Kubernetes基于StorageClass的动态存储供应

1、存储类介绍

Kubernetes集群管理员通过提供不同的存储类，可以满足用户不同的服务质量级别、备份策略和任意策略要求的存储需求。动态存储卷供应使用StorageClass进行实现，其允许存储卷按需被创建。如果没有动态存储供应，Kubernetes集群的管理员将不得不通过手工的方式类创建新的存储卷。通过动态存储卷，Kubernetes将能够按照用户的需要，自动创建其需要的存储。

基于StorageClass的动态存储供应整体过程如下图所示：

1）集群管理员预先创建存储类（StorageClass）；

2）用户创建使用存储类的持久化存储声明(PVC：PersistentVolumeClaim)；

3）存储持久化声明通知系统，它需要一个持久化存储(PV: PersistentVolume)；

4）系统读取存储类的信息；

5）系统基于存储类的信息，在后台自动创建PVC需要的PV；

6）用户创建一个使用PVC的Pod；

7）Pod中的应用通过PVC进行数据的持久化；

8）而PVC使用PV进行数据的最终持久化处理。

2、定义存储类

每一个存储类都包含provisioner、parameters和reclaimPolicy这三个参数域，当一个属于某个类的PersistentVolume需要被动态提供时，将会使用上述的参数域。

存储类对象的名称非常重要，用户通过名称类请求特定的存储类。管理员创建存储类对象时，会设置类的名称和其它的参数，存储类的对象一旦被创建，将不能被更新。管理员能够为PVC指定一个默认的存储类。

kind: StorageClass
apiVersion: storage.k8s.io/v1
metadata:
  name: standard
# 指定存储类的供应者
provisioner: kubernetes.io/aws-ebs
parameters:
  type: gp2
# 指定回收策略
reclaimPolicy: Retain
mountOptions:
  - debug

2.1 供应者

存储类有一个供应者的参数域，此参数域决定PV使用什么存储卷插件。参数必需进行设置：

Kubernetes的存储类并不局限于表中的“interneal”供应者，“interneal”供应者的名称带有“kubernetes.io”前缀；也可以允许和指定外部的供应者，外部供应者通过独立的程序进行实现。外部供应者的作者对代码在何处生存、如何供应、如何运行、使用什么卷插件（包括Flex）等有充分的判断权，kubernetes-incubator/external-storage仓库中存在编写外部提供者的类库。例如，NFS不是内部的供应者，但也是可以使用。在kubernetes-incubator/external-storage仓库中以列表的形式展示了一些外部的供应者，一些第三方供应商也提供了他们自己的外部供应者。

2.2 提供者的参数

存储类存在很多描述存储卷的参数，依赖不同的提供者可能有不同的参数。例如，对于type参数，它的值可能为io1。当一个参数被省略，则使用默认的值。

2.3 回收策略

通过存储类创建的持久化存储卷通过reclaimPolicy参数来指定，它的值可以是Delete或者Retain，默认为Delete。对于通过手工创建的，并使用存储类进行管理的持久化存储卷，将使用任何在创建时指定的存储卷。

2.4 挂接选项

通过存储类动态创建的持久化存储卷，会存在一个通过mountOptions参数指定的挂接选择。如果存储卷插件不支持指定的挂接选项，这提供存储供应就会失败，在存储类或者PV中都不会对挂接选项进行验证，因此需要在设置时进行确认。

3、使用存储类

动态存储卷供应基于StorageClass的API对象的来实现，集群管理员能够按需定义StorageClass对象，每一个StorageClass对象能够指定一个存储卷插件（即供应者）。集群管理员能够在一个集群中定义各种存储卷供应，用户不需要了解存储的细节和复杂性，就能够选择符合自己要求的存储。

3.1 启用动态供应

为了启用动态供应，集群管理员需要预先为用户创建一个或者多个存储类对象。存储类对象定义了使用哪个供应者，以及供应者相关的参数。下面是存储类的一个示例，它创建一个名称为slow的存储类，使用gce供应者：

apiVersion: storage.k8s.io/v1
kind: StorageClass
metadata:
  name: slow
provisioner: kubernetes.io/gce-pd
parameters:
  type: pd-standard

下面创建了一个名为“fast”的存储类，其提供类似固态磁盘的存储卷磁盘：

apiVersion: storage.k8s.io/v1
kind: StorageClass
metadata:
  name: fast
provisioner: kubernetes.io/gce-pd
parameters:
  type: pd-ssd

3.2 使用动态供应

用户通过在PersistentVolumeClaim中包含一个存储类，来请求动态供应存储。在Kubernetes v1.6之前的版本，通过volume.beta.kubernetes.io/storage-class注释类请求动态供应存储；在v1.6版本之后，用户应该使用PersistentVolumeClaim对象的storageClassName参数来请求动态存储。

下面是请求fast存储类的持久化存储卷声明的YAML配置文件示例：

apiVersion: v1
kind: PersistentVolumeClaim
metadata:
  name: claim1
spec:
  accessModes:
    - ReadWriteOnce
# 指定所使用的存储类，此存储类将会自动创建符合要求的PV
 storageClassName: fast
 resources:
    requests:
      storage: 30Gi

此声明将使用类似于固态存储磁盘，当持久化存储卷声明被删除后，存储卷也将会被销毁。

3.3 默认行为

如果Kubernetes的集群中没有指定存储类，集群管理员可以通过执行下面的设置，启用默认的存储类：

• 标记一个默认的StorageClass对象；
• 确定API server中DefaultStorage接入控制器已被启用

管理员能够通过添加storageclass.kubernetes.io/is-default-class注释，标记一个特定的StorageClass作为默认的存储类。在集群中，如果存在一个默认的StorageClass，系统将能够在不指定storageClassName 的情况下创建一个PersistentVolume，DefaultStorageClass接入控制器会自动将storageClassName指向默认的存储类。注意：在一个集群中，最多只能有一个默认的存储类，如果没有默认的存储类，那么如果在PersistentVolumeClaim中没有显示指定storageClassName，则将无法创建PersistentVolume。

4、NFS存储类示例

4.1 部署nfs-provisioner

为nfs-provisioner实例选择存储状态和数据的存储卷，并将存储卷挂接到容器的/export 命令。

...
 volumeMounts:
    - name: export-volume
      mountPath: /export
volumes:
  - name: export-volume
    hostPath:
      path: /tmp/nfs-provisioner
...

为StorageClass选择一个供应者名称，并在deploy/kubernetes/deployment.yaml进行设置。

args:
  - "-provisioner=example.com/nfs"
...

完整的deployment.yaml文件内容如下：

kind: Service
apiVersion: v1
metadata:
  name: nfs-provisioner
  labels:
    app: nfs-provisioner
spec:
  ports:
    - name: nfs
      port: 2049
    - name: mountd
      port: 20048
    - name: rpcbind
      port: 111
    - name: rpcbind-udp
      port: 111
      protocol: UDP
  selector:
    app: nfs-provisioner
---

apiVersion: extensions/v1beta1
kind: Deployment
metadata:
  name: nfs-provisioner
spec:
  replicas: 1
  strategy:
    type: Recreate
  template:
    metadata:
      labels:
        app: nfs-provisioner
    spec:
      containers:
        - name: nfs-provisioner
          image: quay.io/kubernetes_incubator/nfs-provisioner:v1.0.8
          ports:
            - name: nfs
              containerPort: 2049
            - name: mountd
              containerPort: 20048
            - name: rpcbind
              containerPort: 111
            - name: rpcbind-udp
              containerPort: 111
              protocol: UDP
          securityContext:
            capabilities:
              add:
                - DAC_READ_SEARCH
                - SYS_RESOURCE
          args:
            # 定义提供者的名称，存储类通过此名称指定提供者
            - "-provisioner=nfs-provisioner"
          env:
            - name: POD_IP
              valueFrom:
                fieldRef:
                  fieldPath: status.podIP
            - name: SERVICE_NAME
              value: nfs-provisioner
            - name: POD_NAMESPACE
              valueFrom:
                fieldRef:
                  fieldPath: metadata.namespace
          imagePullPolicy: "IfNotPresent"
          volumeMounts:
            - name: export-volume
              mountPath: /export
      volumes:
        - name: export-volume
          hostPath:
            path: /srv

在设置好deploy/kubernetes/deployment.yaml文件后，通过kubectl create命令在Kubernetes集群中部署nfs-provisioner。

$ kubectl create -f {path}/deployment.yaml

4.2 创建StorageClass

下面是example-nfs的StorageClass配置文件，此配置文件定义了一个名称为nfs-storageclass的存储类，此存储类的提供者为nfs-provisioner。

apiVersion: storage.k8s.io/v1
kind: StorageClass
metadata:
  name: nfs-storageclass
  provisioner: nfs-provisioner

通过kubectl create -f命令使用上面的配置文件创建：

$ kubectl create -f deploy/kubernetes/class.yaml

storageclass “example-nfs” created

在存储类被正确创建后，就可以创建PersistenetVolumeClaim来请求StorageClass，而StorageClass将会为PersistenetVolumeClaim自动创建一个可用PersistentVolume。

4.3 创建PersistenetVolumeClaim

PersistenetVolumeClaim是对PersistenetVolume的声明，即PersistenetVolume为存储的提供者，而PersistenetVolumeClaim为存储的消费者。下面是PersistentVolumeClaim的YAML配置文件，此配置文件通过spec.storageClassName字段指定所使用的存储储类。

在此配置文件中，使用nfs-storageclass存储类为PersistenetVolumeClaim创建PersistenetVolume，所要求的PersistenetVolume存储空间大小为1Mi，可以被多个容器进行读取和写入操作。

apiVersion: v1
kind: PersistentVolumeClaim
metadata:
  name: nfs-pvc
spec:
  accessModes:
  - ReadWriteMany
  storageClassName： nfs-storageclass
  resources:
    requests:
      storage: 1Mi

通过kubectl create命令创建上述的持久化存储卷声明：

$ kubectl create -f {path}/claim.yaml

 4.4 创建使用PersistenVolumeClaim的部署

 在这里定义名为busybox-deployment的部署YAML配置文件，使用的镜像为busybox。基于busybox镜像的容器需要对/mnt目录下的数据进行持久化，在YAML文件指定使用名称为nfs的PersistenVolumeClaim对容器的数据进行持久化。

# This mounts the nfs volume claim into /mnt and continuously
# overwrites /mnt/index.html with the time and hostname of the pod. 
apiVersion: v1
kind: Deployment
metadata:  
  name: busybox-deployment
spec:  
  replicas: 2  
  selector:    
    name: busybox-deployment
  template:    
    metadata:      
      labels:        
        name: busybox-deployment    
    spec:      
      containers:      
      - image: busybox        
        command:          
        - sh          
        - -c          
        - 'while true; do date > /mnt/index.html; hostname >> /mnt/index.html; sleep $(($RANDOM % 5 + 5)); done'        
        imagePullPolicy: IfNotPresent        
        name: busybox        
        volumeMounts:          
        # name must match the volume name below          
        - name: nfs            
          mountPath: "/mnt"     
     # 
     volumes:      
     - name: nfs        
       persistentVolumeClaim:          
         claimName: nfs-pvc

通过kubectl create创建busy-deployment部署：

$ kubectl create -f {path}/nfs-busybox-deployment.yaml

参考资料

作者简介：
季向远，北京神舟航天软件技术有限公司产品经理。本文版权归原作者所有。