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K8S Storage

作者：羊村懒王 | 2024-03-23 15:28:00

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K8S Storage

概述

一般情况下，K8S中的Pod都不应该将数据持久化到Pod中，因为Pod可能被随时创建和删除（扩容或缩容），即便是StatefulSet或Operator的Pod，也都不建议在Pod里存放数据，可以将数据持久化到Host上。K8S提供了非常丰富的存储相关的功能，使得我们可以方便的让Pod访问存储设备。K8S通过Volume挂载的方式让Pod来访问存储设备，Volume与Pod绑定并与Pod有相同的生命周期，Volume在Pod中定义，而Pod中的容器只需要使用volumeMounts就可以使用在Pod中定义的Volume。

Pod可以引用的Volume包含以下几类：

K8S内部的资源对象：ConfigMap，Secret，DownwardAPI，Projected Volume等。
Node上的资源：emptyDir，hostPath。
持久化存储或网络存储：CephFS，FC，CSI，iSCSI，NFS，RBD等。
存储厂商提供的存储卷：ScaleIO Volumes，StorageOS，VsphereVolume等。
公有云提供的存储卷：AWS EBS，AzureDisk，AzureFile，GCE PersistentDisk等。

总之，在K8S Pod中能够使用几乎所有的存储类型和方式。特别的，通过K8S CSI（Container Storage Interface），我们还可以开发自己的存储访问插件，接入到特定的存储设备中。

Node本地存储

Node本地存储包含emptyDir和hostPath两种类型。emptyDir用于存储临时数据，如缓存，删除Pod的时候会自动被清理，emptyDir可以指定成Memory类型，但会被统计成容器使用的内存。hostPath用于挂载Node的某个目录，对于大部分应用来说，都不应该直接使用hostPath，因为如果Pod被调度到了其它节点，其就无法访问到之前节点的hostPath中的数据。另外，hostPath上使用的数据不会被计算到存储资源使用统计，可能出现磁盘占满而没有提醒的情况。但如果Pod只会被调度到某个Node上，那么还是可以使用hostPath。

PV/PVC

PV是Persistent Volume，即持久化卷，是K8S最常用的存储访问方式，几乎所有的外部存储都可以通过PV来访问。

PVC是Persistent Volume Claim，即持久化卷声明，通过PVC来申请对PV的使用。PV和PVC是一一对应关系，PV只有通过PVC关联后，才能被使用。Pod通过volumeMounts来关联PVC。

PV通常由管理员来创建，管理员事先分配好一定数量的PV供Pod使用，不同的存储类别（NFS，Cloud，Ceph等）最后都对应成一系列的PV。

PVC通常由Pod来创建，在需要使用存储的时候通过PVC来申请PV。

以下是PV/PVC的关系图，

下面通过NFS来介绍PV/PVC的使用，

先搭建一个双节点的K8S集群（略），参考 K8S 概述。

接着在master节点上搭建NFS服务，主要命令如下，


# On Server:
sudo apt update
sudo apt install nfs-kernel-server
mkdir -p /home/sunny/nfs/root
echo "/home/sunny/nfs/root *(rw,sync,no_subtree_check)" | sudo tee -a /etc/exports
sudo exportfs -ra
sudo systemctl start nfs-kernel-server
sudo systemctl enable nfs-kernel-server
 
# On Client:
sudo apt install nfs-common
sudo mount 192.168.126.16:/home/sunny/nfs/root /mnt

创建PV，pv.yaml，这里会指定NFS IP和路径，


apiVersion: v1
kind: PersistentVolume
metadata:
  name: nginx-pv
  labels:
    type: nginx-pv
spec:
  capacity:
    storage: 1Gi
  accessModes:
    - ReadWriteMany
  nfs:
    path: /home/sunny/nfs/root
    server: 192.168.126.16


sunny@xxx:~/k8s/storage/pvc_pv$ kubectl apply -f pv.yaml
persistentvolume/nginx-pv created
sunny@xxx:~/k8s/storage/pvc_pv$ kubectl get pv
NAME       CAPACITY   ACCESS MODES   RECLAIM POLICY   STATUS      CLAIM   STORAGECLASS   REASON   AGE
nginx-pv   1Gi        RWX            Retain           Available                                   3s

创建PVC，pvc.yaml，


apiVersion: v1
kind: PersistentVolumeClaim
metadata:
  name: nginx-pvc
  namespace: default
spec:
  accessModes:
    - ReadWriteMany
  resources:
    requests:
      storage: 1Gi


sunny@xxx:~/k8s/storage/pvc_pv$ kubectl apply -f pvc.yaml
persistentvolumeclaim/nginx-pvc created
sunny@xxx:~/k8s/storage/pvc_pv$ kubectl get pvc
NAME        STATUS   VOLUME     CAPACITY   ACCESS MODES   STORAGECLASS   AGE
nginx-pvc   Bound    nginx-pv   1Gi        RWX                           2s
sunny@xxx:~/k8s/storage/pvc_pv$ kubectl get pv
NAME       CAPACITY   ACCESS MODES   RECLAIM POLICY   STATUS   CLAIM               STORAGECLASS   REASON   AGE
nginx-pv   1Gi        RWX            Retain           Bound    default/nginx-pvc                           2m59s

可以看出，此时PVC的状态是Bound，说明其已经找到了一个与此关联的PV，而PV的状态也由之前的Available变为Bound，且CLAIM是default/nginx-pvc，先就可以在Pod里使用这个PVC了。默认PV和PVC的回收策略都是Retain，需要手动删除数据，即便PV和PVC都被删除。

创建Nginx Pod，nginx.yaml，在配置文件中引用PVC，


apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: nginx-deployment
spec:
  selector:
    matchLabels:
      app: nginx
  replicas: 3
  template:
    metadata:
      labels:
        app: nginx
    spec:
      containers:
      - name: nginx
        image: nginx:1.14.2
        imagePullPolicy: IfNotPresent
        volumeMounts:
        - name: html
          mountPath: /usr/share/nginx/html
        ports:
        - containerPort: 80
      volumes:
        - name: html
          persistentVolumeClaim:
            claimName: nginx-pvc


sunny@xxx:~/k8s/storage/pvc_pv$ kubectl apply -f nginx.yaml
deployment.apps/nginx-deployment created
sunny@xxx:~/k8s/storage/pvc_pv$ kubectl get pod -o wide
NAME                                READY   STATUS    RESTARTS   AGE   IP              NODE                     NOMINATED NODE   READINESS GATES
nginx-deployment-574dc457cf-8ds25   1/1     Running   0          53s   10.244.96.163   r05u36-nex-wvie-spr-cd   <none>           <none>
nginx-deployment-574dc457cf-fnn9z   1/1     Running   0          53s   10.244.2.220    r05u30-nex-wvie-spr-cd   <none>           <none>
nginx-deployment-574dc457cf-h4kkk   1/1     Running   0          53s   10.244.96.162   r05u36-nex-wvie-spr-cd   <none>           <none>

在NFS服务器对应的路径上创建一个index.html文件，供Nginx使用，


sunny@r05u30-nex-wvie-spr-cd:~/nfs/root$ pwd
/home/sunny/nfs/root
sunny@r05u30-nex-wvie-spr-cd:~/nfs/root$ cat index.html
Hello Nginx with PV/PVC.
sunny@r05u30-nex-wvie-spr-cd:~/nfs/root$

由于3个Nginx Pod都关联到了同一个NFS路径，所以通过任何一个Pod都能访问到相同的index.html。如果Pod扩容，新的Pod使用的也是相同的NFS路径，所以这里就非常容易的实现了数据和代码的分离，无论代码部署到哪里，无论代码如何改变，数据都是统一存储的。


sunny@xxx:~/k8s/storage/pvc_pv$ wget 10.244.2.220
--2024-03-21 01:45:21--  http://10.244.2.220/
Connecting to 10.244.2.220:80... connected.
HTTP request sent, awaiting response... 200 OK
Length: 25 [text/html]
Saving to: ‘index.html’
 
index.html                                        100%[===========================================================================================================>]      25  --.-KB/s    in 0s
 
2024-03-21 01:45:21 (1.68 MB/s) - ‘index.html’ saved [25/25]
 
sunny@xxx:~/k8s/storage/pvc_pv$ cat index.html
Hello Nginx with PV/PVC.
sunny@xxx:~/k8s/storage/pvc_pv$ wget 10.244.96.163
--2024-03-21 01:47:36--  http://10.244.96.163/
Connecting to 10.244.96.163:80... connected.
HTTP request sent, awaiting response... 200 OK
Length: 25 [text/html]
Saving to: ‘index.html.1’
 
index.html.1                                      100%[===========================================================================================================>]      25  --.-KB/s    in 0s
 
2024-03-21 01:47:36 (79.9 KB/s) - ‘index.html.1’ saved [25/25]
 
sunny@xxx:~/k8s/storage/pvc_pv$ cat index.html
Hello Nginx with PV/PVC.

StorageClass/PVC

PV/PVC确实能实现几乎所有存储的统一访问，但有一个问题是PV需要由管理员事先创建好，如果创建PVC的时候没有可用的PV，则PVC的状态会一直是Pending。不同的Pod可能需要不同规格和类型的PV，管理员需要创建和维护数量巨大的PV，这无疑是增加了K8S集群管理员的负担。

StorageClass可以解决上面的问题。当我们在创建PVC的时候可以指定一个StorageClass，PVC在创建过程中会根据StorageClass的描述自动创建需要的PV，不用管理员手动创建。

以下是StorageClass/PVC的关系图，

下面通过NFS来介绍StorageClass/PVC的使用，

搭建K8S和NFS参考上面内容。

StorageClass通过Provisioner来创建PV，Provisioner有很多，不同的存储类别有不同的实现，是第三方的组件。Provisioner要创建PV，意味着其能访问K8S集群，需要为其分配权限。

创建RBAC（Role Based Access Control），rbac.yaml，


apiVersion: v1
kind: Namespace
metadata:
  name: nginxns
---
apiVersion: v1
kind: ServiceAccount
metadata:
  name: nfs-client-provisioner
  namespace: nginxns
---
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: managed-run-nfs-client-provisioner
subjects:
  - kind: ServiceAccount
    name: nfs-client-provisioner
    namespace: nginxns
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: nginxns
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
  namespace: nginxns
subjects:
  - kind: ServiceAccount
    name: nfs-client-provisioner
    # replace with namespace where provisioner is deployed
    namespace: nginxns
roleRef:
  kind: Role
  name: leader-locking-nfs-client-provisioner
  apiGroup: rbac.authorization.k8s.io


sunny@xxxx:~/k8s/storage/storageclass$ kubectl apply -f rbac.yaml
namespace/nginxns created
serviceaccount/nfs-client-provisioner created
clusterrole.rbac.authorization.k8s.io/nfs-client-provisioner-runner created
clusterrolebinding.rbac.authorization.k8s.io/managed-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

创建Storage Class, storage_class.yaml，这里会定义storage class名称，在创建PVC的时候会使用，以及与之关联的provisioner，


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


sunny@xxx:~/k8s/storage/storageclass$ kubectl apply -f storage_class.yaml
storageclass.storage.k8s.io/managed-nfs-storage created
sunny@r05u30-nex-wvie-spr-cd:~/k8s/storage/storageclass$

创建 NFS provisioner，nfs-provisioner.yaml，这里面会指定provisioner名称，NFS地址，路径，serviceAccountName等，


apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: nfs-client-provisioner
  labels:
    app: nfs-client-provisioner
  namespace: nginxns
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: quay.io/external_storage/nfs-client-provisioner:latest
          image: gcr.io/k8s-staging-sig-storage/nfs-subdir-external-provisioner:v4.0.0
          volumeMounts:
            - name: nfs-client-root
              mountPath: /persistentvolumes
          env:
            - name: PROVISIONER_NAME
              value: provisioner-nfs-storage
            - name: NFS_SERVER
              value: 192.168.126.16
            - name: NFS_PATH
              value: /home/sunny/nfs/root
      volumes:
        - name: nfs-client-root
          nfs:
            server: 192.168.126.16
            path: /home/sunny/nfs/root


sunny@xxx:~/k8s/storage/storageclass$ kubectl apply -f nfs-provisioner.yaml
deployment.apps/nfs-client-provisioner created

创建PVC，pvc.yaml，在这里会指定storageClassName，


kind: PersistentVolumeClaim
apiVersion: v1
metadata:
  name: test-claim
  namespace: nginxns
spec:
  accessModes:
    - ReadWriteMany
  storageClassName: managed-nfs-storage
  resources:
    requests:
      storage: 5Mi


sunny@xxx:~/k8s/storage/storageclass$ kubectl apply -f pvc.yaml
persistentvolumeclaim/test-claim created
sunny@xxx:~/k8s/storage/storageclass$ kubectl get pvc -n nginxns
NAME         STATUS   VOLUME                                     CAPACITY   ACCESS MODES   STORAGECLASS          AGE
test-claim   Bound    pvc-03905a65-efe4-4a5d-a10c-f5b50f026c4c   5Mi        RWX            managed-nfs-storage   12s
sunny@xxx:~/k8s/storage/storageclass$ kubectl get pv -n nginxns
NAME                                       CAPACITY   ACCESS MODES   RECLAIM POLICY   STATUS   CLAIM                STORAGECLASS          REASON   AGE
pvc-03905a65-efe4-4a5d-a10c-f5b50f026c4c   5Mi        RWX            Delete           Bound    nginxns/test-claim   managed-nfs-storage            41s

创建完PVC以后，可以看到pv也自动创建好了，且NFS根目录下也创建了相关的供PV使用的目录，在该目录中增加index.html，


sunny@xxx:~/nfs/root$ pwd
/home/sunny/nfs/root
sunny@xxx:~/nfs/root$ ll
total 0
drwxrwxrwx 3 sunny  sunny   73 Mar 21 02:30 ./
drwxrwxrwx 3 sunny  sunny   18 Mar 20 02:06 ../
drwxrwxrwx 2 nobody nogroup  6 Mar 21 02:30 nginxns-test-claim-pvc-03905a65-efe4-4a5d-a10c-f5b50f026c4c/
sunny@xxx:~/nfs/root$ cd nginxns-test-claim-pvc-03905a65-efe4-4a5d-a10c-f5b50f026c4c/
sunny@xxx:~/nfs/root/nginxns-test-claim-pvc-03905a65-efe4-4a5d-a10c-f5b50f026c4c$ cat index.html
Hello Storage Class.

创建Nginx，nginx.yaml，


apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: nginx-deployment-storageclass
  namespace: nginxns
spec:
  selector:
    matchLabels:
      app: nginx-storageclass
  replicas: 3
  template:
    metadata:
      labels:
        app: nginx-storageclass
    spec:
      containers:
      - name: nginx
        image: nginx:1.14.2
        imagePullPolicy: IfNotPresent
        volumeMounts:
        - name: html
          mountPath: /usr/share/nginx/html
        ports:
        - containerPort: 80
      volumes:
        - name: html
          persistentVolumeClaim:
            claimName: test-claim


sunny@xxx:~/k8s/storage/storageclass$ kubectl apply -f nginx.yaml
deployment.apps/nginx-deployment-storageclass created
sunny@xxx:~/k8s/storage/storageclass$ kubectl get pod -n nginxns -o wide
NAME                                             READY   STATUS    RESTARTS   AGE   IP              NODE                     NOMINATED NODE   READINESS GATES
nfs-client-provisioner-7c5d5f57b-shrd8           1/1     Running   0          37m   10.244.96.164   r05u36-nex-wvie-spr-cd   <none>           <none>
nginx-deployment-storageclass-86bb9496f8-5mpvg   1/1     Running   0          18s   10.244.2.221    r05u30-nex-wvie-spr-cd   <none>           <none>
nginx-deployment-storageclass-86bb9496f8-c8zbp   1/1     Running   0          18s   10.244.96.166   r05u36-nex-wvie-spr-cd   <none>           <none>
nginx-deployment-storageclass-86bb9496f8-z4sxm   1/1     Running   0          18s   10.244.96.165   r05u36-nex-wvie-spr-cd   <none>           <none>

访问Pod，


sunny@xxx:~/k8s/storage/storageclass$ wget 10.244.2.221
--2024-03-21 03:06:12--  http://10.244.2.221/
Connecting to 10.244.2.221:80... connected.
HTTP request sent, awaiting response... 200 OK
Length: 21 [text/html]
Saving to: ‘index.html’
 
index.html                                        100%[===========================================================================================================>]      21  --.-KB/s    in 0s
 
2024-03-21 03:06:12 (53.6 KB/s) - ‘index.html’ saved [21/21]
 
sunny@xxx:~/k8s/storage/storageclass$ cat index.html
Hello Storage Class.

StorageClass确实能自动创建PV，减少管理员准备PV的工作，但是我们也发现StorageClass的配置多了不少，需要定义RBAC，StorageClass等资源对象，需要创建provisioner这个额外的Pod等。所以，如果在一些复杂场景下需要频繁创建和维护PV，我们可以使用StorageClass + PVC的模来使用存储，如果在一些简单的场景下只需要一些固定的PV，我们可以使用PV + PVC的模式来使用存储。

CSI

在 Kubernetes 中，存储插件的开发主要有以下几种方式：

CSI插件：Container Storage Interface (CSI) 是 Kubernetes 的标准插件接口，是全新的插件方案，插件和驱动调用通过grpc协议，功能丰富，支持存储卷动态提供、快速、动态扩容等等。
FlexVolume插件：FlexVolume 是 Kubernetes 的早期存储插件接口之一，它提供了一个简单的接口，但局限性却很大，用于将存储驱动程序接入到 Kubernetes 中。通过实现 FlexVolume 接口，可以将各种存储系统接入到 Kubernetes 集群中，包括 NFS、GlusterFS、Ceph 等等。
in-tree插件：in-tree 存储插件是 Kubernetes 的早期存储插件接口之一，它将存储驱动程序嵌入到 Kubernetes 主体代码库中。in-tree 插件可以实现对本地存储、NFS、iSCSI 等存储系统的支持。不过，由于 in-tree 插件需要嵌入到 Kubernetes 主体代码库中，因此对于插件开发者而言，维护成本较高，并且需要适应 Kubernetes 主体代码库的版本变化。

CSI 全称 Container Storage Interface，是容器编排系统（CO）如k8s等扩展容器存储的一种实现方式，基于gRPC实现，是当前主流的存储扩展方式。为什么会使用CSI？首先，CSI 可以满足不同编排系统的需求，除了k8s，还可以比如 Mesos，Swarm。其次，CSI 是容器化部署，可以减少环境依赖，增强安全性，丰富插件的功能。CSI 的设计思想，把插件的职责从之前讲的 “两阶段处理”，扩展成了 Provision、Attach 和 Mount 三个阶段。

CSI 主要包含两个部分：CSI Controller Server 与 CSI Node Server。

Controller Server 是控制端的功能，负责将卷与具体节点进行配置，每个集群中只需要有一个Controller提供服务。
Node Server 负责k8s负载节点上的卷配置，每个节点都有一个Node提供服务。

CSI部署架构，

参考：

CSI规范

k8s-编写CSI插件

CSI 插件开发简介

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