浅谈Kubernetes 持久化存储管理

作者：周晓晓 2022-11-29 08:05:48
云计算 Kubernetes通过PV、PVC、StorageClass、CSI标准构建了一套完善的存储管理机制，G行充分利用Kubernetes资源对象，并针对行内现状，引入多种存储类型和对应的CSI存储插件，实现了多种CSI并行及自动化容器存储管理。

​一、引言

Kubernetes从版本1.0以后，引入了两个新的 API 资源：PersistentVolume 和 PersistentVolumeClaim 实现了对存储供应的独立管理。持久卷（PersistentVolume，PV） 是对存储资源在集群中的抽象；持久卷声明（PersistentVolumeClaim，PVC）则是用户对存储资源的请求。尽管PV和PVC已经实现了对用户存储资源请求的管理，但是管理员仍需手动创建各种类型的PV 实现对用户的存储供应。为了实现存储资源的动态供应，Kubernetes从版本1.4以后就引入了存储类（StorageClass）资源。自1.9版本以后，Kubernetes又引入了容器存储接口（Container Storage Interface CSI），将存储驱动代码从Kubernetes的核心库中剥离了出来，在Kubernetes和外部存储间引入了一套标准的存储管理接口，使得外部存储可以通过实例化该接口动态为容器提供存储资源。本文将从上述资源对象入手，对Kubernetes的存储管理进行简要说明，并简述G行在容器存储管理上的实践。

二、PV和PVC

1、PV

PV（PersistentVolume） 是集群中存储资源，一般由管理员创建或者由StorageClass自动创建。他们不同于普通的volume，其生命周期独立于Pod存在。PV主要包括了存储能力、访问模式、存储类型、回收策略、后端存储类型等关键信息的描述。下文我们来创建一个PV，YAML如下：

针对这个例子，我们来对PV的关键属性进行简要描述：

• Capacity：描述指定存储设备的存储能力，目前仅支持对存储大小（storage）的设置，未来可能支持IOPS、吞入量等；
• VolumeMode：Kubernetes支持两种存储卷模式：Filesystem（文件系统）和Block（块设备），默认值为Filesytem。当VolumeMode指定为Filesystem时，Kubernetes会在首次挂载时实现对文件系统的初始化；当VolumeMode指定为Block时，则会以原始块设备的形式挂载给Pod，Pod和Volume之间不会有任何文件系统层；
• AccessModes：描述用户对存储资源的访问权限，需要注意的是一个PV在同一时刻只能以一种访问模式被挂载，其可选的访问模式包括：a. ReadWriteOnce（RWO）：卷可以被一个节点以读写方式挂载，可以被同一节点上的多个Pod访问；b. ReadOnlyMany（ROX）：卷可以被多个节点以只读方式挂载；c. ReadWriteMany（RWX）：卷可以被多个节点以读写方式挂载；d. ReadWriteOncePod（RWOP）：卷可以被单个Pod 以读写方式挂载。此模式必须需要CSI支持以及需要 Kubernetes 1.22 以上版本。
• StorageClassName：指定的存储类别（StorageClass），只有StorageClassName相同的PV和PVC才能进行绑定。若StorageClassName不进行设置，则会被设置为集群默认的 StorageClass。

2、PVC

PVC 是用户对存储资源的申请，主要包括了存储空间请求、访问模式、选择条件和存储类别等信息的描述。集群根据PVC的描述为其选择匹配的PV进行绑定。下面我们来创建一个PVC，YAML如下：

针对这个例子，我们来对PVC的关键属性进行简要描述：

• Resources：描述对存储资源的请求，例如存储大小（requests.storage）；
• VolumeMode：存储卷模式，其设置跟PV的设置相同；
• AccessModes：访问模式，其设置跟PV的设置相同；
• StorageClassName：存储类别（StorageClass）名称，当系统设置了StorageClass，则系统会自动为PVC创建相应的PV并进行绑定；
• Selector：选择器，PVC会根据selector的内容对满足条件的PV进行筛选，选择KV匹配的PV进行绑定。

PVC根据上述属性描述选择与之匹配的PV进行绑定，需要注意的是，PVC只会在相同的Namespace内选择PV，同样的，Pod也只能挂载相同的Namespace的PVC。只有当PVC选择到合适的PV时，才可以被Pod进行正常挂载，示例如下：

3、PV和PVC的生命周期

PV生命周期的各个阶段：

• Available（可用）：尚未与任何PVC进行绑定；
• Bound（已绑定）：已经绑定到某个PVC；
• Released（已释放）：所绑定的PVC已被删除，但是资源尚未被集群回收；
• Failed（失败）：卷自动回收操作失败。

PV和PVC的相互关系如下图1所示的生命周期：

图1

Kubernetes提供了两种存储资源的供应模式：

静态模式：集群管理员必须联系存储管理员手动来创建新的存储卷， 然后在 Kubernetes 集群创建 PersistentVolume 对象来表示这些卷，最后用户创建PVC进行绑定。

动态模式：集群管理员无需手动创建PV卷，通过配置StorageClass来实现对存储类的管理和资源的动态供应。用户申请PVC时，指定StorageClassName，对应的StorageClass将会自动完成对应存储类的存储卷创建以及Kubernetes集群中PV的创建。若StorageClassName声明为"", 则说明该PVC禁止使用动态模式。

三、StorageClass和CSI

1、StorageClass

动态供应模式主要基于StorageClass对象实现，集群管理员可以针对不同的存储类型创建不同的StorageClass，对用户屏蔽了底层存储的细节。基于StorageClass的动态存储供应逐步成为了云平台的标准存储配置模式。StorageClass主要包括了存储提供者以及相关存储参数的配置。StorageClass一旦创建，则不能被修改，只能删除重建。示例如下：

示例声明一个名为standard，由Kubernetes.io/aws-ebs提供的存储类。

2、CSI

StorageClass提供了存储动态供应的功能，但是各种后端存储插件的代码都必须被放入Kubernetes的主干代码中以供调用，这种紧耦合的开发模式，导致了巨大的维护成本和诸多问题。因此Kubernetes基于上述考虑，推出了容器存储接口标准（CSI）。各存储提供方自行维护自己的存储插件代码，只要满足CSI 标准，即可让Kubernetes进行调用，无需再耦合在Kubernetes的主干代码中。CSI 存储插件的标准实现主要包含两种组件：

Controller Plugin：Controller主要实现存储资源和存储类的管理，一般为单实例部署，可以部署在任意节点上。

Node Plugin：主要实现对Node上存储卷的管理和操作，包括卷的挂载、卸载等，一般部署为Daemonset，每个Node上运行一个Pod。

四、G行的容器存储管理实践

1、背景

G行在云平台3.0之前已经引入了集中式NAS存储，在用户需要申请PV卷时，需要先向存储管理员提出申请，然后由存储管理员在存储端按用户需求创建一块存储卷，再由系统管理员在集群中手动创建PV卷完成资源交付，最后用户在系统中创建PVC完成资源申请，流程如下图2所示：

图2

从上述流程描述可以看出，整个过程中需要大量人为介入，缺乏自动化。Kubernetes本身提供了StorageClass 用于支持资源的动态创建，因此G行考虑在现有基础上引入CSI存储插件，实现了自动化存储交付。并在原有的基础上，引入了高性能本地存储和分布式SAN存储，扩充了存储资源类型。

2、CSI的部署与实践

图3

CSI的部署过程如上图3所示，过程相对比较复杂，每次Kubernetes集群创建后，若都需要手动部署CSI插件，无疑会增加系统运维的成本。G行在此基础上引入APP标准化交付框架，将Kubernetes的集群创建操作，以及CSI插件的部署进行了集成，实现了Kubernetes集群的一键化创建，标准化交付。当集群创建完成后，相应的CSI插件及StorageClass就已经自动完成了部署，用户即可直接使用。

集群中已经部署好用户所需的StorageClass，存储资源申请只需直接创建PVC即可，示例如下：

刚创建完的PVC的状态为Pending。

CSI的Controller会Watch kube-apiserver，检测StorageClass的provisioner为自身的PVC的变化，当感知到PVC的创建后，会自动去存储端进行存储卷的创建，存储卷创建完以后，Controller会自动在集群中创建PV。

图4

整个过程结束后，可以在集群中看到PV已经被成功创建，PVC的状态已经变为了Bound。

从图4上述过程可以看出，用户申请存储资源的整个流程中，无需存储管理员和集群管理员手动干预，即可自动存储资源交付。

3、使用CSI支持动态扩容

在云平台3.0中，G行在云平台3.0中的引入了高性能本地存储和分布式SAN存储，这两类存储在存储层基于KVM动态扩容技术可实现对后端存储卷的动态扩容。在容器平台中，G行对相应的CSI Controller进行了升级优化，实现了EXPAND_VOLUME的功能，响应用户的扩容需求。当CSI Controller在Watch到相应的修改后，会调用存储后端接口对相应的存储卷和PV卷进行扩容，并对文件系统根据相应设置进行调整。

首先在存储插件部署时，需要将StorageClass的allowVolumeExpansion字段设置为True，开启动态扩容，StorageClaas配置示例如下：

对于正在运行中的业务，若用户有扩容需求，无需卸载其使用的PV卷，直接修改PVC的requests大小，CSI Controller则立即尝试调用存储后端接口对相应的存储卷和PV卷进行扩容，后端存储在接收到扩容需求后，调用virsh blockresize命令调整存储卷大小，并将处理结果返回给CSI Controller。CSI Controller确认存储卷已经扩容后，找到当前存储卷所挂载的node节点，请求相应的node节点上的CSI Daemonset对扩容卷进行resize，将扩容的容量扩充进文件系统中。至此，用户的动态扩容需求就完成了。整个扩容流程，用户无需暂停业务，业务连续性和稳定性得到了保障。

4、多种CSI并行

G行在云平台3.0中支持了集中式NAS存储、高性能本地存储和分布式SAN存储，并针对这三类存储类进行了性能测试，针对测试结果梳理了相应的用户使用场景，部分测试数据如下（测试数据仅供参考）：

集中式NAS存储：作为文件存储，读写性能弱于块存储，原生支持文件系统的多节点读写，适用于有文件共享需求的用户使用。

分布式SAN存储：分布式块存储，读写性能好。在存储模式为Filesystem时不支持多节点读写，适用于对存储性能要求较高，无共享存储需求的用户使用。

高性能本地存储：本地块存储，读写性能好。同样不支持Filesystem存储模式下的多节点读写，适用于单存储卷容量300G以下，无共享存储需求，对存储性能要求高的用户使用。

五、总结

Kubernetes通过PV、PVC、StorageClass、CSI标准构建了一套完善的存储管理机制，G行充分利用Kubernetes资源对象，并针对行内现状，引入多种存储类型和对应的CSI存储插件，实现了多种CSI并行及自动化容器存储管理。存储管理员和系统管理员无需再手动创建存储卷和PV卷，只需在项目创建之初，针对不同的存储类（StorageClass）给项目分配存储配额。用户需要时，可直接创建PVC，CSI 控制器会根据用户的PVC参数，调用存储端接口，自动创建存储卷以及PV卷，实现了用户的即时申请，即时可用，当用户有扩容需求时，现有CSI控制器也可支持PV卷的动态扩容，无需管理员手动调整。相比静态交付管理的模式，集群管理员无需预先配置存储，既降低了人力成本，又提升了交付效率和业务的连续性。同时，多种存储类的引入也满足了不同使用场景下的用户需求。

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