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DAY 17

Kubernetes

都什麼年代了，還在學 Kubernetes系列第 17 篇

學 Kubernetes 的第十七天 - Storage - PV & PVC

16th鐵人賽 kubernetes k8s

vincentlin2447

團隊Grafana 科研遠征小隊

2024-10-01 01:10:29

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數據的持久性就像是企業運營中的穩固倉庫，確保所有重要資產都能安全存放並隨時可取。Kubernetes 提供了兩個關鍵工具——PersistentVolume (PV) 和 PersistentVolumeClaim (PVC)，來高效管理這些“數據倉庫”。

PersistentVolume (PV)

PV 就像是集群中的實際倉庫空間，是 Kubernetes 集群中的一個存儲資源，代表具體的存儲位置，如 NFS、GCE Persistent Disk、AWS EBS 等。PV 由集群管理員創建和管理，並且與 Pod 解耦，意味著它的生命週期獨立於任何單一 Pod。這樣，即使 Pod 被刪除或重新調度，PV 仍然保留其中的數據，確保數據的持久性和安全性。

PersistentVolumeClaim (PVC)

PVC 類似於對倉庫空間的租用請求，描述了所需的存儲容量和訪問模式。具體來說，PVC 是 Pod 對 PV 的存儲需求申請，用戶可以根據應用的需求創建 PVC，例如申請特定大小的存儲空間（如 10Gi）以及訪問模式（如 ReadWriteOnce）。Kubernetes 會自動匹配符合 PVC 要求的 PV，並將兩者綁定在一起，實現存儲資源的動態分配和高效利用。

為什麼需要 PV & PVC

在 Kubernetes 中，PersistentVolume (PV) 和 PersistentVolumeClaim (PVC) 的設計旨在將存儲資源與 Pod 解耦，從而實現更靈活和高效的存儲管理。這種解耦帶來了以下主要優點：

數據持久性：PV 可以在 Pod 被刪除或重新調度後保留數據，確保應用程式的數據不會丟失，對於需要持久化數據的應用（如資料庫）尤為重要。
集中管理：集群管理員可以集中配置和管理存儲資源，用戶僅需通過 PVC 提出存儲需求，簡化了存儲管理流程，提高資源利用率。
靈活調度：PVC 允許應用程式在不同節點上運行，同時保持對存儲的持續訪問，增強了應用的可用性和可擴展性。

優勢

與其他卷（如 emptyDir、hostPath）相比，PV 和 PVC 具有以下顯著優勢：

持久性與獨立性：PV 與 Pod 分離，數據可在 Pod 重啟或刪除後依然存在，並可在多個 Pod 之間共享或重用。
多樣性與靈活性：支持多種存儲後端（如 NFS、雲存儲、塊存儲），滿足不同應用的性能和容量需求。
動態供應：結合 StorageClass，Kubernetes 可根據 PVC 自動創建符合要求的 PV，減少手動配置，提高效率。
訪問模式控制：支持不同的訪問模式（如 ReadWriteOnce、ReadOnlyMany、ReadWriteMany），確保數據的安全性和共享需求。
數據保護：提供回收策略（Retain、Recycle、Delete），靈活管理 PVC 刪除後的 PV 行為，保障數據安全。

透過這些優勢，PV 和 PVC 成為 Kubernetes 中管理持久性存儲的核心組件，為應用提供可靠的數據持久化支持，並提升整體系統的靈活性與效率。

應用場景

資料庫存儲：使用 PV 和 PVC 來管理 MySQL、PostgreSQL 等資料庫的持久性存儲，確保數據的持久性和高可用性。
內容管理系統：像 WordPress 這樣的應用程式需要持久性存儲來保留用戶上傳的文件和數據。
資料備份與恢復：PV 可以用來存儲應用程式的備份數據，確保在數據丟失或損壞時能夠恢復。

組態檔案說明

以下是一個簡單的 PV 和 PVC 組態檔範例：

PersistentVolume (PV) 組態檔：

apiVersion: v1
kind: PersistentVolume
metadata:
  name: pv-example
spec:
  capacity:
    storage: 10Gi
  accessModes:
    - ReadWriteOnce
  persistentVolumeReclaimPolicy: Retain
  nfs:
    path: /exported/path/on/server
    server: nfs-server.example.com

spec：
- capacity：
  - storage: 10Gi：指定 PV 的存儲容量為 10 GiB。
- accessModes：
  - ReadWriteOnce：該卷可以以讀寫方式掛載，但只能由一個節點掛載。
- persistentVolumeReclaimPolicy: Retain：當使用該卷的 PersistentVolumeClaim (PVC) 被刪除時，PV 不會被自動刪除，而是會保留數據供後續使用。
- nfs：使用 NFS 網絡文件系統作為存儲後端。
  - path: /exported/path/on/server：指定 NFS 伺服器上導出的目錄路徑。
  - server: nfs-server.example.com：指定 NFS 伺服器的主機名或 IP 地址。

PersistentVolumeClaim (PVC) 組態檔：

apiVersion: v1
kind: PersistentVolumeClaim
metadata:
  name: pvc-example
spec:
  accessModes:
    - ReadWriteOnce
  resources:
    requests:
      storage: 10Gi

accessModes：
- ReadWriteOnce：PVC 請求一個可以被單個節點以讀寫模式掛載的 PersistentVolume。
resources：
- requests：
  - storage: 10Gi：PVC 請求的存儲容量為 10GiB。

當這個 PVC 被創建後，Kubernetes 會自動搜索一個符合要求的 PV（如上面的 pv-example）並將其綁定到該 PVC。這樣，任何使用 pvc-example 的 Pod 都可以掛載到對應的 PV 上，並讀寫數據。

這樣的設計確保了應用程式數據的持久性和高可用性，即使 Pod 被重新調度或重新啟動，數據仍然可以被安全地保留和存取。

實作

在這次練習中，我們會建立 hostPath 類型的 PersistentVolume。也就是使用節點上的檔案或目錄來模擬網路附加儲存。

注意:

在生產環境的叢集中，我們不會也不應該使用 hostPath，而是使用其他網路儲存資源作為 PersistentVolume 的來源，比如 Google Compute Engine 持久盤捲、NFS 共享卷或 Amazon Elastic Block Store 卷等等。

建立 PersistentVolume

組態檔案: pv.yaml

apiVersion: v1
kind: PersistentVolume
metadata:
  name: task-pv-volume
  labels:
    type: local
spec:
  storageClassName: manual
  capacity:
    storage: 10Gi
  accessModes:
    - ReadWriteOnce
  hostPath:
    path: "/mnt/data"

建立 PersistentVolume

kubectl apply -f pv.yaml

查看 PersistentVolume 資訊:

kubectl get pv task-pv-volume
---
NAME             CAPACITY   ACCESS MODES   RECLAIM POLICY   STATUS      CLAIM   STORAGECLASS   VOLUMEATTRIBUTESCLASS   REASON   AGE
task-pv-volume   10Gi       RWO            Retain           Available           manual         <unset>                          13s

輸出結果顯示該 PersistentVolume 的狀態（STATUS）為 Available。這意味著它還沒有被繫結給 PersistentVolumeClaim。

建立 PersistentVolumeClaim

我們要建立一個 PersistentVolumeClaim，它請求至少 3 GB 容量的卷，該卷一次最多可以為一個節點提供讀寫訪問。

組態檔案: pvc.yaml

apiVersion: v1
kind: PersistentVolumeClaim
metadata:
  name: task-pv-claim
spec:
  storageClassName: manual
  accessModes:
    - ReadWriteOnce
  resources:
    requests:
      storage: 3Gi

建立 PersistentVolumeClaim

kubectl apply -f pvc.yaml

建立 PersistentVolumeClaim 之後，Kubernetes 控制平面將尋找滿足申領要求的 PersistentVolume。如果控制平面找到具有相同 StorageClass 的適當的 PersistentVolume，則將 PersistentVolumeClaim 繫結到該 PersistentVolume 上。

查看 PersistentVolume, PersistentVolumeClaim 信息

kubectl get pv,pvc
---
NAME                              CAPACITY   ACCESS MODES   RECLAIM POLICY   STATUS   CLAIM                   STORAGECLASS   VOLUMEATTRIBUTESCLASS   REASON   AGE
persistentvolume/task-pv-volume   10Gi       RWO            Retain           Bound    default/task-pv-claim   manual         <unset>                          2m32s

NAME                                  STATUS   VOLUME           CAPACITY   ACCESS MODES   STORAGECLASS   VOLUMEATTRIBUTESCLASS   AGE
persistentvolumeclaim/task-pv-claim   Bound    task-pv-volume   10Gi       RWO            manual         <unset>                 12s

PersistentVolume 的狀態 (STATUS) 變為了 Bound，並且 PVC 的卷 (VOLUME) 也指向了那個 PersistentVolume。

在 Pod 掛載 PVC

組態檔案: pod.yaml

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: foo
spec:
  volumes:
    - name: task-pv-storage
      persistentVolumeClaim:
        claimName: task-pv-claim
  containers:
    - name: task-pv-container
      image: nginx
      ports:
        - containerPort: 80
      volumeMounts:
        - mountPath: "/usr/share/nginx/html"
          name: task-pv-storage
---
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: bar
spec:
  volumes:
    - name: task-pv-storage
      persistentVolumeClaim:
        claimName: task-pv-claim
  containers:
    - name: task-pv-container
      image: nginx
      ports:
        - containerPort: 80
      volumeMounts:
        - mountPath: "/usr/share/nginx/html"
          name: task-pv-storage

這個組態檔案定義了兩個 Pod，它們分別名為 foo 和 bar。兩個 Pod 使用了相同的 PersistentVolumeClaim(PVC) 來掛載儲存卷，並在容器中使用該儲存卷，並將其掛載到容器內的 /usr/share/nginx/html 路徑上。這樣 foo 和 bar 都可以共同代理這個 PVC 內的文件。

查詢 Pod 建立的節點

kubectl get pod -o wide
---
NAME   READY   STATUS    RESTARTS   AGE   IP           NODE              NOMINATED NODE   READINESS GATES
bar    1/1     Running   0          12m   10.244.2.5   wslkind-worker2   <none>           <none>
foo    1/1     Running   0          12m   10.244.2.6   wslkind-worker2   <none>           <none>

可以看到，目前 Pod 都是建立在 wslkind-worker2 的節點上。

檢查該節點上的 /mnt/data 路徑

docker exec -it wslkind-worker2 /bin/sh
# ls /mnt/data
---
#

目前什麼檔案都沒有。

進入 foo Pod，並在 nginx 服務器根目錄建立一個 Html 網頁，裡面寫入系統時間

kubectl exec -it foo -- /bin/sh
# echo `date` > /usr/share/nginx/html/index.html

訪問 foo Pod 的 nginx 伺服器，檢查剛剛寫入的內容

# curl 0.0.0.0
---
Tue Jul 23 09:40:50 UTC 2024

在 bar Pod 中，訪問 nginx 伺服器

$ kubectl exec -it bar -- /bin/sh
# curl 0.0.0.0
---
Tue Jul 23 09:50:34 UTC 2024

顯示出跟 foo Pod 一樣的時間，代表剛剛在 foo 寫入的內容是存在的。

回到 wslkind-worker2 節點內，檢查 /mnt/data 路徑

docker exec -it wslkind-worker2 /bin/sh
# cat /mnt/data/index.html
---
Tue Jul 23 09:50:34 UTC 2024

剛剛寫入的檔案也在這裡。

驗證 PV 的永久性

接下來我們要將 Pod 刪除重建，來驗證 PV 的內容是永久性的。

刪除 Pod

kubectl delete -f pod.yaml
---
pod "foo" deleted
pod "bar" deleted

刪除 PVC

kubectl apply -f pvc.yaml
---
persistentvolumeclaim/task-pv-claim created

檢查 PV 的狀態

kubectl get pv,pvc
---
NAME                              CAPACITY   ACCESS MODES   RECLAIM POLICY   STATUS     CLAIM                   STORAGECLASS   VOLUMEATTRIBUTESCLASS   REASON   AGE
persistentvolume/task-pv-volume   10Gi       RWO            Retain           Released   default/task-pv-claim   manual         <unset>                          103m

現在 PV 狀態變成 release，代表它已經被解除 PVC 綁定，等待回收。

回到 wslkind-worker2 節點內，檢查 /mnt/data 路徑

docker exec -it wslkind-worker2 /bin/sh
# cat /mnt/data/index.html
---
Tue Jul 23 09:50:34 UTC 2024

可以發現儘管我們刪除了 Pod 和 PVC，檔案依然保留在其中。

由於我們之前已經使用 PVC 申請了 PV，通常是需要回收才能再次使用。不過我們可以透過修改 PV 組態內容的 claimRef 欄位，重置 PV 的狀態。

透過 patch 複寫 PV 的組態內容

kubectl patch pv task-pv-volume -p '{"spec":{"claimRef": null}}'

檢查 PV 的狀態

kubectl get pv
---
NAME             CAPACITY   ACCESS MODES   RECLAIM POLICY   STATUS      CLAIM   STORAGECLASS   VOLUMEATTRIBUTESCLASS   REASON   AGE
task-pv-volume   10Gi       RWO            Retain           Available           manual         <unset>                          105m

重新建立 PVC 和 Pod

kubectl apply -f pvc.yaml
---
persistentvolumeclaim/task-pv-claim created

kubectl get pv,pvc
---
NAME                              CAPACITY   ACCESS MODES   RECLAIM POLICY   STATUS   CLAIM                   STORAGECLASS   VOLUMEATTRIBUTESCLASS   REASON   AGE
persistentvolume/task-pv-volume   10Gi       RWO            Retain           Bound    default/task-pv-claim   manual         <unset>                          106m

NAME                                  STATUS   VOLUME           CAPACITY   ACCESS MODES   STORAGECLASS   VOLUMEATTRIBUTESCLASS   AGE
persistentvolumeclaim/task-pv-claim   Bound    task-pv-volume   10Gi       RWO            manual         <unset>                 2s

kubectl apply -f pod.yaml
---
pod/foo created
pod/bar created

在 foo Pod 中，訪問 nginx 伺服器

$ kubectl exec -it foo -- /bin/sh
# curl 0.0.0.0
---
Tue Jul 23 09:50:34 UTC 2024

StorageClass 的補充

PV 對象的創建，是由運維人員完成的。但是，在大規模的生產環境裡，這其實是一個非常麻煩的工作。這是因為，一個大規模的 Kubernetes 集群裡很可能有成千上萬個 PVC，這就意味著運維人員必須得事先創建出成千上萬個 PV。更麻煩的是，隨著新的 PVC 不斷被提交，運維人員就不得不繼續添加新的、能滿足條件的 PV，否則新的 Pod 就會因為 PVC 綁定不到 PV 而失敗。在實際操作中，這幾乎沒辦法靠人工做到。

為了進一步提升存儲管理的靈活性和自動化，Kubernetes 引入了 StorageClass。它定義了存儲的類型和配置，指定了如何動態地供應 PV。

動態供應：當用戶創建 PVC 並指定某個 StorageClass，Kubernetes 會根據該類型自動創建相應配置的 PV，無需手動介入。
定義存儲屬性：StorageClass 可以設置存儲後端的具體屬性，如性能（IOPS）、冗餘（RAID）、備份策略等，以滿足不同應用的需求。

簡單來說，StorageClass 對象的作用，其實就是創建 PV 的模板。用戶只需關注 PVC 的需求描述，StorageClass 便負責具體的存儲資源配置和管理，進一步簡化了存儲管理流程。

小結

透過 PersistentVolume ，PersistentVolumeClaim 和 StorageClass ，Kubernetes 成功地將存儲資源與應用容器解耦，提供了靈活且高效的數據持久化管理方案。這不僅確保了應用數據在 Pod 重啟或重新調度後的持久性，還簡化了存儲資源的管理，使集群管理員能夠集中控制存儲資源，而用戶則專注於描述他們的存儲需求。