Kubernetes持久化存储卷PersistentVolume

1、持久化存储卷和声明介绍

PersistentVolume（PV）用于为用户和管理员提供如何提供和消费存储的API，PV由管理员在集群中提供的存储。它就像Node一样是集群中的一种资源。PersistentVolume 也是和存储卷一样的一种插件，但其有着自己独立的生命周期。PersistentVolumeClaim (PVC)是用户对存储的请求，类似于Pod消费Node资源，PVC消费PV资源。Pod能够请求特定的资源(CPU和内存)，声明请求特定的存储大小和访问模式。PV是一个系统的资源，因此没有所属的命名空间。

2、持久化存储卷和声明的生命周期

在Kubernetes集群中，PV 作为存储资源存在。PVC 是对PV资源的请求和使用，也是对PV存储资源的”提取证”，而Pod通过PVC来使用PV。PV 和 PVC 之间的交互过程有着自己的生命周期，这个生命周期分为5个阶段：

• 供应(Provisioning)：即PV的创建，可以直接创建PV（静态方式），也可以使用StorageClass动态创建
• 绑定（Binding）：将PV分配给PVC
• 使用（Using）：Pod通过PVC使用该Volume
• 释放（Releasing）：Pod释放Volume并删除PVC
• 回收（Reclaiming）：回收PV，可以保留PV以便下次使用，也可以直接从云存储中删除

根据上述的5个阶段，存储卷的存在下面的4种状态：

• Available：可用状态，处于此状态表明PV以及准备就绪了，可以被PVC使用了。
• Bound：绑定状态，表明PV已被分配给了PVC。
• Released：释放状态，表明PVC解绑PV，但还未执行回收策略。
• Failed：错误状态，表明PV发生错误。

2.1 供应（Provisioning）

供应是为集群提供可用的存储卷，在Kubernetes中有两种持久化存储卷的提供方式：静态或者动态。

2.1.1 静态(Static)

PV是由Kubernetes的集群管理员创建的，PV代表真实的存储，PV提供的这些存储对于集群中所有的用户都是可用的。它们存在于Kubernetes API中，并可被Pod作为真实存储使用。在静态供应的情况下，由集群管理员预先创建PV，开发者创建PVC和Pod，Pod通过PVC使用PV提供的存储。静态供应方式的过程如下图所示：

2.1.2 动态（Dynamic）

对于动态的提供方式，当管理员创建的静态PV都不能够匹配用户的PVC时，集群会尝试自动为PVC提供一个存储卷，这种提供方式基于StorageClass。在动态提供方向，PVC需要请求一个存储类，但此存储类必须有管理员预先创建和配置。集群管理员需要在API Server中启用DefaultStorageClass的接入控制器。动态供应过程如下图所示：

2.2 绑定

在Kubernetes中，会动态的将PVC与可用的PV的进行绑定。在kubernetes的Master中有一个控制回路，它将监控新的PVC，并为其查找匹配的PV（如果有），并把PVC和PV绑定在一起。如果一个PV曾经动态供给到了一个新的PVC，那么这个回路会一直绑定这个PV和PVC。另外，用户总是能得到它们所要求的存储，但是volume可能超过它们的请求。一旦绑定了，PVC绑定就是专属的，无论它们的绑定模式是什么。

如果没有匹配的PV，那么PVC会无限期的处于未绑定状态，一旦存在匹配的PV，PVC绑定此PV。比如，就算集群中存在很多的50G的PV，需要100G容量的PVC也不会匹配满足需求的PV。直到集群中有100G的PV时，PVC才会被绑定。PVC基于下面的条件绑定PV，如果下面的条件同时存在，则选择符合所有要求的PV进行绑定:

1）如果PVC指定了存储类，则只会绑定指定了同样存储类的PV；

2）如果PVC设置了选择器，则选择器去匹配符合的PV;

3）如果没有指定存储类和设置选取器，PVC会根据存储空间容量大小和访问模式匹配符合的PV。

2.3 使用

Pod把PVC作为卷来使用，Kubernetes集群会通过PVC查找绑定的PV，并将其挂接至Pod。对于支持多种访问方式的卷，用户在使用 PVC 作为卷时，可以指定需要的访问方式。一旦用户拥有了一个已经绑定的PVC，被绑定的PV就归该用户所有。用户能够通过在Pod的存储卷中包含的PVC，从而访问所占有的PV。

2.４释放

当用户完成对卷的使用时，就可以利用API删除PVC对象了，而且还可以重新申请。删除PVC后，对应的持久化存储卷被视为“被释放”，但这时还不能给其他的PVC使用。之前的PVC数据还保存在卷中，要根据策略来进行后续处理。

2.5 回收

PV的回收策略向集群阐述了在PVC释放卷时，应如何进行后续工作。目前可以采用三种策略：保留，回收或者删除。保留策略允许重新申请这一资源。在PVC能够支持的情况下，删除策略会同时删除卷以及AWS EBS/GCE PD或者Cinder卷中的存储内容。如果插件能够支持，回收策略会执行基础的擦除操作（rm -rf /thevolume/*），这一卷就能被重新申请了。

2.5.1 保留

保留回收策略允许手工回收资源。当PVC被删除，PV将仍然存储，存储卷被认为处于已释放的状态。但是，它对于其他的PVC是不可用的，因为以前的数据仍然保留在数据中。管理员能够通过下面的步骤手工回收存储卷：

1）删除PV：在PV被删除后，在外部设施中相关的存储资产仍然还在；

2）手工删除遗留在外部存储中的数据；

3）手工删除存储资产，如果需要重用这些存储资产，则需要创建新的PV。

2.5.2 循环

警告：此策略将会被遗弃。建议后续使用动态供应的模式。

循环回收会在存储卷上执行基本擦除命令：rm -rf /thevolume/*，使数据对于新的ＰＶＣ可用。

2.5.3 删除

对于支持删除回收策略的存储卷插件，删除即会从Kubernetes中移除PV，也会从相关的外部设施中删除存储资产，例如AWS EBS, GCE PD, Azure Disk或者Cinder存储卷。

3、持久化存储卷

在Kubernetes中，PV通过各种插件进行实现，当前支持下面这些类型的插件：

• GCEPersistentDisk
• AWSElasticBlockStore
• AzureFile
• AzureDisk
• FC (Fibre Channel)
• FlexVolume
• Flocker
• NFS
• iSCSI
• RBD (Ceph Block Device)
• CephFS
• Cinder (OpenStack block storage)
• Glusterfs
• VsphereVolume
• Quobyte Volumes
• HostPath (Single node testing only – local storage is not supported in any way and WILL NOT WORK in a multi-node cluster)
• VMware Photon
• Portworx Volumes
• ScaleIO Volumes
• StorageOS

持久化存储卷的可以通过YAML配置文件进行，并指定使用哪个插件类型，下面是一个持久化存储卷的YAML配置文件。在此配置文件中要求提供5Gi的存储空间，存储模式为Filesystem ，访问模式是ReadWriteOnce，通过Recycle回收策略进行持久化存储卷的回收，指定存储类为slow，使用nfs的插件类型。需要注意的是，nfs服务需要提供存在。

apiVersion:v1
kind:PersistentVolume
metadata:
  name:pv0003
spec:
  capacity: #容量
     storage:5Gi
  volumeMode:Filesystem #存储卷模式
  accessModes: #访问模式
  - ReadWriteOnce
  persistentVolumeReclaimPolicy:Recycle #持久化卷回收策略
  storageClassName:slow #存储类
  mountOptions: #挂接选项
   - hard
   - nfsvers=4.1
  nfs:
     path:/tmp
     server:172.17.0.2 

3.1 容量（Capacity）

一般来说，PV会指定存储容量。这里通过使用PV的capcity属性进行设置。目前，capcity属性仅有storage（存储大小）这唯一一个资源需要被设置。

3.2 存储卷模式（Volume Mode）

在kubernetes v1.9之前的版本，存储卷模式的默认值为filesystem，不需要指定。在v1.9版本，用户可以指定volumeMode的值，除了支持文件系统外（file system）也支持块设备（raw block devices）。volumeMode是一个可选的参数，如果不进行设定，则默认为Filesystem。

3.3 访问模式（Access Modes）

只要资源提供者支持，持久卷能够通过任何方式加载到主机上。每种存储都会有不同的能力，每个PV的访问模式也会被设置成为该卷所支持的特定模式。例如NFS能够支持多个读写客户端，但某个NFS PV可能会在服务器上以只读方式使用。每个PV都有自己的一系列的访问模式，这些访问模式取决于PV的能力。

访问模式的可选范围如下：

•   ReadWriteOnce：该卷能够以读写模式被加载到一个节点上。
•   ReadOnlyMany：该卷能够以只读模式加载到多个节点上。
•   ReadWriteMany：该卷能够以读写模式被多个节点同时加载。

在 CLI 下，访问模式缩写为：

•   RWO：ReadWriteOnce
•   ROX：ReadOnlyMany
•   RWX：ReadWriteMany

一个卷不论支持多少种访问模式，同时只能以一种访问模式加载。例如一个 GCEPersistentDisk既能支持ReadWriteOnce，也能支持ReadOnlyMany。

3.4 类（Class）

在PV中可以指定存储类，通过设置storageClassName字段进行设置。如果设置了存储类，则此PV只能被绑定到也指定了此存储类的PVC。在以前的版本中，使用注释volume.beta.kubernetes.io/storage-class字段来指定存储类，而不是storageClassName字段来指定存储类。 此注释仍然可用，但是，在将来的版本中将会被废弃。

3.5 回收策略

当前的回收策略可选值包括：

• Retain-持久化卷被释放后，需要手工进行回收操作。
• Recycle-基础擦除（“rm-rf /thevolume/*”）
• Delete-相关的存储资产，例如AWSEBS或GCE PD卷一并删除。

目前，只有NFS和HostPath支持Recycle策略，AWSEBS、GCE PD支持Delete策略。

3.6 挂接选项（Mount Options）

当持久化卷被挂接至Pod上时，管理员能够指定额外的挂接选项。但不是所有的持久化卷类型都支持挂接选项，下面的存储卷类型支持挂接选项：

• GCEPersistentDisk
• AWSElasticBlockStore
• AzureFile
• AzureDisk
• NFS
• iSCSI
• RBD (Ceph Block Device)
• CephFS
• Cinder (OpenStack block storage)
• Glusterfs
• VsphereVolume
• Quobyte Volumes
• VMware Photon

挂接选项不会进行验证，因此如果如果设置不正确，则会失败。在以前的版本中，使用volume.beta.kubernetes.io/mount-options注释指定挂接选项，而不是使用mountOptions字段。此注释仍然可用，但是在将来的版本中将会被废弃。

4、持久化卷声明

下面是一个名称为myclaim的PVC YAML配置文件，它的访问模式为ReadWriteOnce，存储卷模式是Filesystem，需要的存储空间大小为8Gi，指定的存储类为slow，并设置了标签选择器和匹配表达式。

kind: PersistentVolumeClaim
apiVersion: v1
metadata:
  name: myclaim
spec:
  accessModes: #访问模式
    - ReadWriteOnce
  volumeMode: Filesystem #存储卷模式
  resources: #资源
    requests:
      storage: 8Gi
  storageClassName: slow #存储类
  selector: #选择器
    matchLabels:
      release: "stable"
    matchExpressions: #匹配表达式
      - {key: environment, operator: In, values: [dev]}

4.1 选择器

在PVC中，可以通过标签选择器来进一步的过滤PV。仅仅与选择器匹配的PV才会被绑定到PVC中。选择器的组成如下：

• matchLabels： 只有存在与此处的标签一样的PV才会被PVC选中；
• matchExpressions ：匹配表达式由键、值和操作符组成，操作符包括In, NotIn, Exists和DoesNotExist，只有符合表达式的PV才能被选择。

如果同时设置了matchLabels和matchExpressions，则会进行求与，即只有同时满足上述匹配要求的PV才会被选择。

4.2 存储类

如果PVC使用storageClassName字段指定一个存储类，那么只有指定了同样的存储类的PV才能被绑定到PVC上。对于PVC来说，存储类并不是必须的。依赖于安装方法，可以在安装过程中使用add-on管理器将默认的StorageClass部署至Kubernetes集群中。当PVC指定了选择器，并且指定了StorageClass，则在匹配PV时，取两者之间的与：即仅仅同时满足存储类和带有要求标签值的PV才能被匹配上。

4.3 PVC作为存储卷

Pod通过使用PVC来访问存储，而PVC必须和使用它的Pod在同一个命名空间中。Pod会同一个命名空间中选择一个合适的PVC，并使用PVC为其获取存储卷，并将PV挂接到主机和Pod上。

kind:Pod
apiVersion:v1
metadata:
  name:mypod
spec:
  containers:
  - name:myfrontend
    image:dockerfile/nginx
     volumeMounts: #挂接存储卷
     - mountPath:"/var/www/html" #挂接的路径
       name:mypd #所要挂接的存储卷的名称
 volumes: #定义存储卷
 - name:mypd
   persistentVolumeClaim: #所使用的持久化存储卷声明
     claimName:myclaim

参考资料

1.《Configure a Pod to Use a PersistentVolume for Storage》地址：https://kubernetes.io/docs/tasks/configure-pod-container/configure-persistent-volume-storage/

2.《Persistent Volumes》地址：https://kubernetes.io/docs/concepts/storage/persistent-volumes/

3.《Persistent Storage》地址：https://github.com/kubernetes/community/blob/master/contributors/design-proposals/storage/persistent-storage.md

4.《PersistentVolume v1 core》地址：https://kubernetes.io/docs/reference/generated/kubernetes-api/v1.10/#persistentvolume-v1-core

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。