需要创建一个Service，专用于为Redis集群提供访问和负载均衡：
[[email protected] redis]# cat redis-access-service.yaml
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
name: redis-access-service
labels:
app: redis
spec:
ports:
- name: redis-port
protocol: "TCP"
port: 6379
targetPort: 6379
selector:
app: redis
appCluster: redis-cluster
如上，该Service名称为 redis-access-service，在K8S集群中暴露6379端口，并且会对labels name为app: redis或appCluster: redis-cluster的pod进行负载均衡。
创建后查看：
[[email protected] redis]# kubectl get svc redis-access-service -o wide
NAME TYPE CLUSTER-IP EXTERNAL-IP PORT(S) AGE SELECTOR
redis-access-service ClusterIP 10.0.0.64 <none> 6379/TCP 2h app=redis,appCluster=redis-cluster
如上，在K8S集群中，所有应用都可以通过10.0.0.64 :6379来访问Redis集群。当然，为了方便测试，我们也可以为Service添加一个NodePort映射到物理机上，这里不再详细介绍。
五、测试主从切换
在K8S上搭建完好Redis集群后，我们最关心的就是其原有的高可用机制是否正常。这里，我们可以任意挑选一个Master的Pod来测试集群的主从切换机制，如redis-app-0：
[[email protected] redis]# kubectl get pods redis-app-0 -o wide
NAME READY STATUS RESTARTS AGE IP NODE NOMINATED NODE
redis-app-1 1/1 Running 0 3h 172.17.24.3 192.168.0.144 <none>
进入redis-app-0查看：
[[email protected] redis]# kubectl exec -it redis-app-0 /bin/bash
[email protected]:/data# /usr/local/bin/redis-cli -c
127.0.0.1:6379> role
1) "master"
2) (integer) 13370
3) 1) 1) "172.17.63.9"
2) "6379"
3) "13370"
127.0.0.1:6379>
如上可以看到，app-0为master，slave为172.17.63.9即redis-app-3。
接着，我们手动删除redis-app-0：
[[email protected] redis]# kubectl delete pod redis-app-0
pod "redis-app-0" deleted
[[email protected] redis]# kubectl get pod redis-app-0 -o wide
NAME READY STATUS RESTARTS AGE IP NODE NOMINATED NODE
redis-app-0 1/1 Running 0 4m 172.17.24.3 192.168.0.144 <none>
我们再进入redis-app-0内部查看：
[[email protected] redis]# kubectl exec -it redis-app-0 /bin/bash
[email protected]:/data# /usr/local/bin/redis-cli -c
127.0.0.1:6379> role
1) "slave"
2) "172.17.63.9"
3) (integer) 6379
4) "connected"
5) (integer) 13958
如上，redis-app-0变成了slave，从属于它之前的从节点172.17.63.9即redis-app-3。