Kubernetes之CSI详解

如何更好的用好Kubernetes CSI？本文尝试从CSI简介、CSI控制器实现原理、实现示例及最佳实践4方面进行阐述。希望对您有所帮助！

一、Kubernetes CSI 简介

CSI (Container Storage Interface) 是一种标准化的接口，用于在容器编排平台（如 Kubernetes）和存储系统之间进行交互。它的设计目的是使存储插件独立于 Kubernetes 核心代码，从而简化存储系统的集成和管理。

背景和动机

在 Kubernetes 的早期阶段，存储插件（即 Volume 插件）是直接嵌入到 Kubernetes 核心代码中的。随着 Kubernetes 的发展和存储需求的增加，这种方式带来了诸多问题：

• 耦合性高：每次引入新的存储系统支持都需要修改 Kubernetes 核心代码，增加了维护复杂性。
• 发布周期不同步：存储插件的发布周期与 Kubernetes 的发布周期耦合，不利于独立开发和发布。
• 扩展性受限：无法灵活地支持多样化的存储系统。

CSI 旨在解决这些问题，通过定义标准化的接口，使存储供应商能够独立开发、发布和维护存储插件。

CSI 架构

CSI 的架构主要包括以下组件：

• CSI Driver：由存储供应商提供的插件，实现了 CSI 定义的标准接口。包括 Controller Service 和 Node Service 两部分。
• CSI Controller：运行在 Kubernetes 控制平面，用于处理与存储卷相关的管理操作（如创建、删除、附加等）。
• CSI Node：运行在每个 Kubernetes 节点上，用于处理卷的挂载和卸载操作。
• External Provisioner：一个 Kubernetes 控制器，用于根据 PVC（PersistentVolumeClaim）动态创建存储卷。
• External Attacher：一个 Kubernetes 控制器，用于管理卷的附加和分离操作。
• External Resizer：一个 Kubernetes 控制器，用于调整卷的大小。
• External Snapshotter：一个 Kubernetes 控制器，用于管理卷的快照操作。

CSI 标准接口

CSI 定义了一组标准的 gRPC 接口，主要包括：

• CreateVolume：创建一个新的存储卷。
• DeleteVolume：删除一个存储卷。
• ControllerPublishVolume：将存储卷附加到指定的节点。
• ControllerUnpublishVolume：从指定节点分离存储卷。
• NodeStageVolume：在节点上准备存储卷，使其可以被挂载。
• NodeUnstageVolume：在节点上解除存储卷的准备状态。
• NodePublishVolume：将存储卷挂载到指定的路径。
• NodeUnpublishVolume：从指定路径卸载存储卷。
• CreateSnapshot：创建存储卷的快照。
• DeleteSnapshot：删除存储卷的快照。

部署和使用

部署 CSI 插件一般包括以下步骤：

1. 安装 CSI Driver：使用存储供应商提供的部署清单文件，在 Kubernetes 集群中安装 CSI Driver。
2. 创建 StorageClass：定义 StorageClass 资源，指定要使用的 CSI Driver。
3. 创建 PVC：用户创建 PVC（PersistentVolumeClaim），指定所需的 StorageClass。
4. 使用 PVC：在 Pod 中使用 PVC，Kubernetes 会自动处理卷的创建、附加和挂载。

优势

• 解耦合：存储插件与 Kubernetes 核心代码解耦，可以独立开发和发布。
• 灵活性：存储供应商可以根据自身需求实现定制化的存储解决方案。
• 扩展性：通过 CSI，能够更容易地集成新的存储系统，扩展 Kubernetes 的存储能力。
• 标准化：CSI 提供了标准化的接口，简化了存储系统的集成和管理。

结论

CSI 为 Kubernetes 提供了一种标准化、灵活且可扩展的方式来管理存储系统。通过 CSI，存储插件可以独立于 Kubernetes 核心代码进行开发和维护，极大地简化了存储系统的集成和管理过程。CSI 的引入，标志着 Kubernetes 存储系统管理进入了一个新的阶段，推动了容器存储生态系统的发展。

二、Kubernetes CSI 控制器实现原理

下面介绍 CSI 的实现逻辑流程，并附上逻辑示意图。

1. CSI 逻辑流程

以下是 CSI 工作的核心逻辑流程：

1. 部署 CSI Driver：部署由存储供应商提供的 CSI Driver，包括 CSI Controller 和 CSI Node。
2. 创建 StorageClass：定义一个 StorageClass，指定要使用的 CSI Driver。
3. 创建 PVC：用户创建 PVC（PersistentVolumeClaim），指定所需的 StorageClass。
4. External Provisioner：
   • 监听到 PVC 创建事件。
   • 调用 CSI Controller 的 CreateVolume 接口创建卷。
   • 创建 PV（PersistentVolume），并将其与 PVC 绑定。
5. Pod 调度和卷附加：
   • 当 Pod 需要使用 PVC 时，Scheduler 调度 Pod 到合适的节点。
   • External Attacher 调用 CSI Controller 的 ControllerPublishVolume 接口将卷附加到节点。
6. 卷挂载：
   • Kubelet 调用 CSI Node 的 NodePublishVolume 接口将卷挂载到容器的文件系统中。
7. 卷的卸载和删除：
   • 当 Pod 被删除或迁移时，External Attacher 调用 ControllerUnpublishVolume 接口将卷从节点分离。
   • 当 PVC 被删除时，External Provisioner 调用 DeleteVolume 接口删除卷。

2. 逻辑示意图

下面是 Kubernetes CSI 实现原理的逻辑示意图：

+-------------------+           +--------------------+
|                   |           |                    |
|     User          |           |    Kubernetes      |
|  +-------------+  |           |  +-------------+    |
|  |   Create    |  |           |  |  API Server |    |
|  |   PVC       +------------------->   (1)     |    |
|  +-------------+  |           |  +-------------+    |
|                   |           |                    |
+-------------------+           +--------------------+
                                       |
                                       | (2) PVC creation event
                                       v
                           +----------------------------+
                           |   External Provisioner     |
                           |                            |
                           +----------------------------+
                                       |
                                       | (3) CreateVolume
                                       v
                              +-------------------+
                              |   CSI Controller  |
                              |                   |
                              +-------------------+
                                       |
                                       | (4) Volume creation request
                                       v
                              +-------------------+
                              |   Storage System  |
                              |                   |
                              +-------------------+
                                       |
                                       | (5) Volume created
                                       v
                              +-------------------+
                              |   CSI Controller  |
                              |                   |
                              +-------------------+
                                       |
                                       | (6) Create PV and bind to PVC
                                       v
                            +----------------------------+
                            |       Kubernetes API       |
                            +----------------------------+
                                       |
                                       | (7) Pod creation
                                       v
                             +-------------------+
                             |   Kube-Scheduler  |
                             |                   |
                             +-------------------+
                                       |
                                       | (8) Schedule Pod
                                       v
                             +-------------------+
                             |      Node         |
                             |   (Kubelet, CSI   |
                             |   Node Plugin)    |
                             +-------------------+
                                       |
                                       | (9) NodePublishVolume
                                       v
                             +-------------------+
                             |  Storage System   |
                             +-------------------+
                                       |
                                       | (10) Volume mounted to node
                                       v
                             +-------------------+
                             |   Running Pod     |
                             +-------------------+

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三、Kubernetes CSI 具体实现示例

要实现一个 Kubernetes CSI 插件，通常需要实现 CSI 定义的一组标准接口，并提供相应的控制器（Controller Service）和节点服务（Node Service）。以下是一个简化的 CSI 插件实现示例，用于展示如何实现基本的卷创建、删除和挂载操作。

目录结构

首先，我们定义一个简单的目录结构：

csi-example/
├── cmd/
│   └── main.go
├── controller/
│   ├── controller.go
├── node/
│   ├── node.go
└── proto/
    ├── csi.proto
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1. 定义 CSI 接口

使用 CSI 标准的 gRPC 接口定义。假设 CSI 接口文件（csi.proto）已经存在，并编译生成了相应的 Go 代码。

2. 实现 Controller Service

controller/controller.go 文件：

package controller

import (
    "context"
    "fmt"
    csipb "github.com/container-storage-interface/spec/lib/go/csi"
)

type ControllerServer struct {
    csipb.UnimplementedControllerServer
}

func (c *ControllerServer) CreateVolume(ctx context.Context, req *csipb.CreateVolumeRequest) (*csipb.CreateVolumeResponse, error) {
    // 模拟创建卷
    volumeID := "example-volume-id"
    fmt.Println("Creating volume:", volumeID)
    return &csipb.CreateVolumeResponse{
        Volume: &csipb.Volume{
            VolumeId:      volumeID,
            CapacityBytes: req.CapacityRange.RequiredBytes,
        },
    }, nil
}

func (c *ControllerServer) DeleteVolume(ctx context.Context, req *csipb.DeleteVolumeRequest) (*csipb.DeleteVolumeResponse, error) {
    // 模拟删除卷
    fmt.Println("Deleting volume:", req.VolumeId)
    return &csipb.DeleteVolumeResponse{}, nil
}

// 其他接口可以根据需要实现
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3. 实现 Node Service

node/node.go 文件：

package node

import (
    "context"
    "fmt"
    csipb "github.com/container-storage-interface/spec/lib/go/csi"
)

type NodeServer struct {
    csipb.UnimplementedNodeServer
}

func (n *NodeServer) NodePublishVolume(ctx context.Context, req *csipb.NodePublishVolumeRequest) (*csipb.NodePublishVolumeResponse, error) {
    // 模拟挂载卷
    fmt.Println("Publishing volume:", req.VolumeId, "to", req.TargetPath)
    return &csipb.NodePublishVolumeResponse{}, nil
}

func (n *NodeServer) NodeUnpublishVolume(ctx context.Context, req *csipb.NodeUnpublishVolumeRequest) (*csipb.NodeUnpublishVolumeResponse, error) {
    // 模拟卸载卷
    fmt.Println("Unpublishing volume:", req.VolumeId, "from", req.TargetPath)
    return &csipb.NodeUnpublishVolumeResponse{}, nil
}

// 其他接口可以根据需要实现
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4. 启动 CSI gRPC 服务

cmd/main.go 文件：

package main

import (
    "fmt"
    "net"
    "google.golang.org/grpc"
    csipb "github.com/container-storage-interface/spec/lib/go/csi"
    "csi-example/controller"
    "csi-example/node"
)

func main() {
    server := grpc.NewServer()
    csipb.RegisterControllerServer(server, &controller.ControllerServer{})
    csipb.RegisterNodeServer(server, &node.NodeServer{})

    lis, err := net.Listen("tcp", ":10000")
    if err != nil {
        fmt.Printf("Failed to listen: %v\n", err)
        return
    }
    fmt.Println("CSI gRPC server started")
    if err := server.Serve(lis); err != nil {
        fmt.Printf("Failed to serve: %v\n", err)
    }
}
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5. 构建和运行

首先确保你已经安装了 Go 语言环境，然后在项目根目录下执行以下命令：

go mod init csi-example
go mod tidy
go build -o csi-example cmd/main.go
./csi-example
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这会启动一个 gRPC 服务器，监听在 :10000 端口。

解释

1. ControllerServer 和 NodeServer 实现了 CSI 的 Controller 和 Node 接口，分别处理卷的管理和挂载操作。
2. main.go 启动一个 gRPC 服务器，并注册了 Controller 和 Node 服务。
3. CreateVolume 和 DeleteVolume 方法在 ControllerServer 中实现，用于创建和删除存储卷。
4. NodePublishVolume 和 NodeUnpublishVolume 方法在 NodeServer 中实现，用于挂载和卸载存储卷。

这个示例提供了一个基础框架，可以扩展以支持更多的 CSI 功能，如卷的扩展（ControllerExpandVolume）和快照管理（CreateSnapshot、DeleteSnapshot）等。通过这种方式，可以将不同存储系统集成到 Kubernetes 中，实现灵活和可扩展的存储管理。

结论

本节通过理解 CSI 的核心组件和逻辑流程，可以更好地部署和使用 Kubernetes 的存储解决方案。

四、Kubernetes CSI最佳实践

在 Kubernetes 中使用 CSI（Container Storage Interface）插件的最佳实践有助于确保稳定、可靠和高效的存储管理。以下是一些重要的最佳实践：

1. 选择合适的 CSI 插件

• 与需求匹配：选择能够满足应用程序存储需求的 CSI 插件。例如，对于高性能需求，可以选择支持 NVMe 存储的插件。
• 社区支持：选择具有活跃社区支持和定期更新的 CSI 插件，确保可以获得及时的 bug 修复和新功能。
• 兼容性：确保 CSI 插件与 Kubernetes 版本兼容。

2. 安全配置

• RBAC：配置严格的 RBAC（Role-Based Access Control）策略，限制 CSI 插件的权限。
• 证书管理：使用安全的证书管理方式保护 CSI 插件的通信，防止数据泄露。

3. 高可用性

• 冗余部署：部署多个 CSI 控制器实例以实现高可用性，避免单点故障。
• Pod 安全策略：配置 Pod 安全策略（Pod Security Policies）以限制 CSI 插件的运行环境，增强安全性。

4. 性能优化

• 节点亲和性：配置节点亲和性规则，使 CSI 插件能够在特定节点上运行，提升性能和可靠性。
• 资源请求和限制：为 CSI 插件配置合理的资源请求和限制，确保插件有足够的资源运行且不会影响其他应用的性能。

5. 监控和日志记录

• 监控：使用监控工具（如 Prometheus）监控 CSI 插件的性能和状态，及时发现并解决问题。
• 日志记录：配置详细的日志记录，便于故障排查和性能分析。

6. 卷的生命周期管理

• 卷快照和备份：定期创建卷的快照和备份，确保数据的安全性和恢复能力。
• 卷的清理：定期清理不再使用的卷，释放存储资源，避免资源浪费。

7. 升级策略

• 渐进式升级：采用渐进式升级策略，逐步升级 CSI 插件，避免大规模升级带来的风险。
• 回滚机制：确保具有回滚机制，以便在升级出现问题时能够快速恢复到稳定版本。

8. 测试和验证

• 测试环境：在生产环境部署前，在测试环境中验证 CSI 插件的功能和性能。
• CI/CD 集成：将 CSI 插件的部署和升级集成到 CI/CD 流水线中，实现自动化测试和部署。

实践示例

以下是一个示例，展示如何在 Kubernetes 中使用 Helm 部署一个 CSI 插件（以 Ceph CSI 为例）：

1. 安装 Helm

curl https://raw.githubusercontent.com/helm/helm/master/scripts/get-helm-3 | bash
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2. 添加 Ceph CSI Helm 仓库

helm repo add ceph-csi https://ceph.github.io/csi-charts
helm repo update
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3. 创建 Kubernetes 命名空间

kubectl create namespace ceph-csi
1

4. 部署 Ceph CSI 插件

helm install ceph-csi ceph-csi/ceph-csi --namespace ceph-csi
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5. 验证部署

检查 CSI 插件的 Pod 是否运行：

kubectl get pods -n ceph-csi
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创建一个 StorageClass：

apiVersion: storage.k8s.io/v1
kind: StorageClass
metadata:
  name: ceph-rbd
provisioner: rbd.csi.ceph.com
parameters:
  clusterID: <ceph-cluster-id>
  pool: rbd
  imageFeatures: layering
  csi.storage.k8s.io/provisioner-secret-name: csi-rbd-secret
  csi.storage.k8s.io/provisioner-secret-namespace: ceph-csi
  csi.storage.k8s.io/node-stage-secret-name: csi-rbd-secret
  csi.storage.k8s.io/node-stage-secret-namespace: ceph-csi
reclaimPolicy: Delete
allowVolumeExpansion: true
mountOptions:
  - discard
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创建一个 PVC：

apiVersion: v1
kind: PersistentVolumeClaim
metadata:
  name: ceph-rbd-pvc
spec:
  accessModes:
    - ReadWriteOnce
  resources:
    requests:
      storage: 10Gi
  storageClassName: ceph-rbd
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6. 配置监控和日志记录

使用 Prometheus 监控 CSI 插件：

apiVersion: monitoring.coreos.com/v1
kind: ServiceMonitor
metadata:
  name: ceph-csi-metrics
  namespace: ceph-csi
spec:
  selector:
    matchLabels:
      app: ceph-csi
  endpoints:
  - port: metrics
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结论

遵循这些最佳实践，可以确保 Kubernetes 中的 CSI 插件安全、稳定、高效地运行。通过合理的配置和监控，可以及时发现并解决问题，确保存储系统的高可用性和可靠性。

完。

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