k8s中的Volume体系与存储架构

一、容器中使用Volume

1、作为文件系统挂载

容器中通过volumeMounts字段使用Volume作为文件系统挂载：
（1）name字段指定使用哪个Volume；
（2）mountPath字段指定Volume在容器中的挂载路径；
（3）readOnly字段指定挂载的Volume是否只读；
（4）多个容器共享Volume时，可以隔离不同容器在Volume上数据存储的路径
subPath直接指定子目录的名字，
subPathExpr则指定${XXX}，通过环境变量获取子目录的名字
这两个字段都默认为空，不能同时配置
（5）通过mountPropagation配置挂载传播
None（默认）：此Volume挂载不会接收到任何后续挂载到该Volume（或子目录）下的挂载
HostToContainer：此Volume挂载将会接收到任何后续挂载到该Volume（或子目录）下的挂载
Bidirectional：类似HostToContainer，但容器创建的Volume挂载都将传播回主机和所有使用相同Volume的容器
三种挂载传播机制分别对应了Linux内核mount namespace的private、rslave、rshared传播机制

2、作为块设备挂载

容器中通过volumeDevices字段使用Volume作为块设备挂载
（1）name字段指定使用哪个Volume
（2）devicePath指定volume在容器中的挂载路径

二、Pod中声明Volume

Pod在spec.volumes中声明挂载了哪些Volume，VolumeSource大体分为以下几类：

1、本地存储

（1）emptyDir：在Pod创建过程中创建的一个临时目录，这个目录里的数据随着Pod删除也会被清除

存储介质包括内存（基于RAM的temfs）、磁盘等、巨页三种

目前也支持设置SizeLimit

存储介质为内存的Volume会同时受SizeLimit和Pod内所有容器总内存limit的限制，都没设的话就会限制为主机内存的一半

（2）hostPath：宿主机上的一个路径，在Pod删除之后还存在。路径如果是软链接的话会自动转向实际路径。

种类包括Directory、File、Socket、CharDevice、BlockDevice五种

考虑到Directory、File在主机上可能不存在，可以设置为DirectoryOrCreate、FileOrCreate

2、网络存储

如NFS、CephFS、RBD、 ISCSI等

3、云厂商提供的存储

例如在vSphere平台上部署Kubernetes时，可以使用vSphereVolume作为后端存储

在GCE可使用GCEPersistentDisk

在AWS上可以使用AWSElasticBlockStore

在Azure可以使用AzureFile

......

4、配置文件

（1）DownwardAPI可以将Pod API对象的部分字段以临时文件的形式注入到容器中

（2）可以将ConfigMap/Secret以持久化Volume的形式挂载到容器中，让容器中的程序可以通过POSIX接口来访问配置数据；也支持仅将它们的一部分以临时文件的形式注入到容器中

详见 ConfigMap & Secret

（3）Projected可以将配置信息的一部分，以临时文件的形式注入到容器中

包括Configmap、Secret、DownwardAPI、ServiceAccount Token四种

例如：将Pod的metadata.labels中的内容，以labels这个文件名挂载到mountPath下

  volumes:
    - name: podinfo
      projected:
        sources:
        - downwardAPI:
            items:
              - path: "labels"
                fieldRef:
                  fieldPath: metadata.labels

5、CSI和FlexVolume

CSIVolumeSource的数据结构：

Driver

根据Driver name指定由哪个CSI Plugin来处理该Volume

ReadyOnly
FsType

希望挂载的文件系统种类，如ext4、xfs等

VolumeAttribute

用于附加参数，如PV定义的是OSS，就可以在这里定义bucket、访问的地址等信息

NodePublishSecretRef

指定一个Secret的Name

调用CSI Plugin的NodePublishVolume/NodeUnpublishVolume接口时，使用该Secret传递敏感信息

FlexVolumeSource的数据结构：

Driver
ReadyOnly
FsType
SecretRef
Options

由于是在Pod中声明的，所以其实是一种临时Volume。Volume需要和Pod一起生成，并且作为Pod的一部分，和Pod一起终结。

6、PVC

Pod中声明的Volume，生命周期与Pod相同。k8s又引入了PV（Persistent Volumes）概念，它可以将存储和计算分离，通过不同的组件来管理存储资源和计算资源，解耦Pod和Volume之间生命周期的关联。

当Pod删除后，它使用的PV仍然存在，还可以被新建的Pod复用。

用户只需在PVC（PersistentVolumeClaim）中声明自己需要的Resources、AccessModes等需求，而不需要关心存储实现细节。

PV才是存储的实际信息的承载体。PV和对应的后端存储信息交由集群管理员统一运维和管控，安全策略更容易控制。

PersistentVolumeSpec的数据结构

Capacity

使用map[ResourceName]resource.Quantity来描述资源量

一般只设置一对ResourceName为storage、resource.Quantity为xxx Gi的kv，表明创建的存储大小

PersistentVolumeSource

该PV真正的Source

和Pod中直接声明Volume所支持的Source种类几乎一样（只是少了emptyDir、配置文件的四种、Ephemeral和自己）

AccessModes

PV访问策略控制列表，表明创建出来的存储的访问方式

ReadWriteOnce只允许单node上的Pod访问

ReadOnlyMany允许多个node的Pod只读访问

ReadWriteMany允许多个node上的Pod读写访问

VolumeMode

Volume将被如何挂载，包括Block和Filesystem两种

ClaimRef

记录着PVC的绑定信息

PersistentVolumeReclaimPolicy

表明该Volume被release后（即与之绑定的PVC被删除后）的回收策略

Delete：Volume被released后直接删除，需要Volume plugin支持

Retain：默认策略，由系统管理员来手动管理该Volume。

StorageClassName
MountOptions

传递挂载选项的String切片

PS：传递过程不会做验证，如果Volume plugin不支持某个Options，则分配操作可能会失败。

NodeAffinity

限制了可以访问该Volumes的node，对使用该Volume的Pod调度有影响

PersistentVolumeClaimSpec的数据结构

AccessModes
Selector

通过标签选择器选择一组PV

VolumeName

直接指定要绑定的PV名

Resources

包括request和limit两种，使用map[ResourceName]resource.Quantity来描述资源需求量

StorageClassName
VolumeMode
DataSource

快照体系

k8s引入了VolumeSnapshotContent/VolumeSnapshot/VolumeSnapshotClass体系，以支持存储快照功能。不过目前只有CSI支持。

（1）首先创建VolumeSnapshotClass

apiVersion: snapshot.storage.k8s.io/v1a1pha1
kind: VolumeSnapshotClass
metadata:
    name: disk-snapshotclass
snapshotter: xxxxxx

snapshotter指定了真正创建存储快照所使用的Volume Plugin

（2）通过Volumesnapshot声明创建存储快照：

apiVersion: snapshot.storage.k8s.io/v1a1pha1
kind: VolumeSnapshot
metadata:
    name:disk-snapshot
    namespace: xxx
spec:
    snapshotClassName: disk-snapshotclass
    source:
        name: disk-pvc
        kind: PersistentVolumeClaim

.spec.snapshotClassName指定了使用的VolumeSnapshotClass

.spec.source.name指定了作为数据源的PVC

提交VolumeSnapshot对象后，集群中的相关组件会找到数据源PVC对应的PV存储，对这个PV存储做一次快照。并自动创建Volumesnapshotcontent对象。

Volumesnapshotcontent对象中记录了云存储厂商返回的snapshot的ID、作为数据源的PVC

删除VolumeSnapshot后Volumesnapshotcontent也会自动删除

（3）数据恢复时，将PVC对象的DataSource指定为VolumeSnapshot对象。

这样当PVC提交之后，会由集群中的相关组件找到dataSource所指向的VolumeSnapshotContent，然后新创建对应的存储以及PV，将存储快照数据恢复到新的PV中。

绑定

通过kube-controller-manager中的PV Controller将PV和合适的PVC绑定到一起，绑定有三种方式：

（1）静态产生方式 - Static Volume Provisioning

集群管理员事先规划用户怎样使用存储，并预分配一些存储（即预创建一些 PV）

用户在使用存储的时候，需要先提交自己的存储需求（即PVC）

K8s内部相关组件会根据PVC的size和accessMode，判断它跟静态创建的哪个PV匹配，然后绑定到一起。

注：一个PV可以设置多个访问策略。PVC与PV绑定时，PV Controller会优先找到AccessModes列表最短并且匹配PVC AccessModes列表的PV集合，然后从该集合中找到Capacity最小且符合PVC size需求的PV对象

之后，用户通过Pod使用存储时，可以在volumes里声明要用哪个PVC。Pod通过该PVC找到绑定的PV。

（2）动态产生方式 - Dynamic Volume Provisioning

集群管理员不预分配PV，而是预先准备StoregeClass（创建PV的模板），它包含了创建某种具体类型（块存储、文件存储等）的PV所需要的参数信息。

StorageClass为管理员提供了描述存储 "类" 的方法，其数据结构：

metav1.TypeMeta
metav1.ObjectMeta
Provisioner

指定了使用哪个Volume Plugin的Provisioner（存储分配器）来进行PV的provision/delete操作。

其中，Internal Provisioner的名称前缀为kubernetes.io并打包在Kubernetes中（由PV Controller进行此工作）

Volume Plugin	Internal Provisioner	Config Example
AWSElasticBlockStore	✓	AWS EBS
AzureFile	✓	Azure File
AzureDisk	✓	Azure Disk
CephFS	-	-
Cinder	✓	OpenStack Cinder
FC	-	-
FlexVolume	-	-
Flocker	✓	-
GCEPersistentDisk	✓	GCE PD
Glusterfs	✓	Glusterfs
iSCSI	-	-
Quobyte	✓	Quobyte
NFS	-	-
RBD	✓	Ceph RBD
VsphereVolume	✓	vSphere
PortworxVolume	✓	Portworx Volume
ScaleIO	✓	ScaleIO
StorageOS	✓	StorageOS
Local	-	Local

ReclaimPolicy

由SC动态创建出来的PV将使用该ReclaimPolicy

AllowVolumeExpansion

若设置为true，且底层Volume Plugin支持卷扩展，可以编辑PVC对象来扩大（不能缩小）Volume大小

MountOptions

由SC动态创建的PV将使用该MountOptions

VolumeBindingMode

控制了卷绑定和动态分配的发生时间：

Immediate模式表示一旦创建了PVC，也就完成了卷的动态分配和绑定。对于由于拓扑限制而非集群所有节点可达的存储后端，PV会在不知道Pod调度要求的情况下分配、绑定。

WaitForFirstConsumer模式将延迟PV的分配和绑定，直到使用该PVC的Pod被创建。PV再根据Pod的调度结果分配和绑定。

AllowedTopologies

指定了允许的拓扑结构

VolumeBindingMode配置为WaitForFirstConsumer模式的情况下一般无需再配置此字段，除非除了Pod调度，动态创建的PV也有拓扑位置的限制。

此时需要同时配置WaitForFirstConsumer和AllowedTopologies，这样既限制了动态创建的PV要能被这个可用区访问、也限制了Pod在选择node时要落在这个可用区内。

Parameters

以key:values的形式描述属于Volume的参数，最多可定义512个，总长度不超过256KB

PV分配器可以接受哪些参数，需要后端存储的提供者提供。

该产生方式下，PVC配置方式不变，只需在PVC中指定需要使用的StoregeClass模板。

此时，若PVC找不到相应的PV，就会用指定的StorageClass模板去动态创建PV，并将PVC和PV进行绑定；存在一个满足条件的PV时，就会直接使用现有的PV。

（3）静态产生方式下满足PV的拓扑限制

Local PV一般通过静态创建的方式，先要声明PV对象，在PV对象中通过nodeAffinity来给这个PV加上拓扑限制，限制其只能在单node上访问

apiVersion: v1
kind: PersistentVolume
metadata:
  name: pv-local
spec:
  capacity:
    storage: 5Gi
  volumeMode: Filesystem
  accessModes:
  - ReadWriteOnce
  persistentVolumeReclaimPolicy: Delete
  storageClassName: local-storage
  local:
    path: /data
  nodeAffinity:
    required:
      nodeSelectorTerms:
      - matchExpressions:
        - key: kubernetes.io/hostname
          operator: In
          values:
          - cn-beijing.192.168.1.147

虽然是静态产生方式，仍然需要创建SC

kind: StorageClass
apiVersion: storage.k8s.io/v1
metadata:
    name:lacal-storage
provisioner: kubernetes.io/noprovisioner
volumeBindingMode:WaitFirstConsumer

provisioner指定为no-provisioner，目的是告诉PV Controller遇到该PVC时无需进行任何操作

VolumeBindingMode需要设置为WaitForFirstConsumer。用户提交PVC后，PV Controller找到相应的SC，发现BindingMode是延迟绑定，就不会做任何事情。

当真正使用这个PVC的Pod，在调度的时恰好调度在符合PV拓扑要求的节点上之后，Pod里使用的PVC才会真正与PV做绑定。这样就能保证最终创建出来的Pod能访问这块Local PV。

PV和PVC的状态流转：

创建PV对象后，它会暂时处于pending状态。等真正的PV创建好之后，它处在available状态（可以使用）。

创建PVC对象后，它会暂时处于pending状态，直到PV和PVC就结合到一起，此时两者都处在bound状态。

当用户在使用完PVC将其删除后，PV处于released状态，依赖于ReclaimPolicy配置被删除或保留。在默认的Retain策略下，保留的PV无法从released状态回到available状态（即无法被一个新的PVC绑定），需要：

新建一个PV对象，把之前的released的PV的相关字段的信息填到新的PV对象里面，这个PV就可以结合新的PVC了；
删除Pod之后不删除PVC对象，这样给PV绑定的PVC还存在。下次Pod使用的时候，就可以直接通过PVC去复用。（K8s中的StatefulSet管理的Pod带存储的迁移就是通过这种方式）。
从PV的spec.claimRef字段删除PVC绑定信息，即可重新释放PV从而达到available。

处于Bound状态的PVC，与其关联的PV被删除后，变成Lost状态；重新与PV绑定后变成Bound状态。

7、ephemeral

区别于Persistent Volumes，k8s又提出了Ephemeral Volumes

其类似emptyDir，可以为每个Pod提供临时的数据存放目录

由于是通过volumeClaimTemplate声明的，其实是一种通用临时卷，可以由所有支持PV的存储所提供

spec:
  volumes:
    - name: scratch-volume
      ephemeral:
        volumeClaimTemplate:
          metadata:
            labels:
              type: my-frontend-volume
          spec:
            accessModes: [ "ReadWriteOnce" ]
            storageClassName: "scratch-storage-class"
            resources:
              requests:
                storage: 1Gi

三、Volume挂载流程

（1）PV Controller

负责PV/PVC的绑定、生命周期管理，并根据需求进行数据卷的Provision/Delete操作。

主要有两个实现逻辑：

①ClaimWorker实现PVC的状态迁移：

②VolumeWorker实现PV的状态迁移：

（2）Attach/Detach Controller

负责存储设备的Attach/Detach操作，将设备挂载到目标节点

有两个核心对象：

下图是AD Controller实现的逻辑框图：

对于使用了CSI Plugin的PV/PVC，PV Controller和AD Controller不会进行Provision/Delete和Attach/Detach，只会进行一些辅助工作，详见container storage interface

（3）Volume manager

Volume Manager实际是Kubelet中众多Manager中的一个。它主要是用来做本节点Volume的Attach/Detach/Mount/Unmount操作、卷设备的格式化

它逻辑上和AD Controller类似，一样包含有desireStateofWorld以及actualStateofWorld，通过desiredStateOfWorldPopulator进行数据的同步、通过Reconciler进行接口的调用。

若Kubelet启动参数"--enable-controller-attach-detach" 为True，Attach/Detach操作由AD Controller来控制；若为False，则由Volume Manager来做（一般不需要，后续可能删除此功能）。

下图是 Volume Manager 实现逻辑图：

（4）Volume Plugins

PV Controller、AD Controller、Volume Manager主要是进行操作的调用，而具体操作则是由Volume Plugins实现的。

根据源码的位置可将Volume Plugins分为In-Tree和Out-of-Tree两类：

Out-of-Tree类的Volume Plugins的代码放在Kubernetes内部，和Kubernetes一起发布、管理与迭代，缺点是迭代速度慢、灵活性差；
Out-of-Tree类的Volume Plugins的代码独立于Kubernetes，它是由存储商提供实现的，目前主要有Flexvolume和CSI两种实现机制。通过抽象接口将不同存储的driver实现从k8s代码仓库中剥离，是社区主推的一种实现网络存储插件的方式。

Volume Plugins的发现

Kubernetes会在PV Controller、AD Controller以及Volume Manager中做插件管理。通过VolumePlguinMg对象进行管理。主要包含Plugins和Prober两个数据结构。

Plugins主要是用来保存Plugins列表的一个对象，而Prober是一个探针，用于发现新的Plugin

下图是插件管理的整个过程：

参考资料：

[1] https://kubernetes.io/docs/home/

[2] https://edu.aliyun.com/roadmap/cloudnative

[3] 郑东旭《Kubernetes源码剖析》

posted @ 2021-01-17 15:00 扬羽流风阅读(2237) 评论(0) 编辑收藏举报

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