pv与pvc实现

简介

简介
为何引入PV、PVC以及StorageClass？——远程存储访问优化
Persistent Volume（PV）和 Persistent Volume Claim（PVC）
- pv
- pv&pvc绑定
K8s 持久化存储流程
Storage Classes——自动创建pv
volume 插件设计
ConfigMap

与CPU 和 Mem 这些资源相比，“存储”对k8s 来说更像是“外设”，k8s 提供统一的“总线”接入。Kata Containers 创始人带你入门安全容器技术OCI规范规定了容器之中应用被放到什么样的环境下、如何运行，比如说容器的根文件系统上哪个可执行文件会被执行，是用什么用户执行，需要什么样的 CPU，有什么样的内存资源、外置存储，还有什么样的共享需求等等。

为何引入PV、PVC以及StorageClass？——远程存储访问优化

容器中的文件在磁盘上是临时存放的，这给容器中运行的特殊应用程序带来一些问题。首先，当容器崩溃时，kubectl 将重新启动容器，容器中的文件将会丢失。其次，当在一个 Pod 中同时运行多个容器时，常常需要在这些容器之间共享文件。Kubernetes 抽象出 Volume 对象来解决这两个问题。但是，当一个 Pod 不再存在时，Volume 也将不再存在。因此，Kubernetes 引入了 Persistent Volumes (PV)。PV 是集群中一块已经由管理员配置或使用 StorageClass 动态配置的存储。

Kubernetes云原生开源分布式存储介绍早期Pod使用Volume的写法

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
labels:
    role: web-frontend
spec:
containers:
- name: web
    image: nginx
    ports:
    - name: web
        containerPort: 80
    volumeMounts:
        - name: ceph
        mountPath: "/usr/share/nginx/html"
volumes:
- name: ceph
	capacity:
	  storage: 10Gi
    cephfs:
      monitors:
	  - 172.16.0.1:6789
	  - 172.16.0.2:6789
	  - 172.16.0.3:6789
	  path: /ceph
      user: admin
	  secretRef:
	    name: ceph-secret

这种方式至少存在两个问题：

Pod声明与底层存储耦合在一起，每次声明Volume都需要配置存储类型以及该存储插件的一堆配置，如果是第三方存储，配置会非常复杂。
开发人员的需求可能只是需要一个20GB的卷，这种方式却不得不强制要求开发人员了解底层存储类型和配置。

于是引入了PV（Persistent Volume），PV其实就是把Volume的配置声明部分从Pod中分离出来，PV的spec部分几乎和前面Pod的Volume定义部分是一样的由运维人员事先创建在 Kubernetes 集群里待用

apiVersion: v1
kind: PersistentVolume
metadata: 
  name: cephfs-pv
spec:
  capacity:
  	storage: 10Gi
  cephfs:
  	monitors:
  	- 172.16.0.1:6789
  	- 172.16.0.2:6789
  	- 172.16.0.3:6789
  	path: /ceph_storage
  	user: admin
  	secretRef:
  	  name: ceph-secret

有了PV，在Pod中就可以不用再定义Volume的配置了，直接引用即可。但是这没有解决Volume定义的第二个问题，存储系统通常由运维人员管理，开发人员并不知道底层存储配置，也就很难去定义好PV。为了解决这个问题，引入了PVC（Persistent Volume Claim），声明与消费分离，开发与运维责任分离。

kind:PersistentVolumeClaim
apiVersion:v1
metadata:
  name: cephfs-pvc
spec:
  accessModes:
  - ReadWriteMany
  resources:
    requests:
	    storage: 8Gi

通过 kubectl get pv 命令可看到 PV 和 PVC 的绑定情况

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
labels:
    role: web-frontend
spec:
containers:
- name: web
    image: nginx
    ports:
    - name: web
        containerPort: 80
    volumeMounts:
       - name: cephfs-volume
       mountPath: "/usr/share/nginx/html"
volumes:
- name: cephfs-volume
    persistentVolumeClaim:
        claimName: cephfs-pvc

运维人员负责存储管理，可以事先根据存储配置定义好PV，而开发人员无需了解底层存储配置，只需要通过PVC声明需要的存储类型、大小、访问模式等需求即可，然后就可以在Pod中引用PVC，完全不用关心底层存储细节。

PS：感觉上，在Pod的早期，以Pod 为核心，Pod 运行所需的资源都定义在Pod yaml 中，导致Pod 越来越臃肿。后来，Kubernetes 集群中出现了一些与Pod 生命周期不一致的资源，并单独管理。 Pod 与他们更多是引用关系，而不是共生关系了。

Persistent Volume（PV）和 Persistent Volume Claim（PVC）

Kubernetes Storage

一文读懂 K8s 持久化存储流程

PVC 和 PV 的设计，其实跟“面向对象”的思想完全一致。PVC 可以理解为持久化存储的“接口”，它提供了对某种持久化存储的描述，但不提供具体的实现；而这个持久化存储的实现部分则由 PV 负责完成。这样做的好处是，作为应用开发者，我们只需要跟 PVC 这个“接口”打交道，而不必关心具体的实现是 NFS 还是 Ceph

pv

创建方式

集群管理员通过手动方式静态创建应用所需要的 PV；
用户手动创建 PVC 并由 External Provisioner 组件动态创建对应的 PV。

pv accessModes：支持三种类型

ReadWriteMany 多路读写，卷能被集群多个节点挂载并读写
ReadWriteOnce 单路读写，卷只能被单一集群节点挂载读写
ReadOnlyMany 多路只读，卷能被多个集群节点挂载且只能读

pv ReclaimPolicy 当与之关联的PVC被删除以后，这个PV中的数据如何被处理

Retain 当删除与之绑定的PVC时候，这个PV被标记为released（PVC与PV解绑但还没有执行回收策略）且之前的数据依然保存在该PV上，但是该PV不可用，需要手动来处理这些数据并删除该PV。
Delete 待补充

pv&pvc绑定

PVC、PV 的一些属性：

PVC 和 PV 总是成对出现的，PVC 必须与 PV 绑定后才能被应用（Pod）消费；
PVC 和 PV 是一一绑定关系，不存在一个 PV 被多个 PVC 绑定，或者一个 PVC 绑定多个 PV 的情况；
消费关系上：Pod 消费 PVC，PVC 消费 PV，而 PV 定义了具体的存储介质。

这个PVC就会和上面的PV进行绑定，为什么呢？它有一些原则。PS：有点为pod 找到能够运行的node 的意思

PV和pvc中的spec关键字段要匹配，比如存储（storage）大小。
pv和pvc中的storageClassName字段必须一致
当pv的容量大于pvc的需求时,pvc可以成功自动绑定pv;
当pv的容量小于pvc的需求时,pvc无法绑定该pv;
pv和pvc的绑定关系是一一对应的.
pv/pvc的创建顺序是:pv -> pvc -> pod
pv/pvc的销毁顺序是:pod -> pvc -> pv,顺序一定不要错

K8s 持久化存储流程

详解 Kubernetes Volume 的实现原理集群中的每一个卷在被 Pod 使用时都会经历四个操作，也就是附着（Attach）、挂载（Mount）、卸载（Unmount）和分离（Detach）。如果 Pod 中使用的是 EmptyDir、HostPath 这种类型的卷，那么这些卷并不会经历附着和分离的操作，它们只会被挂载和卸载到某一个的 Pod 中。

Volume 的创建和管理在 Kubernetes 中主要由卷管理器 VolumeManager 和 AttachDetachController 和 PVController 三个组件负责。

VolumeManager 在 Kubernetes 集群中的每一个节点（Node）上的 kubelet 启动时都会运行一个 VolumeManager Goroutine，它会负责在当前节点上的 Pod 和 Volume 发生变动时对 Volume 进行挂载和卸载等操作。
AttachDetachController 主要负责对集群中的卷进行 Attach 和 Detach
1. 让卷的挂载和卸载能够与节点的可用性脱离；一旦节点或者 kubelet 宕机，附着（Attach）在当前节点上的卷应该能够被分离（Detach），分离之后的卷就能够再次附着到其他节点上；
2. 保证云服务商秘钥的安全；如果每一个 kubelet 都需要触发卷的附着和分离逻辑，那么每一个节点都应该有操作卷的权限，但是这些权限应该只由主节点掌握，这样能够降低秘钥泄露的风险；
3. 提高卷附着和分离部分代码的稳定性；
PVController 负责处理持久卷的变更。一文读懂 K8s 持久化存储流程

流程如下（本质还是先将nfs mount到本地）：

用户创建了一个包含 PVC 的 Pod，该 PVC 要求使用动态存储卷；
Scheduler 根据 Pod 配置、节点状态、PV 配置等信息，把 Pod 调度到一个合适的 Worker 节点上；
PV 控制器 watch 到该 Pod 使用的 PVC 处于 Pending 状态，于是调用 Volume Plugin（in-tree）创建存储卷，并创建 PV 对象（out-of-tree 由 External Provisioner 来处理）；
AD 控制器发现 Pod 和 PVC 处于待挂接状态，于是调用 Volume Plugin 挂接存储设备到目标 Worker 节点上
在 Worker 节点上，Kubelet 中的 Volume Manager 等待存储设备挂接完成，并通过 Volume Plugin 将设备挂载到全局目录：/var/lib/kubelet/pods/[pod uid]/volumes/kubernetes.io~iscsi/[PV name]（以 iscsi 为例）；PS：本质还是一个host目录
Kubelet 通过 Docker 启动 Pod 的 Containers，用 bind mount 方式将已挂载到本地全局目录的卷映射到容器中。

在 Kubernetes 中，实际上存在着一个专门处理持久化存储的控制器，叫作 Volume Controller。这个Volume Controller 维护着多个控制循环，其中有一个循环，扮演的就是撮合 PV 和 PVC 的“红娘”的角色。它的名字叫作 PersistentVolumeController

Kubernetes 中 PV 和 PVC 的状态变化 |操作| PV 状态| PVC 状态| |—|—|—| |创建 PV| Available| -| |创建 PVC| Available| Pending| || Bound| Bound| |删除 PV| -/Terminating| Lost/Bound| |重新创建 PV| Bound| Bound| |删除 PVC| Released| -| |后端存储不可用| Failed| -| |删除 PV 的 claimRef| Available| -|

Storage Classes——自动创建pv

k8s PV、PVC、StorageClass 的关系前面我们人工管理 PV 的方式就叫作 Static Provisioning。一个大规模的 Kubernetes 集群里很可能有成千上万个 PVC，这就意味着运维人员必须得事先创建出成千上万个 PV。更麻烦的是，随着新的 PVC 不断被提交，运维人员就不得不继续添加新的、能满足条件的 PV，否则新的 Pod 就会因为 PVC 绑定不到 PV 而失败。在实际操作中，这几乎没办法靠人工做到。所以，Kubernetes 为我们提供了一套可以自动创建 PV 的机制，即：Dynamic Provisioning。

举一个需求的例子：对于分布式机器学习训练任务，由多个worker/pod组成，worker 之间需要共享读写一些文件，且训练任务完成后文件就没用了，此时每个训练任务都需要一个pv，这就到导致无法预先创建好所有的pv（因为任务是算法人员提交才创建的）。

Kubernetes Storage Classes动态存储卷供应使用StorageClass进行实现，其允许pv按需被创建。如果没有动态存储供应，Kubernetes集群的管理员将不得不通过手工的方式类创建新的pv。

回收策略，reclaimPolicy： Delete 或者 Retain
允许卷扩展，此功能设置为 true 时，允许用户通过编辑相应的 PVC 对象来调整卷大小。
挂载选项，mountOptions
卷绑定模式
允许的拓扑结构

volume 插件设计

ConfigMap

ConfigMap 资源用来保存key-value配置数据，这个数据可以在pods里使用，或者被用来为像controller一样的系统组件存储配置数据。
yaml data 包括了配置数据，ConfigMap中的每个data项都会成为一个新文件。每个data 项可以用来保存单个属性，也可以用来保存一个配置文件。

apiVersion: v1
kind: ConfigMap
metadata:
  name: special-config
  namespace: default
data:
  SPECIAL_LEVEL: very
  SPECIAL_TYPE: charm
  demo.yaml: |
    abc: 123
    edf: 456
---
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
spec:
  ...
  replicas: 1
  template:
    metadata:
      labels:
        app: nginx
    spec:
      containers:
      - name: nginx
        ...
        volumeMounts:
        - name: config-volume
          mountPath: /etc/config
      volumes:
      - name: config-volume
        configMap:
          name: special-config

查看执行结果

root@nginx-deployment-6576c57d87-4vmk4:/etc/config# ls -al
total 12
drwxrwxrwx 3 root root 4096 Nov  9 06:06 .
drwxr-xr-x 1 root root 4096 Nov  9 04:00 ..
drwxr-xr-x 2 root root 4096 Nov  9 06:06 ..2020_11_09_06_06_22.828693221
lrwxrwxrwx 1 root root   31 Nov  9 06:06 ..data -> ..2020_11_09_06_06_22.828693221
lrwxrwxrwx 1 root root   20 Nov  9 03:56 SPECIAL_LEVEL -> ..data/SPECIAL_LEVEL
lrwxrwxrwx 1 root root   19 Nov  9 03:56 SPECIAL_TYPE -> ..data/SPECIAL_TYPE
lrwxrwxrwx 1 root root   16 Nov  9 06:06 demo.yaml -> ..data/demo.yaml

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RPC 6

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Architecture 20

DDD 6

Reactive 5

Basic 13

Product 3

Monitor 7

CPP 2

Mesh 12

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