如何在Kubernetes上扩展MongoDB？

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Kubernetes主要用于无状态应用程序。但是，在1.3版本中引入了PetSets，之后它们演变为StatefulSets。官方文档将StatefulSets描述为“StatefulSets旨在与有状态应用程序和分布式系统一起使用”。
对此最好的用例之一是对数据存储服务进行编排，例如MongoDB，ElasticSearch，Redis，ZooKeeper等。
我们可以把StatefulSets的特性归纳如下：

有序索引Pod
稳定的网络ID
有序并行的Pod管理
滚动更新

这些细节可以在这里[1]找到。
StatefulSets的一个非常明显的特征是提供稳定网络ID，与Headless Services[2]一起使用时，功能可以更加强大。
我们在Kubernetes文档中随时可以查看的信息上不会花费很多时间，让我们专注于运行和扩展MongoDB集群。
你需要一个可以运行的Kubernetes群集并启用RBAC（推荐）。在本教程中，我将使用GKE集群，但是，AWS EKS或Microsoft的AKS或Kops管理的Kubernetes也是可行的替代方案。
我们将为MongoDB集群部署以下组件：

配置HostVM的Daemon Set
Mongo Pod的Service Account和ClusterRole Binding
为Pod提供永久性存储SSDs的Storage Class
访问Mongo容器的Headless Service
Mongo Pods Stateful Set
GCP Internal LB：从Kubernetes集群外部访问MongoDB（可选）
使用Ingress访问Pod（可选）

值得注意的是，每个MongoDB Pod都会运行一个Sidecar，以便动态配置副本集。Sidecar每5秒检查一次新成员。
Daemon Set for HostVM Configuration

kind: DaemonSet
apiVersion: extensions/v1beta1
metadata:
name: hostvm-configurer
labels:
app: startup-script
spec:
template:
metadata:
labels:
app: startup-script
spec:
hostPID: true
containers:
- name: hostvm-configurer-container
image: gcr.io/google-containers/startup-script:v1
securityContext:
privileged: true
env:
- name: STARTUP_SCRIPT
value: |
#! /bin/bash
set -o errexit
set -o pipefail
set -o nounset
# Disable hugepages
echo 'never' > /sys/kernel/mm/transparent_hugepage/enabled
echo 'never' > /sys/kernel/mm/transparent_hugepage/defrag

Configuration for ServiceAccount, Storage Class, Headless SVC and StatefulSet

apiVersion: v1
kind: Namespace
metadata:
name: mongo
---
apiVersion: v1
kind: ServiceAccount
metadata:
name: mongo
namespace: mongo
---
apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1beta1
kind: ClusterRoleBinding
metadata:
name: mongo
subjects:
- kind: ServiceAccount
name: mongo
namespace: mongo
roleRef:
kind: ClusterRole
name: cluster-admin
apiGroup: rbac.authorization.k8s.io
---
apiVersion: storage.k8s.io/v1beta1
kind: StorageClass
metadata:
name: fast
provisioner: kubernetes.io/gce-pd
parameters:
type: pd-ssd
fsType: xfs
allowVolumeExpansion: true
---
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
name: mongo
namespace: mongo
labels:
name: mongo
spec:
ports:
- port: 27017
targetPort: 27017
clusterIP: None
selector:
role: mongo
---
apiVersion: apps/v1beta1
kind: StatefulSet
metadata:
name: mongo
namespace: mongo
spec:
serviceName: mongo
replicas: 3
template:
metadata:
labels:
role: mongo
environment: staging
replicaset: MainRepSet
spec:
affinity:
podAntiAffinity:
preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
- weight: 100
podAffinityTerm:
labelSelector:
matchExpressions:
- key: replicaset
operator: In
values:
- MainRepSet
topologyKey: kubernetes.io/hostname
terminationGracePeriodSeconds: 10
serviceAccountName: mongo
containers:
- name: mongo
image: mongo
command:
- mongod
- "--wiredTigerCacheSizeGB"
- "0.25"
- "--bind_ip"
- "0.0.0.0"
- "--replSet"
- MainRepSet
- "--smallfiles"
- "--noprealloc"
ports:
- containerPort: 27017
volumeMounts:
- name: mongo-persistent-storage
mountPath: /data/db
resources:
requests:
cpu: 1
memory: 2Gi
- name: mongo-sidecar
image: cvallance/mongo-k8s-sidecar
env:
- name: MONGO_SIDECAR_POD_LABELS
value: "role=mongo,environment=staging"
- name: KUBE_NAMESPACE
value: "mongo"
- name: KUBERNETES_MONGO_SERVICE_NAME
value: "mongo"
volumeClaimTemplates:
- metadata:
name: mongo-persistent-storage
annotations:
volume.beta.kubernetes.io/storage-class: "fast"
spec:
accessModes: [ "ReadWriteOnce" ]
storageClassName: fast
resources:
requests:
storage: 10Gi

关键点：

应该使用适当的环境变量仔细配置Mongo的Sidecar，以及为Pod提供的标签，和为deployment和service的命名空间。有关Sidecar容器的详细信息，请点击此处[3]。
默认缓存大小的指导值是：“50％的RAM减去1GB，或256MB”。鉴于所请求的内存量为2GB，此处的WiredTiger缓存大小已设置为256MB。
Inter-Pod Anti-Affinity确保在同一个工作节点上不会安排2个Mongo Pod，从而使其能够适应节点故障。此外，建议将节点保留在不同的可用区中，以便集群能够抵御区域故障。
当前部署的Service Account具有管理员权限。但是，它应该仅限于DB的命名空间。

上面提到的两个配置文件也可以在这里[4]找到。
部署MongoDB集群

kubectl apply -f configure-node.yml
kubectl apply -f mongo.yml

你可以通过以下命令查看所有组件状况：

root$ kubectl -n mongo get all
NAME DESIRED CURRENT AGE
statefulsets/mongo 3 3 3m
NAME READY STATUS RESTARTS AGE
po/mongo-0 2/2 Running 0 3m
po/mongo-1 2/2 Running 0 2m
po/mongo-2 2/2 Running 0 1m
NAME TYPE CLUSTER-IP EXTERNAL-IP PORT(S) AGE
svc/mongo ClusterIP None <none> 27017/TCP 3m

如你所见，该服务没有Cluster-IP，也没有External-IP，它是Headless服务。此服务将直接解析为StatefulSets的Pod-IP。
让我们来验证一下DNS解析。我们在集群中启动了一个交互式shell：

kubectl run my-shell --rm -i --tty --image ubuntu -- bash
root@my-shell-68974bb7f7-cs4l9:/# dig mongo.mongo +search +noall +answer
; <<>> DiG 9.11.3-1ubuntu1.1-Ubuntu <<>> mongo.mongo +search +noall +answer
;; global options: +cmd
mongo.mongo.svc.cluster.local. 30 IN A 10.56.7.10
mongo.mongo.svc.cluster.local. 30 IN A 10.56.8.11
mongo.mongo.svc.cluster.local. 30 IN A 10.56.1.4

服务的DNS规则是<服务名称>.<服务的命名空间>，因此，在我们的例子中看到的是mongo.mongo。
IPs（10.56.6.17,10.56.7.10,10.56.8.11）是我们的Mongo StatefulSets的Pod IPs。这可以通过在集群内部运行nslookup来测试。

root@my-shell-68974bb7f7-cs4l9:/# nslookup 10.56.6.17
17.6.56.10.in-addr.arpa name = mongo-0.mongo.mongo.svc.cluster.local.
root@my-shell-68974bb7f7-cs4l9:/# nslookup 10.56.7.10
10.7.56.10.in-addr.arpa name = mongo-1.mongo.mongo.svc.cluster.local.
root@my-shell-68974bb7f7-cs4l9:/# nslookup 10.56.8.11
11.8.56.10.in-addr.arpa name = mongo-2.mongo.mongo.svc.cluster.local.

如果你的应用程序部署在Kubernetes的群集中，那么它可以通过以下方式访问节点：

Node-0: mongo-0.mongo.mongo.svc.cluster.local:27017
Node-1: mongo-1.mongo.mongo.svc.cluster.local:27017
Node-2: mongo-2.mongo.mongo.svc.cluster.local:27017

如果要从集群外部访问Mongo节点，你可以为每个Pod部署内部负载平衡或使用Ingress Controller（如NGINX或Traefik）创建一个内部Ingress。
GCP Internal LB SVC Configuration（可选）

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
annotations:
cloud.google.com/load-balancer-type: Internal
name: mongo-0
namespace: mongo
spec:
ports:
-
port: 27017
targetPort: 27017
selector:
statefulset.kubernetes.io/pod-name: mongo-0
type: LoadBalancer

为mongo-1和mongo-2也部署2个此类服务。
你可以将内部负载均衡的IP提供给MongoClient URI。

root$ kubectl -n mongo get svc
NAME TYPE CLUSTER-IP EXTERNAL-IP PORT(S) AGE
mongo ClusterIP None <none> 27017/TCP 15m
mongo-0 LoadBalancer 10.59.252.157 10.20.20.2 27017:30184/TCP 9m
mongo-1 LoadBalancer 10.59.252.235 10.20.20.3 27017:30343/TCP 9m
mongo-2 LoadBalancer 10.59.254.199 10.20.20.4 27017:31298/TCP 9m

mongo-0/1/2的外部IP是新创建的TCP负载均衡器的IP。这些是您的子网或对等网络，如果有的话。
通过Ingress访问Pod（可选）
也可以使用诸如Nginx之类的Ingress Controller来定向到Mongo StatefulSets的流量。确保Ingress服务是内部服务，而不是通过PublicIP公开。 Ingress对象的配置看起来像这样：

...
spec:
rules:
- host: mongo.example.com
http:
paths:
- path: '/mongo-0'
backend:
hostNames:
- mongo-0
serviceName: mongo # There is no extra service. This is the headless service.
servicePort: '27017'

请务必注意，您的应用程序至少应该知道一个当前处于启动状态的Mongo节点，这样可以发现所有其他节点。
我在本地mac上使用Robo 3T作为mongo客户端。连接到其中一个节点后并运行rs.status()，您可以查看副本集的详细信息，并检查是否已配置其他2个Pod并自动连接到副本集。
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rs.status()查看副本集名称和成员个数
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每个成员都可以看到FQDN和状态。此FQDN只能从群集内部访问。
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每个secondary成员正在同步到mongo-0，mongo-0是当前的primary。
现在我们扩展mongo Pods的Stateful Set以检查新的Mongo容器是否被添加到ReplicaSet。

root$ kubectl -n mongo scale statefulsets mongo --replicas=4
statefulset "mongo" scaled
root$ kubectl -n mongo get pods -o wide
NAME READY STATUS RESTARTS AGE IP NODE
mongo-0 2/2 Running 0 25m 10.56.6.17 gke-k8-demo-demo-k8-pool-1-45712bb7-vfqs
mongo-1 2/2 Running 0 24m 10.56.7.10 gke-k8-demo-demo-k8-pool-1-c6901f2e-trv5
mongo-2 2/2 Running 0 23m 10.56.8.11 gke-k8-demo-demo-k8-pool-1-c7622fba-qayt
mongo-3 2/2 Running 0 3m 10.56.1.4 gke-k8-demo-demo-k8-pool-1-85308bb7-89a4

可以看出，所有四个Pod都部署到不同的GKE节点，因此我们的Pod-Anti Affinity策略工作正常。
扩展操作还将自动提供持久卷，该卷将充当新Pod的数据目录。

root$ kubectl -n mongo get pvc
NAME STATUS VOLUME CAPACITY ACCESS MODES STORAGECLASS AGE
mongo-persistent-storage-mongo-0 Bound pvc-337fb7d6-9f8f-11e8-bcd6-42010a940024 11G RWO fast 49m
mongo-persistent-storage-mongo-1 Bound pvc-53375e31-9f8f-11e8-bcd6-42010a940024 11G RWO fast 49m
mongo-persistent-storage-mongo-2 Bound pvc-6cee0f97-9f8f-11e8-bcd6-42010a940024 11G RWO fast 48m
mongo-persistent-storage-mongo-3 Bound pvc-3e89573f-9f92-11e8-bcd6-42010a940024 11G RWO fast 28m

要检查名为mongo-3的Pod是否已添加到副本集，我们将在同一节点上再次运行rs.status()并观察其差异。
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对于同一个的Replicaset，成员数现在为4。
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新添加的成员遵循与先前成员相同的FQDN方案，并且还与同一主节点同步。
进一步的考虑

给Mongo Pod的Node Pool打上合适的label并确保在StatefulSets和HostVM配置的DaemonSets的Spec中指定适当的Node Affinity会很有帮助。这是因为DaemonSet将调整主机操作系统的一些参数，并且这些设置应仅限于MongoDB Pod。没有这些设置，对其他应用程序可能会更好。
在GKE中给Node Pool打Label非常容易，可以直接从GCP控制台进行。
虽然我们在Pod的Spec中指定了CPU和内存限制，但我们也可以考虑部署VPA（Vertical Pod Autoscaler）。
可以通过实施网络策略或服务网格（如Istio）来控制从集群内部到我们的数据库的流量。

如果你已经看到这里，我相信你已经浏览了整个博文。我试图整理很多分散的信息并将其作为一个整体呈现。我的目标是为您提供足够的信息，以便开始使用Kubernetes上的Stateful Sets，并希望你们中的许多人觉得它很有用。我们非常欢迎您提出反馈、意见或建议。:)
相关链接：

https://kubernetes.io/docs/tutorials/stateful-application/basic-stateful-set/
https://kubernetes.io/docs/concepts/services-networking/service/#headless-services
https://github.com/cvallance/mongo-k8s-sidecar
https://github.com/Thakurvaibhav/k8s/tree/master/databases/mongodb

原文链接：https://medium.com/@thakur.vaibhav23/scaling-mongodb-on-kubernetes-32e446c16b82

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如何在Kubernetes上扩展MongoDB？

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