【云原生】k8s之存储卷

容器磁盘上的文件的生命周期是短暂的，这就使得在容器中运行重要应用时会出现一些问题。首先，当容器崩溃时，kubelet 会重启它，但是容器中的文件将丢失——容器以干净的状态（镜像最初的状态）重新启动。其次，在Pod中同时运行多个容器时，这些容器之间通常需要共享文件。Kubernetes 中的Volume抽象就很好的解决了这些问题。Pod中的容器通过Pause容器共享Volume。 
 

1.emptyDir存储卷 

 当Pod被分配给节点时，首先创建emptyDir卷，并且只要该Pod在该节点上运行，该卷就会存在。正如卷的名字所述，它最初是空的。Pod 中的容器可以读取和写入emptyDir卷中的相同文件，尽管该卷可以挂载到每个容器中的相同或不同路径上。当出于任何原因从节点中删除 Pod 时，emptyDir中的数据将被永久删除。

 emptyDir可实现Pod中的容器之间共享目录数据，但是emptyDir卷不能持久化数据，会随着Pod生命周期结束而一起删除。
 

mkdir /opt/volumes
cd /opt/volumes
 
vim pod-emptydir.yaml 
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: pod-emptydir
  namespace: default
  labels:
    app: myapp
    tier: frontend
spec:
  containers:
  - name: myapp
    image: nginx:1.14
    imagePullPolicy: IfNotPresent
    ports:
    - name: http
      containerPort: 80
    #定义容器挂载内容
    volumeMounts:
    #使用的存储卷名称，如果跟下面volume字段name值相同，则表示使用volume的这个存储卷
    - name: html
      #挂载至容器中哪个目录
      mountPath: /usr/share/nginx/html/
  - name: busybox
    image: busybox:latest
    imagePullPolicy: IfNotPresent
    volumeMounts:
    - name: html
      #在容器内定义挂载存储名称和挂载路径
      mountPath: /data/
    command: ['/bin/sh','-c','while true;do echo $(date) >> /data/index.html;sleep 2;done']
  #定义存储卷
  volumes:
  #定义存储卷名称  
  - name: html
    #定义存储卷类型
    emptyDir: {}
    
    
kubectl apply -f pod-emptydir.yaml

2.hostPath存储卷

hostPath卷将 node 节点的文件系统中的文件或目录挂载到集群中。
hostPath可以实现持久存储，但是在node节点故障时，也会导致数据的丢失 

把Node节点上的目录/文件挂载到容器中，可实现持久化数据存储。但是存储空间会受到Node节点的单机限制，Node节点故障数据就会丢失，且Pod不能实现跨节点共享数据 

创建步骤演示：

//在 node01 节点上创建挂载目录
mkdir -p /data/pod/volume1
echo 'this is node01' > /data/pod/volume1/index.html
 
//在 node02 节点上创建挂载目录
mkdir -p /data/pod/volume1
echo 'this is node02' > /data/pod/volume1/index.html
 
//创建 Pod 资源
vim pod-hostpath.yaml
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: pod-hostpath
  namespace: default
spec:
  containers:
  - name: myapp
    image: ikubernetes/myapp:v1
    #定义容器挂载内容
    volumeMounts:
    #使用的存储卷名称，如果跟下面volume字段name值相同，则表示使用volume的这个存储卷
    - name: html
      #挂载至容器中哪个目录
      mountPath: /usr/share/nginx/html
      #读写挂载方式，默认为读写模式false
      readOnly: false
  #volumes字段定义了paues容器关联的宿主机或分布式文件系统存储卷
  volumes:
    #存储卷名称
    - name: html
      #路径，为宿主机存储路径
      hostPath:
        #在宿主机上目录的路径
        path: /data/pod/volume1
        #定义类型，这表示如果宿主机没有此目录则会自动创建
        type: DirectoryOrCreate
 
 
kubectl apply -f pod-hostpath.yaml

3.nfs共享存储卷

使用nfs服务将共享存储设备空间挂载到容器中，可实现持久化数据存储，且Pod能实现跨节点共享数据

//在stor01节点上安装nfs，并配置nfs服务
mkdir /data/volumes -p
chmod 777 /data/volumes
 
vim /etc/exports
/data/volumes 192.168.73.0/24(rw,no_root_squash)
 
systemctl start rpcbind
systemctl start nfs
 
showmount -e
Export list for stor01:
/data/volumes 192.168.73.0/24
 
 
//master节点操作
vim pod-nfs-vol.yaml
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: pod-vol-nfs
  namespace: default
spec:
  containers:
  - name: myapp
    image: ikubernetes/myapp:v1
    volumeMounts:
    - name: html
      mountPath: /usr/share/nginx/html
  volumes:
    - name: html
      nfs:
        path: /data/volumes
        server: stor01
 
 
kubectl apply -f pod-nfs-vol.yaml

 4. PVC 和 PV的静态存储卷

4.1 pv和pvc的介绍 

PV 全称叫做 Persistent Volume，持久化存储卷。它是用来描述或者说用来定义一个存储卷的，这个通常都是由运维工程师来定义。

PVC 的全称是 Persistent Volume Claim，是持久化存储的请求。它是用来描述希望使用什么样的或者说是满足什么条件的 PV 存储。

PVC 的使用逻辑：在 Pod 中定义一个存储卷（该存储卷类型为 PVC），定义的时候直接指定大小，PVC 必须与对应的 PV 建立关系，PVC 会根据配置的定义去 PV 申请，而 PV 是由存储空间创建出来的。PV 和 PVC 是 Kubernetes 抽象出来的一种存储资源。
 

PV是集群中的资源。 PVC是对这些资源的请求，也是对资源的索引检查。 

4.2 pvc 和pv的创建过程及销毁过程

PV和PVC之间的相互作用遵循这个生命周期：

Provisioning（配置）---> Binding（绑定）---> Using（使用）---> Releasing（释放） ---> Recycling（回收）

 ●Provisioning，即 PV 的创建，可以直接创建 PV（静态方式），也可以使用 StorageClass 动态创建
●Binding，将 PV 分配给 PVC
●Using，Pod 通过 PVC 使用该 Volume，并可以通过准入控制StorageProtection（1.9及以前版本为PVCProtection） 阻止删除正在使用的 PVC
●Releasing，Pod 释放 Volume 并删除 PVC
●Recycling，回收 PV，可以保留 PV 以便下次使用，也可以直接从云存储中删除

根据这 5 个阶段，PV 的状态有以下 4 种：
●Available（可用）：表示可用状态，还未被任何 PVC 绑定
●Bound（已绑定）：表示 PV 已经绑定到 PVC
●Released（已释放）：表示 PVC 被删掉，但是资源尚未被集群回收
●Failed（失败）：表示该 PV 的自动回收失败

 一个PV从创建到销毁的具体流程如下：

一个PV创建完后状态会变成Available，等待被PVC绑定。
一旦被PVC邦定，PV的状态会变成Bound，就可以被定义了相应PVC的Pod使用。
Pod使用完后会释放PV，PV的状态变成Released。
变成Released的PV会根据定义的回收策略做相应的回收工作。有三种回收策略，Retain、Delete和Recycle。Retain就是保留现场，K8S集群什么也不做，等待用户手动去处理PV里的数据，处理完后，再手动删除PV。Delete策略，K8S会自动删除该PV及里面的数据。Recycle方式，K8S会将PV里的数据删除，然后把PV的状态变成Available，又可以被新的PVC绑定使用。
 

4.3 对pv的操作指导

kubectl explain pv    #查看pv的定义方式
FIELDS:
    apiVersion: v1
    kind: PersistentVolume
    metadata:    #由于 PV 是集群级别的资源，即 PV 可以跨 namespace 使用，所以 PV 的 metadata 中不用配置 namespace
      name: 
    spec
    
kubectl explain pv.spec    #查看pv定义的规格
spec:
  nfs:（定义存储类型）
    path:（定义挂载卷路径）
    server:（定义服务器名称）
  accessModes:（定义访问模型，有以下三种访问模型，以列表的方式存在，也就是说可以定义多个访问模式）
    - ReadWriteOnce          #（RWO）存储可读可写，但只支持被单个 Pod 挂载
    - ReadOnlyMany           #（ROX）存储可以以只读的方式被多个 Pod 挂载
    - ReadWriteMany          #（RWX）存储可以以读写的方式被多个 Pod 共享
#nfs 支持全部三种；iSCSI 不支持 ReadWriteMany（iSCSI 就是在 IP 网络上运行 SCSI 协议的一种网络存储技术）；HostPath 不支持 ReadOnlyMany 和 ReadWriteMany。
  capacity:（定义存储能力，一般用于设置存储空间）
    storage: 2Gi （指定大小）
  storageClassName: （自定义存储类名称，此配置用于绑定具有相同类别的PVC和PV）
  persistentVolumeReclaimPolicy: Retain    #回收策略（Retain/Delete/Recycle）
#Retain（保留）：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（删除）：删除与PV相连的后端存储资源（只有 AWS EBS, GCE PD, Azure Disk 和 Cinder 支持）
#Recycle（回收）：删除数据，效果相当于执行了 rm -rf /thevolume/* （只有 NFS 和 HostPath 支持）
 
kubectl explain pvc   #查看PVC的定义方式
KIND:     PersistentVolumeClaim
VERSION:  v1
FIELDS:
   apiVersion    <string>
   kind    <string>  
   metadata    <Object>
   spec    <Object>
 
#PV和PVC中的spec关键字段要匹配，比如存储（storage）大小、访问模式（accessModes）、存储类名称（storageClassName）
kubectl explain pvc.spec
spec:
  accessModes: （定义访问模式，必须是PV的访问模式的子集）
  resources:
    requests:
      storage: （定义申请资源的大小）
  storageClassName: （定义存储类名称，此配置用于绑定具有相同类别的PVC和PV）

4.4 静态创建pv和pvc资源由pod运用过程

 如图所示我们将选择一台k8s集群之外的服务器作为NFS共享存储服务器，并且按照图中的规格

创建pv，再由k8s集群创建pv资源和pvc资源，最后将其挂载在pod上进行使用

步骤一：在NFS主机上创建共享目录，并且进行exportfs发布 

#创建共享目录
mkdir -p /data/vulumes/v{1..5}
#进行exports共项目录的编辑
vim /etc/exports
/data/vulumes/v1 192.168.73.0/24(rw,sync,no_root_squash)
/data/vulumes/v2 192.168.73.0/24(rw,sync,no_root_squash)
/data/vulumes/v3 192.168.73.0/24(rw,sync,no_root_squash)
/data/vulumes/v4 192.168.73.0/24(rw,sync,no_root_squash)
/data/vulumes/v5 192.168.73.0/24(rw,sync,no_root_squash)
#发布共享目录
exportfs -avf

步骤二：在master主机编写pv资源创建yaml 

showmounte -e 192.168.50.32

vim pv-demo.yaml
---
apiVersion: v1
kind: PersistentVolume
metadata:
  name: pv0001
spec:
  capacity:
    storage: 1Gi
  volumeMode: Filesystem
  accessModes:
    - ReadWriteOnce
    - ReadWriteMany
  persistentVolumeReclaimPolicy: Recycle
  nfs:
    path: /data/vulumes/v1
    server: 192.168.50.32
---
apiVersion: v1
kind: PersistentVolume
metadata:
  name: pv0002
spec:
  capacity:
    storage: 2Gi
  volumeMode: Filesystem
  accessModes:
    - ReadWriteOnce
  persistentVolumeReclaimPolicy: Recycle
  nfs:
    path: /data/vulumes/v2
    server: 192.168.50.32
---
apiVersion: v1
kind: PersistentVolume
metadata:
  name: pv0003
spec:
  capacity:
    storage: 2Gi
  volumeMode: Filesystem
  accessModes:
    - ReadWriteOnce
    - ReadWriteMany
  persistentVolumeReclaimPolicy: Recycle
  nfs:
    path: /data/vulumes/v3
    server: 192.168.50.32
---
apiVersion: v1
kind: PersistentVolume
metadata:
  name: pv0004
spec:
  capacity:
    storage: 4Gi
  volumeMode: Filesystem
  accessModes:
    - ReadWriteOnce
    - ReadWriteMany
  persistentVolumeReclaimPolicy: Recycle
  nfs:
    path: /data/vulumes/v4
    server: 192.168.50.32
---
apiVersion: v1
kind: PersistentVolume
metadata:
  name: pv0005
spec:
  capacity:
    storage: 5Gi
  volumeMode: Filesystem
  accessModes:
    - ReadWriteOnce
    - ReadWriteMany
  persistentVolumeReclaimPolicy: Recycle
  nfs:
    path: /data/vulumes/v5
    server: 192.168.50.32
 
kubectl apply -f pv-demo.yaml

步骤三：创建pvc资源，并且设置匹配绑定相应的pv 

vim pvc-demo.yaml
 
apiVersion: v1
kind: PersistentVolumeClaim
metadata:
  name: myclaim
spec:
  accessModes:
    - ReadWriteMany
  resources:
    requests:
      storage: 2Gi
 
kubectl apply -f pvc-demo.yaml

步骤四：创建pod，挂载共享卷，并且进行共享目录写入测试 

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: mypod
spec:
  containers:
    - name: myapp
      image: nginx:1.14
      volumeMounts:
      - mountPath: "/usr/share/nginx/html"
        name: mypd
  volumes:
    - name: mypd
      persistentVolumeClaim:
        claimName: myclaim
 
kubectl apply -f pod-demo.yaml 

  5. StorageClass + nfs-client-provisioner搭建动态创建pv

5.1  StorageClass + nfs-client-provisioner的理解

上面介绍的PV和PVC模式是需要运维人员先创建好PV，然后开发人员定义好PVC进行一对一的Bond，但是如果PVC请求成千上万，那么就需要创建成千上万的PV，对于运维人员来说维护成本很高，Kubernetes提供一种自动创建PV的机制，叫StorageClass，它的作用就是创建PV的模板。

创建 StorageClass 需要定义 PV 的属性，比如存储类型、大小等；另外创建这种 PV 需要用到的存储插件，比如 Ceph 等。 有了这两部分信息，Kubernetes 就能够根据用户提交的 PVC，找到对应的 StorageClass，然后 Kubernetes 就会调用 StorageClass 声明的存储插件，自动创建需要的 PV 并进行绑定。
 

Kubernetes 本身支持的动态 PV 创建不包括 NFS，所以需要使用外部存储卷插件分配PV。详见：https://kubernetes.io/zh/docs/concepts/storage/storage-classes/

卷插件称为 Provisioner（存储分配器），NFS 使用的是 nfs-client，这个外部卷插件会使用已经配置好的 NFS 服务器自动创建 PV。
Provisioner：用于指定 Volume 插件的类型，包括内置插件（如 kubernetes.io/aws-ebs）和外部插件（如 external-storage 提供的 ceph.com/cepfs）。
 

5.2 具体的操作运用 

 步骤一：在stor01节点上安装nfs，并配置nfs服务

mkdir /opt/k8s
chmod 777 /opt/k8s/
 
vim /etc/exports
/opt/k8s 192.168.73.0/24(rw,no_root_squash,sync)
 
systemctl restart nfs

步骤二：创建 Service Account，用来管理 NFS Provisioner 在 k8s 集群中运行的权限和动态规则

vim nfs-client-rbac.yaml
#创建 Service Account 账户，用来管理 NFS Provisioner 在 k8s 集群中运行的权限
apiVersion: v1
kind: ServiceAccount
metadata:
  name: nfs-client-provisioner
---
#创建集群角色
apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1
kind: ClusterRole
metadata:
  name: nfs-client-provisioner-clusterrole    #角色名 
rules:       角色的权限                                            
  - 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: ["list", "watch", "create", "update", "patch"]
  - apiGroups: [""]
    resources: ["endpoints"]
    verbs: ["create", "delete", "get", "list", "watch", "patch", "update"]
---
#集群角色绑定
apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1
kind: ClusterRoleBinding
metadata:
  name: nfs-client-provisioner-clusterrolebinding
subjects:
- kind: ServiceAccount
  name: nfs-client-provisioner            #账号名
  namespace: default
roleRef:
  kind: ClusterRole     
  name: nfs-client-provisioner-clusterrole   #绑定角色名
  apiGroup: rbac.authorization.k8s.io
 
 
kubectl apply -f nfs-client-rbac.yaml

步骤三：使用 Deployment 来创建 NFS Provisioner 

vim /etc/kubernetes/manifests/kube-apiserver.yaml
spec:
  containers:
  - command:
    - kube-apiserver
    - --feature-gates=RemoveSelfLink=false       #添加这一行
    - --advertise-address=192.168.73.105
......
 
kubectl apply -f /etc/kubernetes/manifests/kube-apiserver.yaml
kubectl delete pods kube-apiserver -n kube-system 
kubectl get pods -n kube-system | grep apiserver
 

创建网络插件

#创建 NFS Provisioner
vim nfs-client-provisioner.yaml
kind: Deployment
apiVersion: apps/v1
metadata:
  name: nfs-client-provisioner
spec:
  replicas: 1
  selector:
    matchLabels:
      app: nfs-client-provisioner
  strategy:
    type: Recreate
  template:
    metadata:
      labels:
        app: nfs-client-provisioner
    spec:
      serviceAccountName: nfs-client-provisioner         #指定Service Account账户
      containers:
        - name: nfs-client-provisioner
          image: quay.io/external_storage/nfs-client-provisioner:latest
          imagePullPolicy: IfNotPresent
          volumeMounts:
            - name: nfs-client-root
              mountPath: /persistentvolumes
          env:
            - name: PROVISIONER_NAME
              value: nfs-storage       #配置provisioner的Name，确保该名称与StorageClass资源中的provisioner名称保持一致
            - name: NFS_SERVER
              value: stor01           #配置绑定的nfs服务器
            - name: NFS_PATH
              value: /opt/k8s          #配置绑定的nfs服务器目录
      volumes:              #申明nfs数据卷
        - name: nfs-client-root
          nfs:
            server: stor01
            path: /opt/k8s
    
    
kubectl apply -f nfs-client-provisioner.yaml 

步骤四：创建 StorageClass，负责建立 PVC 并调用 NFS provisioner 进行预定的工作，并让 PV 与 PVC 建立关联
 

vim nfs-client-storageclass.yaml
apiVersion: storage.k8s.io/v1
kind: StorageClass
metadata:
  name: nfs-client-storageclass
provisioner: nfs-storage     #这里的名称要和provisioner配置文件中的环境变量PROVISIONER_NAME保持一致
parameters:
  archiveOnDelete: "false"   #false表示在删除PVC时不会对数据目录进行打包存档，即删除数据；为ture时就会自动对数据目录进行打包存档，存档文件以archived开头
  
  
kubectl apply -f nfs-client-storageclass.yaml

步骤五： 创建 PVC 和 Pod 测试

vim test-pvc-pod.yaml
apiVersion: v1
kind: PersistentVolumeClaim
metadata:
  name: test-nfs-pvc
  #annotations: volume.beta.kubernetes.io/storage-class: "nfs-client-storageclass"     #另一种SC配置方式
spec:
  accessModes:
    - ReadWriteMany
  storageClassName: nfs-client-storageclass    #关联StorageClass对象
  resources:
    requests:
      storage: 1Gi
---
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: test-storageclass-pod
spec:
  containers:
  - name: busybox
    image: busybox:latest
    imagePullPolicy: IfNotPresent
    command:
    - "/bin/sh"
    - "-c"
    args:
    - "sleep 3600"
    volumeMounts:
    - name: nfs-pvc
      mountPath: /mnt
  restartPolicy: Never
  volumes:
  - name: nfs-pvc
    persistentVolumeClaim:
      claimName: test-nfs-pvc      #与PVC名称保持一致
      
      
kubectl apply -f test-pvc-pod.yaml

 

 

静态PV的使用：

1、准备好存储设备和共享目录
2、创建PV资源，配置存储卷类型、访问模式（RWX,RWO,ROX）、存储能力大小
3、创建PVC资源，配置请求PV资源的访问模式和存储大小，绑定PV（一个PV只能绑定一个PVC）
4、创建Pod资源挂载PVC，配置存储卷类型为persistentVolumeClaim，在容器配置中定义存储卷挂载内容

StorageClass 简称 SC 资源 实现动态创建 PV 资源
StorageClass ：可以调用指定的存储卷插件（provisioner），根据PVC的请求内容动态创建PV资源，使PV与PVC绑定
provisioner ：在存储设备上创建PV资源的卷所使用的目录，将PV与卷目录建立关联

StorageClass + nfs-client-provisioner 动态创建PV：
1、准备好NFS服务器和共享目录
2、创建service account服务账户和RBAC授权，使得sa服务账户具有对PV,PVC,SC等资源的操作权限
3、创建nfs-client-provisioner存储卷插件Pod，配置中使用之前授权过的sa服务账户，设置环境变量定义provisioner的名称及NFS服务器地址和共享目录路径
4、创建StorageClass资源，配置中使用之前定义provisioner的名称

------------- 以上过程是一劳永逸的，以后只需要创建PVC就可以动态生成相关PV资源 -------------
5、创建PVC资源，配置中关联StorageClass资源。创建PVC资源后会在NFS服务器上自动生成相关的PV使用的目录，目录名以<pvc的namespace_name>-<pvc_name>-<pv_name>格式命名
6、创建Pod资源，配置存储卷类型为persistentVolumeClaim，在容器配置中定义存储卷挂载内容