Kubernetes存储之persistent volumes简介

说明

管理存储和管理计算有着明显的不同。PersistentVolume给用户和管理员提供了一套API，抽象出存储是如何提供和消耗的细节。在这里，我们介绍两种新的API资源：PersistentVolume（简称PV）和PersistentVolumeClaim（简称PVC）。

• PersistentVolume（持久卷，简称PV）是集群内，由管理员提供的网络存储的一部分。就像集群中的节点一样，PV也是集群中的一种资源。它也像Volume一样，是一种volume插件，但是它的生命周期却是和使用它的Pod相互独立的。PV这个API对象，捕获了诸如NFS、ISCSI、或其他云存储系统的实现细节。

• PersistentVolumeClaim（持久卷声明，简称PVC）是用户的一种存储请求。它和Pod类似，Pod消耗Node资源，而PVC消耗PV资源。Pod能够请求特定的资源（如CPU和内存）。PVC能够请求指定的大小和访问的模式（可以被映射为一次读写或者多次只读）。

PVC允许用户消耗抽象的存储资源，用户也经常需要各种属性（如性能）的PV。集群管理员需要提供各种各样、不同大小、不同访问模式的PV，而不用向用户暴露这些volume如何实现的细节。因为这种需求，就催生出一种StorageClass资源。

StorageClass提供了一种方式，使得管理员能够描述他提供的存储的等级。集群管理员可以将不同的等级映射到不同的服务等级、不同的后端策略。

pv和pvc的区别

PersistentVolume（持久卷）和PersistentVolumeClaim（持久卷申请）是k8s提供的两种API资源，用于抽象存储细节。管理员关注于如何通过pv提供存储功能而无需关注用户如何使用，同样的用户只需要挂载pvc到容器中而不需要关注存储卷采用何种技术实现。

pvc和pv的关系与pod和node关系类似，前者消耗后者的资源。pvc可以向pv申请指定大小的存储资源并设置访问模式,这就可以通过Provision -> Claim 的方式，来对存储资源进行控制。

volume和claim的生命周期

PV是集群中的资源，PVC是对这些资源的请求，同时也是这些资源的“提取证”。PV和PVC的交互遵循以下生命周期：

• 供给

  有两种PV提供的方式：静态和动态。

• 静态

  集群管理员创建多个PV，它们携带着真实存储的详细信息，这些存储对于集群用户是可用的。它们存在于Kubernetes API中，并可用于存储使用。

• 动态

  当管理员创建的静态PV都不匹配用户的PVC时，集群可能会尝试专门地供给volume给PVC。这种供给基于StorageClass：PVC必须请求这样一个等级，而管理员必须已经创建和配置过这样一个等级，以备发生这种动态供给的情况。请求等级配置为“”的PVC，有效地禁用了它自身的动态供给功能。

• 绑定

  用户创建一个PVC（或者之前就已经就为动态供给创建了），指定要求存储的大小和访问模式。master中有一个控制回路用于监控新的PVC，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，用户总是至少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。

  如果没找到匹配的PV，那么PVC会无限期得处于unbound未绑定状态，一旦PV可用了，PVC就会又变成绑定状态。比如，如果一个供给了很多50G的PV集群，不会匹配要求100G的PVC。直到100G的PV添加到该集群时，PVC才会被绑定。

• 使用

  Pod使用PVC就像使用volume一样。集群检查PVC，查找绑定的PV，并映射PV给Pod。对于支持多种访问模式的PV，用户可以指定想用的模式。一旦用户拥有了一个PVC，并且PVC被绑定，那么只要用户还需要，PV就一直属于这个用户。用户调度Pod，通过在Pod的volume块中包含PVC来访问PV。

• 释放

  当用户使用PV完毕后，他们可以通过API来删除PVC对象。当PVC被删除后，对应的PV就被认为是已经是“released”了，但还不能再给另外一个PVC使用。前一个PVC的属于还存在于该PV中，必须根据策略来处理掉。

• 回收

  PV的回收策略告诉集群，在PV被释放之后集群应该如何处理该PV。当前，PV可以被Retained（保留）、 Recycled（再利用）或者Deleted（删除）。保留允许手动地再次声明资源。对于支持删除操作的PV卷，删除操作会从Kubernetes中移除PV对象，还有对应的外部存储（如AWS EBS，GCE PD，Azure Disk，或者Cinder volume）。动态供给的卷总是会被删除。

Recycled（再利用）

如果PV卷支持再利用，再利用会在PV卷上执行一个基础的擦除操作（rm -rf /thevolume/*），使得它可以再次被其他PVC声明利用。

管理员可以通过Kubernetes controller manager的命令行工具，来配置自定义的再利用Pod模板。自定义的再利用Pod模板必须包含PV卷的详细内容，如下示例：

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: pv-recycler-
  namespace: default
spec:
  restartPolicy: Never
  volumes:
  - name: vol
    hostPath:
      path: /any/path/it/will/be/replaced
  containers:
  - name: pv-recycler
    image: "gcr.io/google_containers/busybox"
    command: ["/bin/sh", "-c", "test -e /scrub && rm -rf /scrub/..?* /scrub/.[!.]* /scrub/*  && test -z \"$(ls -A /scrub)\" || exit 1"]
    volumeMounts:
    - name: vol
      mountPath: /scrub

如上，在volumes部分的指定路径，应该被替换为PV卷需要再利用的路径。

PV类型

PV类型使用插件的形式来实现。Kubernetes现在支持以下插件：

• GCEPersistentDisk
• AWSElasticBlockStore
• AzureFile
• AzureDisk
• FC (Fibre Channel)
• Flocker
• NFS
• iSCSI
• RBD (Ceph Block Device)
• CephFS
• Cinder (OpenStack block storage)
• Glusterfs
• VsphereVolume
• Quobyte Volumes
• HostPath (仅测试过单节点的情况——不支持任何形式的本地存储，多节点集群中不能工作)
• VMware Photon
• Portworx Volumes
• ScaleIO Volumes

PV介绍

每个PV都包含一个spec和状态，即说明书和PV卷的状态。

  apiVersion: v1
  kind: PersistentVolume
  metadata:
    name: pv0003
  spec:
    capacity:
      storage: 5Gi
    accessModes:
      - ReadWriteOnce
    persistentVolumeReclaimPolicy: Recycle
    storageClassName: slow
    nfs:
      path: /tmp
      server: 172.17.0.2

Capacity（容量）

一般来说，PV会指定存储的容量，使用PV的capacity属性来设置。当前，存储大小是唯一能被设置或请求的资源。未来可能包含IOPS，吞吐率等属性。

访问模式

PV可以使用存储资源提供商支持的任何方法来映射到host中。如下的表格中所示，提供商有着不同的功能，每个PV的访问模式被设置为卷支持的指定模式。比如，NFS可以支持多个读/写的客户端，但可以在服务器上指定一个只读的NFS PV。每个PV有它自己的访问模式。

访问模式包括：

• ReadWriteOnce -- 该volume只能被单个节点以读写的方式映射
• ReadOnlyMany -- 该volume可以被多个节点以只读方式映射
• ReadWriteMany -- 该volume只能被多个节点以读写的方式映射

在CLI中，访问模式可以简写为：

• RWO - ReadWriteOnce
• ROX - ReadOnlyMany
• RWX - ReadWriteMany

注意：即使volume支持很多种访问模式，但它同时只能使用一种方式来映射。比如，GCEPersistentDisk可以被单个节点映射为ReadWriteOnce，或者多个节点映射为ReadOnlyMany，但不能同时使用这两种方式来映射。

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

Class

一个PV可以有一种class，通过设置storageClassName属性来选择指定的StorageClass。有指定class的PV只能绑定给请求该class的PVC。没有设置storageClassName属性的PV只能绑定给未请求class的PVC。

过去，使用volume.beta.kubernetes.io/storage-class注解，而不是storageClassName属性。该注解现在依然可以工作，但在Kubernetes的未来版本中已经被完全弃用了。

回收策略

当前的回收策略有：

• Retain：手动回收
• Recycle：需要擦出后才能再使用
• Delete：相关联的存储资产，如AWS EBS，GCE PD，Azure Disk，or OpenStack Cinder卷都会被删除
  当前，只有NFS和HostPath支持回收利用，AWS EBS，GCE PD，Azure Disk，or OpenStack Cinder卷支持删除操作。

阶段

一个volume卷处于以下几个阶段之一：

• Available：空闲的资源，未绑定给PVC
• Bound：绑定给了某个PVC
• Released：PVC已经删除了，但是PV还没有被集群回收
• Failed：PV在自动回收中失败了
  CLI可以显示PV绑定的PVC名称。

映射选项

当PV被映射到一个node上时，Kubernetes管理员可以指定额外的映射选项。可以通过使用标注volume.beta.kubernetes.io/mount-options来指定PV的映射选项。

比如：

apiVersion: "v1"
kind: "PersistentVolume"
metadata:
  name: gce-disk-1
  annotations:
    volume.beta.kubernetes.io/mount-options: "discard"
spec:
  capacity:
    storage: "10Gi"
  accessModes:
    - "ReadWriteOnce"
  gcePersistentDisk:
    fsType: "ext4"
    pdName: "gce-disk-1

映射选项是当映射PV到磁盘时，一个可以被递增地添加和使用的字符串。
注意，并非所有的PV类型都支持映射选项。在Kubernetes v1.6中，以下的PV类型支持映射选项。

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

PersistentVolumeClaims（PVC）

每个PVC都包含一个spec和status，即该PVC的规则说明和状态。

kind: PersistentVolumeClaim
apiVersion: v1
metadata:
  name: myclaim
spec:
  accessModes:
    - ReadWriteOnce
  resources:
    requests:
      storage: 8Gi
  storageClassName: slow
  selector:
    matchLabels:
      release: "stable"
    matchExpressions:
      - {key: environment, operator: In, values: [dev]}

访问模式

当请求指定访问模式的存储时，PVC使用的规则和PV相同。

资源

PVC，就像pod一样，可以请求指定数量的资源。请求资源时，PV和PVC都使用相同的资源样式。

选择器（Selector）

PVC可以指定标签选择器进行更深度的过滤PV，只有匹配了选择器标签的PV才能绑定给PVC。选择器包含两个字段：

• matchLabels（匹配标签） - PV必须有一个包含该值得标签
• matchExpressions（匹配表达式） - 一个请求列表，包含指定的键、值的列表、关联键和值的操作符。合法的操作符包含In，NotIn，Exists，和DoesNotExist。

所有来自matchLabels和matchExpressions的请求，都是逻辑与关系的，它们必须全部满足才能匹配上。

等级（Class）

PVC可以使用属性storageClassName来指定StorageClass的名称，从而请求指定的等级。只有满足请求等级的PV，即那些包含了和PVC相同storageClassName的PV，才能与PVC绑定。

PVC并非必须要请求一个等级。设置storageClassName为“”的PVC被理解为请求一个无等级的PV，因此它只能被绑定到无等级的PV（未设置对应的标注，或者设置为“”）。未设置storageClassName的PVC不太相同，DefaultStorageClass的权限插件打开与否，集群也会区别处理PVC。

• 如果权限插件被打开，管理员可能会指定一个默认的StorageClass。所有没有指定StorageClassName的PVC只能被绑定到默认等级的PV。要指定默认的StorageClass，需要在StorageClass对象中将标注storageclass.kubernetes.io/is-default-class设置为“true”。如果管理员没有指定这个默认值，集群对PVC创建请求的回应就和权限插件被关闭时一样。如果指定了多个默认等级，那么权限插件禁止PVC创建请求。

• 如果权限插件被关闭，那么久没有默认StorageClass的概念。所有没有设置StorageClassName的PVC都只能绑定到没有等级的PV。因此，没有设置StorageClassName的PVC就如同设置StorageClassName为“”的PVC一样被对待。

根据安装方法的不同，默认的StorageClass可能会在安装过程中被插件管理默认的部署在Kubernetes集群中。

当PVC指定selector来请求StorageClass时，所有请求都是与操作的。只有满足了指定等级和标签的PV才可能绑定给PVC。当前，一个非空selector的PVC不能使用PV动态供给。

过去，使用volume.beta.kubernetes.io/storage-class注解，而不是storageClassName属性。该注解现在依然可以工作，但在Kubernetes的未来版本中已经被完全弃用了。

使用PVC

Pod通过使用PVC（使用方式和volume一样）来访问存储。PVC必须和使用它的pod在同一个命名空间，集群发现pod命名空间的PVC，根据PVC得到其后端的PV，然后PV被映射到host中，再提供给pod。

kind: Pod
apiVersion: v1
metadata:
  name: mypod
spec:
  containers:
    - name: myfrontend
      image: dockerfile/nginx
      volumeMounts:
      - mountPath: "/var/www/html"
        name: mypd
  volumes:
    - name: mypd
      persistentVolumeClaim:
        claimName: myclaim

命名空间注意事项

PV绑定是独有的，因为PVC是命名空间对象，映射PVC时只能在同一个命名空间中使用多种模式（ROX，RWX）。

StorageClass

每个StorageClass都包含字段provisioner和parameters，在所属的PV需要动态供给时使用这些字段。

StorageClass对象的命名是非常重要的，它是用户请求指定等级的方式。当创建StorageClass对象时，管理员设置等级的名称和其他参数，但对象不会在创建后马上就被更新。

管理员可以指定一个默认的StorageClass，用于绑定到那些未请求指定等级的PVC。

kind: StorageClass
apiVersion: storage.k8s.io/v1
metadata:
  name: standard
provisioner: kubernetes.io/aws-ebs
parameters:
  type: gp2
Provisioner

StorageClass都有存储供应商provisioner，用来决定哪种volume插件提供给PV使用。必须制定该字段。

你不限于指定此处列出的“内部”供应商（其名称前缀为“kubernetes.io”并与Kubernetes一起分发）。你还可以运行和指定外部供应商，它们是遵循Kubernetes定义的规范的独立程序。外部提供者的作者对代码的生命周期，供应商的分发方式，运行状况以及使用的卷插件（包括Flex）等都有充分的自主权。库kubernetes-incubator/external-storage存放了一个库，用于编写外部存储供应商，而这些提供者实现了大量的规范，并且是各种社区维护的。

参数

StorageClass有一些参数用于描述归属于该StorageClass的volume。不同的存储提供商可能需要不同的参数。比如，参数type对应的值io1，还有参数iopsPerGB，都是EBS专用的参数。当参数省略时，就会使用它的默认值。

AWS

...

GCE

...

Glusterfs

...

OpenStack Cinder

...

vSphere

...

Ceph RBD

  apiVersion: storage.k8s.io/v1
  kind: StorageClass
  metadata:
    name: fast
  provisioner: kubernetes.io/rbd
  parameters:
    monitors: 10.16.153.105:6789
    adminId: kube
    adminSecretName: ceph-secret
    adminSecretNamespace: kube-system
    pool: kube
    userId: kube
    userSecretName: ceph-secret-user

• monitors：Ceph的monitor，逗号分隔。该参数是必须的。
• adminId：Ceph的客户端ID，可在pool中创建镜像。默认的是“admin”。
• adminSecretNamespace：adminSecret的命名空间，默认值是“default”。
• adminSecretName：adminId的Secret Name。改参数是必须的，提供的秘钥必须有类型“kubernetes.io/rbd”。
• pool：Ceph的RBD pool，默认值是“rbd”。
• userId：Ceph的客户ID，用于映射RBD镜像的，默认值和adminId参数相同。

• userSecretName：Ceph Secret的名称，userId用该参数来映射RBD镜像。它必须和PVC在相同的命名空间。该参数也是必须的。提供的秘钥必须有类型“kubernetes.io/rbd”。比如，按照下面的方式来创建：

  $ kubectl create secret generic ceph-secret --type="kubernetes.io/rbd" --from-literal=key='QVFEQ1pMdFhPUnQrSmhBQUFYaERWNHJsZ3BsMmNjcDR6RFZST0E9PQ==' --namespace=kube-system

Quobyte

...

Azure Disk

...

Portworx Volume

...

ScaleIO

...

配置

如果你在写配置模板和示例，用于在需要持久化存储的集群中使用，那么，我们建议你使用以下的一些模式：

• 在你的捆绑配置（如Deployment、ConfigMap）中包含PVC对象。
• 在配置中不要包含PersistentVolume对象，因为实例化配置的用户可能没有创建PersistentVolumes的权限
• 当用户提供实例化模板时，给用户提供存储类名称的选项。
  • 如果用户提供了一个StorageClass名称，并且Kubernetes版本是1.4及以上，那么将该值设置在PVC的volume.beta.kubernetes.io/storage-class标注上。这会使得PVC匹配到正确的StorageClass。
  • 如果用户没有提供StorageClass名称，或者集群版本是1.3，那么就需要在PVC配置中设置volume.alpha.kubernetes.io/storage-class: default标注。
    • 这会使得在一些默认配置健全的集群中，PV可以动态的提供给用户。
    • 尽管在名称中包含了alpha单词，但是该标注对应的代码有着beta级别的支持。
    • 不要使用volume.beta.kubernetes.io/storage-class，无论设置什么值，甚至是空字符串。因为它会阻止DefaultStorageClass许可控制器。
• 在你的工具中，要监视那些一段时间后还没有获得绑定的PVC，并且展示给用户。因为这可能表明集群没有支持动态存储（此时我们应该创建匹配的PV），或者集群没有存储系统（此时用户不能部署需要PVC的情况）。
• 未来，我们期望大多数集群都可以使能DefaultStorageClass，并且能有一些可用的存储形式。然而，可能没有行在所有集群都能运的StorageClass，所以默认情况下不要只设置一种。在某些时候，alpha标注将不再具有意义，但复位PVC的storageClass字段将具有所需的效果。