Kubernetes 存储资源 PV、PVC 和StorageClass详解

系统环境:

  • kubernetes 版本:1.14.0

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一、存储机制介绍

在 Kubernetes 中,存储资源和计算资源(CPU、Memory)同样重要,Kubernetes 为了能让管理员方便管理集群中的存储资源,同时也为了让使用者使用存储更加方便,所以屏蔽了底层存储的实现细节,将存储抽象出两个 API 资源 PersistentVolume 和 PersistentVolumeClaim 对象来对存储进行管理。

  • PersistentVolume(持久化卷): PersistentVolume 简称 PV, 是对底层共享存储的一种抽象,将共享存储定义为一种资源,它属于集群级别资源,不属于任何 Namespace,用户使用 PV 需要通过 PVC 申请。PV 是由管理员进行创建和配置,它和具体的底层的共享存储技术的实现方式有关,比如说 Ceph、GlusterFS、NFS 等,都是通过插件机制完成与共享存储的对接,且根据不同的存储 PV 可配置参数也是不相同。
  • PersistentVolumeClaim(持久化卷声明): PersistentVolumeClaim 简称 PVC,是用户存储的一种声明,类似于对存储资源的申请,它属于一个 Namespace 中的资源,可用于向 PV 申请存储资源。PVC 和 Pod 比较类似,Pod 消耗的是 Node 节点资源,而 PVC 消耗的是 PV 存储资源,Pod 可以请求 CPU 和 Memory,而 PVC 可以请求特定的存储空间和访问模式。

 

二、PersistentVolume 详解

1、PV 支持存储的类型

PersistentVolume 类型实现为插件,目前 Kubernetes 支持以下插件:

  • RBD:Ceph 块存储。
  • FC:光纤存储设备。
  • NFS:网络问卷存储卷。
  • iSCSI:iSCSI 存储设备。
  • CephFS:开源共享存储系统。
  • Flocker:一种开源共享存储系统。
  • Glusterfs:一种开源共享存储系统。
  • Flexvolume:一种插件式的存储机制。
  • HostPath:宿主机目录,仅能用于单机。
  • AzureFile:Azure 公有云提供的 File。
  • AzureDisk:Azure 公有云提供的 Disk。
  • ScaleIO Volumes:DellEMC 的存储设备。
  • StorageOS:StorageOS 提供的存储服务。
  • VsphereVolume:VMWare 提供的存储系统。
  • Quobyte Volumes:Quobyte 提供的存储服务。
  • Portworx Volumes:Portworx 提供的存储服务。
  • GCEPersistentDisk:GCE 公有云提供的 PersistentDisk。
  • AWSElasticBlockStore:AWS 公有云提供的 ElasticBlockStore。

 

 

2、PV 的生命周期

PV 生命周期总共四个阶段:

  • Available: 可用状态,尚未被 PVC 绑定。
  • Bound: 绑定状态,已经与某个 PVC 绑定。
  • Failed: 当删除 PVC 清理资源,自动回收卷时失败,所以处于故障状态。
  • Released: 与之绑定的 PVC 已经被删除,但资源尚未被集群回收。

3、基于 NFS 的 PV 示例

Kubernetes 支持多种存储,这里使用最广泛的 NFS 存储为例来介绍,下面是一个 PV 的例子:

apiVersion: v1
kind: PersistentVolume
metadata:
  name: pv1
  label:
    app: example
spec:
  capacity:
    storage: 5Gi
  volumeMode: Filesystem
  accessModes:
    - ReadWriteOnce
  persistentVolumeReclaimPolicy: Recycle
  storageClassName: slow
  mountOptions:
    - hard
    - nfsvers=4.1
  nfs:
    path: /nfs/space
    server: 192.168.2.11

 

 

4、PV 的常用配置参数

(1)、存储能力 (capacity)

PV 可以通过配置 capacity 中的 storage 参数,对 PV 挂多大存储空间进行设置

目前 capacity 只有一个设置存储大小的选项,未来可能会增加。

 

capacity:
    storage: 5Gi

 

 

(2)、存储卷模式(volumeMode)

PV 可以通过配置 volumeMode 参数,对存储卷类型进行设置,可选项包括:

  • Filesystem: 文件系统,默认是此选项。
  • Block: 块设备

目前 Block 模式只有 AWSElasticBlockStore、AzureDisk、FC、GCEPersistentDisk、iSCSI、LocalVolume、RBD、VsphereVolume 等支持)。

volumeMode: Filesystem

 

(3)、访问模式(accessModes)

PV 可以通过配置 accessModes 参数,设置访问模式来限制应用对资源的访问权限,有以下机制访问模式:

  • ReadWriteOnce(RWO): 读写权限,只能被单个节点挂载。
  • ReadOnlyMany(ROX): 只读权限,允许被多个节点挂载读。
  • ReadWriteMany(RWX): 读写权限,允许被多个节点挂载。

 

accessModes:
- ReadWriteOnce

 

不过不同的存储所支持的访问模式也不相同,具体如下:

Volume Plugin ReadWriteOnce ReadOnlyMany ReadWriteMany
AWSElasticBlockStore
AzureFile
AzureDisk
CephFS
Cinder
FC
FlexVolume
Flocker
GCEPersistentDisk
GlusteFS
HostPath
iSCSI
PhotonPersistentDisk
Quobyte
NFS
RBD
VsphereVolume
PortworxVolume
ScaleIO
StorageOS

(4)、挂载参数(mountOptions)

PV 可以根据不同的存储卷类型,设置不同的挂载参数,每种类型的存储卷可配置参数都不相同。如 NFS 存储,可以设置 NFS 挂载配置,如下:

下面例子只是 NFS 支持的部分参数,其它参数请自行查找 NFS 挂载参数。

 

mountOptions:
  - hard
  - nfsvers=4.1

 

(5)、存储类 (storageClassName)

PV 可以通过配置 storageClassName 参数指定一个存储类 StorageClass 资源,具有特定 StorageClass 的 PV 只能与指定相同 StorageClass 的 PVC 进行绑定,没有设置 StorageClass 的 PV 也是同样只能与没有指定 StorageClass 的 PVC 绑定。

storageClassName: slow

 

 

(6)、回收策略(persistentVolumeReclaimPolicy)

PV 可以通过配置 persistentVolumeReclaimPolicy 参数设置回收策略,可选项如下:

  • Retain(保留): 保留数据,需要由管理员手动清理。
  • Recycle(回收): 删除数据,即删除目录下的所有文件,比如说执行 rm -rf /thevolume/* 命令,目前只有 NFS 和 HostPath 支持。
  • Delete(删除): 删除存储资源,仅仅部分云存储系统支持,比如删除 AWS EBS 卷,目前只有 AWS EBS,GCE PD,Azure 磁盘和 Cinder 卷支持删除。

 

persistentVolumeReclaimPolicy: Recycle

 

三、PersistentVolumeClaim 详解

1、PVC 示例

apiVersion: v1
kind: PersistentVolumeClaim
metadata:
  name: pvc1
spec:
  accessModes:
    - ReadWriteOnce
  volumeMode: Filesystem
  resources:
    requests:
      storage: 8Gi
  storageClassName: slow
  selector:
    matchLabels:
      release: "stable"
    matchExpressions:
      - key: environment
        operator: In
        values: dev

 

2、PVC 的常用配置参数

(1)、筛选器(selector)

PVC 可以通过在 Selecter 中设置 Laberl 标签,筛选出带有指定 Label 的 PV 进行绑定。Selecter 中可以指定 matchLabels 或 matchExpressions,如果两个字段都设定了就需要同时满足才能匹配。

selector:
  matchLabels:
    release: "stable"
  matchExpressions:
    - key: environment
      operator: In
      values: dev

 

(2)、资源请求(resources)

PVC 设置目前只有 requests.storage 一个参数,用于指定申请存储空间的大小。

resources:
  requests:
    storage: 8Gi

 

(3)、存储类(storageClass)

PVC 要想绑定带有特定 StorageClass 的 PV 时,也必须设定 storageClassName 参数,且名称也必须要和 PV 中的 storageClassName 保持一致。如果要绑定的 PV 没有设置 storageClassName 则 PVC 中也不需要设置。

当 PVC 中如果未指定 storageClassName 参数或者指定为空值,则还需要考虑 Kubernetes 中是否设置了默认的 StorageClass

  • 未启用 DefaultStorageClass:等于 storageClassName 值为空。
  • 启用 DefaultStorageClass:等于 storageClassName 值为默认的 StorageClass。

如果设置 storageClassName=““,则表示该 PVC 不指定 StorageClass。

 

storageClassName: slow

 

(4)、访问模式(accessModes)

PVC 中可设置的访问模式与 PV 种一样,用于限制应用对资源的访问权限。

 

(5)、存储卷模式(volumeMode)

PVC 中可设置的存储卷模式与 PV 种一样,分为 Filesystem 和 Block 两种。

 

四、StorageClass 详解

1、StorageClass 示例

这里使用 NFS 存储,创建 StorageClass 示例:

apiVersion: storage.k8s.io/v1
kind: StorageClass
metadata:
  name: nfs-storage
  annotations:
    storageclass.kubernetes.io/is-default-class: "true" #设置为默认的 StorageClass
provisioner: nfs-client
mountOptions: 
  - hard
  - nfsvers=4
parameters:
  archiveOnDelete: "true"

 

2、StorageClass 的常用配置参数

(1)、提供者(provisioner)

在创建 StorageClass 之前需要 Kubernetes 集群中存在 Provisioner(存储分配提供者)应用,如 NFS 存储需要有 NFS-Provisioner (NFS 存储分配提供者)应用,如果集群中没有该应用,那么创建的 StorageClass 只能作为标记,而不能提供创建 PV 的作用。

provisioner: nfs-client

 

(2)、参数(parameters)

后端存储提供的参数,不同的 Provisioner 可与配置的参数也是不相同。例如 NFS Provisioner 可与提供如下参数:

parameters:
archiveOnDelete: "true" #删除 PV 后是否保留数据

 

(3)、挂载参数(mountOptions)

在 StorageClass 中,可以根据不同的存储来指定不同的挂载参数,此参数会与 StorageClass 绑定的 Provisioner 创建 PV 时,将此挂载参数与创建的 PV 关联。

mountOptions:
- hard
- nfsvers=4

 

 

(4)、设置默认的 StorageClass

可与在 Kubernetes 集群中设置一个默认的 StorageClass,这样当创建 PVC 时如果未指定 StorageClass 则会使用默认的 StorageClass。

metadata:
  annotations:
    storageclass.kubernetes.io/is-default-class: "true"

 

五、PV 和 PVC 的生命周期

PV 是 Kubernetes 集群的存储资源,而 PVC 则是对存储资源的需求,创建 PVC 需要对 PV 发起使用申请,即和 PV 进行绑定。 PV 和 PVC 是一一对应的关系,它们二者的交互遵循如下生命周期:

 

1、存储供给

存储供给(Provisioning)是指为 PVC 准备可用的 PV 的一种机制。Kubernetes 支持 PV 供给方式有 静态供给 和 动态供给 两种:

  • 静态供给: 指由集群管理员手动创建一定数量的 PV,创建 PV 时需要根据后端存储的不同,配置的参数也不同。
  • 动态供给: 指不需要集群管理员手动创建 PV,将 PV 的创建工作交由 StorageClass 关联的 Provisioner 进行创建,会根据存储的不同自动配置相关的参数。创建完成 PV 后系统会自动将 PVC 与其绑定。

 

 

2、存储绑定

在静态模式下,在用户定义好 PVC 后,Kubernetes 将根据 PVC 提出的“申请空间的大小”、“访问模式”从集群中寻找已经存在且满足条件的 PV 进行绑定,如果集群中没有匹配的 PV 则 PVC 将处于 Pending 等待状态,知道系统创建了符合条件的 PV 再与其绑定。PV 与 PVC 绑定后就不能和别的 PVC 进行绑定。

在动态模式下,当创建 PVC 并且指定 StorageClass 后,与 StorageClass 关联的存储插件会自动创建对应的 PV 与该 PVC 进行绑定。

 

 

3、存储回收

完成存储卷的使用目标之后删除 PVC 对象,以便进行资源回收。不过,至于如何操作则取决于 PV 的回收策略 ,目前有三种策略:

  • 保存策略(Retain): 删除 PVC 之后,Kubernetes 系统不会自动删除 PV ,而仅是将它标识为 Released 状态,不过处于 Released 状态的 PV **不能被其他 PVC 申请所绑定,因为之前 PVC 绑定的应用数据仍然存在,需要由管理员手动清理数据,然后决定如何处理 PV 的使用。
  • 回收策略: 当 PVC 删除后,此 PV 变成 Available 可用状态。不过此策略需要后端存储插件的支持。
  • 删除策略: 当删除 PVC 后 PV 和存储中的数据会被立即删除,不过此策略也需要后端存储插件的支持。

 

六、PVC 使用示例

Deployment 中使用 PVC

一般 Deployment 中使用 PVC,大部分都是静态供给方式创建,即先创建 PV,再创建 PVC 与 PV 绑定,在设置应用于 PVC 关联。

下面是一个 NFS 存储创建 PV 的例子,如下:

apiVersion: v1
kind: PersistentVolume
metadata:
  name: nginx-pv
  labels:
    app: nginx-pv
spec:
  accessModes:       
  - ReadWriteOnce
  persistentVolumeReclaimPolicy: Delete
  capacity:          
    storage: 1Gi
  mountOptions:
  - hard  
  - nfsvers=4.1  
  nfs:
    server: 192.168.2.11
    path: /nfs/data/nginx

 

创建 PVC 与 PV 进行关联绑定:

kind: PersistentVolumeClaim
apiVersion: v1
metadata:
  name: nginx-pvc
spec:
  accessModes:
  - ReadWriteOnce
  resources:
    requests:
      storage: 1Gi
  selector:
    matchLabels:
      app: nginx-pv

 

创建应用于 PVC 进行关联:

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: nginx
  labels:
    app: nginx
spec:
  replicas: 1
  selector:
    matchLabels:
      app: nginx
  template:
    metadata:
      labels:
        app: nginx
    spec:
      terminationGracePeriodSeconds: 1
      containers:
      - name: nginx
        image: nginx:latest
        ports:
        - name: server
          containerPort: 80
        volumeMounts:
        - name: data
          mountPath: /data
      volumes:
      - name: data
        persistentVolumeClaim:
          claimName: nginx-pvc

 

StatefulSet 中使用 PVC

在有状态的应用中,我们经常使用动态供给方式创建 PV 和 PVC,不过提前需要集群拥有:

  • StorageClass:存储类
  • Provisioner:与存储类关联的管理后端存储的插件

只有拥有上面两种资源同时存在时才能使用动态存储,本人这里使用的是 NFS 存储,关于如何创建 NFS Provisioner 可以查看 NFS Provisioner 一文,假如 Kubernetes 集群中使用 NFS 存储,且存在 Provisioner 的名称为 nfs-client 那就可以下面创建 StorageClass 示例:

apiVersion: storage.k8s.io/v1
kind: StorageClass
metadata:
  name: nfs-storage
  annotations:
    storageclass.kubernetes.io/is-default-class: "true"
provisioner: nfs-client
parameters:
  archiveOnDelete: "true"
mountOptions: 
  - hard
  - nfsvers=4

 

然后 StatefulSet 可以按下方式,在 volumeClaimTemplates 参数中指定使用的 StorageClass,然后与 StorageClass 关联的 NFS Provisioner 会执行创建 PVC 和 PV,然后两者进行绑定,下面是 StatefulSet 方式使用 volumeClaimTemplates挂载存储的示例:

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: nginx
  labels:
    app: nginx
spec:
  ports:
  - port: 80
    name: web
  clusterIP: None
  selector:
    app: nginx
---
apiVersion: apps/v1
kind: StatefulSet
metadata:
  name: web
spec:
  selector:
    matchLabels:
      app: nginx
  serviceName: "nginx"
  replicas: 3
  template:
    metadata:
      labels:
        app: nginx
    spec:
      terminationGracePeriodSeconds: 1
      containers:
      - name: nginx
        image: nginx:latest
        ports:
        - containerPort: 80
          name: web
        volumeMounts:
        - name: data
          mountPath: /data
  volumeClaimTemplates:
  - metadata:
      name: data
    spec:
      accessModes: [ "ReadWriteOnce" ]
      storageClassName: "nfs-storage"
      resources:
        requests:
          storage: 1Gi

 

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