第18关 K8s数据安全无忧——持久化存储详解

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大家好，我是博哥爱运维，本期课程将深入解析Kubernetes的持久化存储机制,包括PV、PVC、StorageClass等的工作原理、使用场景、最佳实践等,帮您构建稳定可靠的状态存储,确保应用和数据 100% 安全。

Volume

我们这里先来聊聊K8s的存储模型Volume，来实践下如何将各种持久化的存储映射到Pod中的容器。

在我们上面的实战中，大家如果细心的话，会发现把nginx服务pod内的默认页面改了，但当重启pod后，这个页面又恢复成nginx容器初始的状态了，所以这里要和大家说的是，在没有配置持久化存储前，任何新增的数据在pod发生重启时都是无法保留的，而在K8s上，Pod的生命周期可能是很短，它们会被频繁地销毁和创建，自然在容器销毁时，里面运行时新增的数据，如修改的配置及日志文件等也会被清除。

那么怎么解决这一现象呢，我们可以用K8s volume来持久化保存容器的数据，Volume的生命周期独立于容器，Pod中的容器可能被销毁重建，但Volume会被保留。

本质上，K8s volume是一个目录，这点和Docker volume差不多，当Volume被mount到Pod上，这个Pod中的所有容器都可以访问这个volume，在生产场景中，我们常用的类型有这几种：

  • emptyDir
  • hostPath
  • PersistentVolume(PV) & PersistentVolumeClaim(PVC)
  • StorageClass
emptyDir

我们先开始讲讲emptyDir，它是最基础的Volume类型，pod内的容器发生重启不会造成emptyDir里面数据的丢失，但是当pod被重启后，emptyDir数据会丢失，也就是说emptyDir与pod的生命周期是一致的，那么大家可能有个疑问，这个之前讲的没有配置它也没什么区别呀，实际上在某些时候，它的作用还是挺大的，在生产中它的最实际实用是提供Pod内多容器的volume数据共享，下面我会用一个实际的生产者，消费者的例子来演示下emptyDir的作用，相信大家动动手就会理解得更快了

# cat web.yamlapiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:labels:app: webname: webnamespace: default
spec:replicas: 1selector:matchLabels:app: webtemplate:metadata:labels:app: webspec:containers:- image: nginx:1.21.6name: nginxresources:limits:cpu: "50m"memory: 20Mirequests:cpu: "50m"memory: 20MivolumeMounts:         # 准备将pod的目录进行卷挂载- name: html-files  # 自定个名称，容器内可以类似这样挂载多个卷mountPath: "/usr/share/nginx/html"- name: busybox       # 在pod内再跑一个容器，每秒把当时时间写到nginx默认页面上image: registry.cn-shanghai.aliyuncs.com/acs/busybox:v1.29.2args:- /bin/sh- -c- >while :; doif [ -f /html/index.html ];thenecho "[$(date +%F\ %T)] hello" > /html/index.htmlsleep 1elsetouch /html/index.htmlfidonevolumeMounts:- name: html-files  # 注意这里的名称和上面nginx容器保持一样，这样才能相互进行访问mountPath: "/html"  # 将数据挂载到当前这个容器的这个目录下volumes:- name: html-files   # 最后定义这个卷的名称也保持和上面一样emptyDir:          # 这就是使用emptyDir卷类型了medium: Memory   # 这里将文件写入内存中保存，这样速度会很快，配置为medium: "" 就是代表默认的使用本地磁盘空间来进行存储sizeLimit: 10Mi  # 因为内存比较珍贵，注意限制使用大小

更新这个web的配置

# kubectl apply -f web.yaml 
deployment.apps/web configured# 可以看到READY下面容器数量变为2了
# kubectl get pod
NAME                    READY   STATUS    RESTARTS   AGE
......
web-5bf769fdfc-44p7h    2/2     Running   0          2m4s# 接着创建一个service来请求测试下
kubectl expose deployment web --port 80 --target-port 80# kubectl get svc
NAME         TYPE        CLUSTER-IP      EXTERNAL-IP   PORT(S)   AGE
......
web          ClusterIP   10.68.229.231   <none>        80/TCP    4h36m# 可以看到每次访问都是被写入当前最新时间的页面内容
[root@node-1 ~]# curl 10.68.229.231
[2020-11-27 07:21:34] hello
[root@node-1 ~]# curl 10.68.229.231
[2020-11-27 07:21:35] hello
[root@node-1 ~]# curl 10.68.229.231
[2020-11-27 07:21:36] hello
[root@node-1 ~]# curl 10.68.229.231
[2020-11-27 07:21:38] hello

我们来探究下原理

# 下面这个是docker容器运行时的记录
# 看下这个web的pod的描述信息
# kubectl describe pod web-5bf769fdfc-44p7h 
......
Node:         10.0.1.203/10.0.1.203     # 找到这个pod运行在哪个node上
......
Containers:nginx:Container ID:   docker://c1482a15f756ff3bc089973ec942a4e60f7ec34674ab8435a47a94d4b93411a7   # 找到pod内nginx容器的ID
......busybox:Container ID:  docker://ecedf3b0ffa6b5101e84a21f8dbf6188179875b5db61980bc93b65195f558c6f   # 找到pod内busybox容器的ID# 我们登陆10.0.1.203 这台node，查看pod内这两个容器的volume挂载信息，我们发现两个容器都 mount 了同一个目录
[root@node-3 ~]# docker inspect c1482a15f756ff3bc089973ec942a4e60f7ec34674ab8435a47a94d4b93411a7|grep volume|grep html"/var/lib/container/kubelet/pods/cc4832f3-c73c-479f-9088-12b079ff4608/volumes/kubernetes.io~empty-dir/html-files:/usr/share/nginx/html","Source": "/var/lib/container/kubelet/pods/cc4832f3-c73c-479f-9088-12b079ff4608/volumes/kubernetes.io~empty-dir/html-files",[root@node-3 ~]# docker inspect ecedf3b0ffa6b5101e84a21f8dbf6188179875b5db61980bc93b65195f558c6f|grep volume|grep html"/var/lib/container/kubelet/pods/cc4832f3-c73c-479f-9088-12b079ff4608/volumes/kubernetes.io~empty-dir/html-files:/html","Source": "/var/lib/container/kubelet/pods/cc4832f3-c73c-479f-9088-12b079ff4608/volumes/kubernetes.io~empty-dir/html-files",    # Containerd运行时日志目录： 
# ll /var/log/containers/|grep web
hostPath

hostPath Volume 的作用是将容器运行的node上已经存在文件系统目录给mount到pod的容器。在生产中大部分应用是是不会直接使用hostPath的，因为我们并不关心Pod在哪台node上运行，而hostPath又恰好增加了pod与node的耦合，限制了pod的使用，这里我们只作一下了解，知道有这个东西存在即可，一般只是一些安装服务会用到，比如下面我截取了网络插件calico的部分volume配置:

    volumeMounts:- mountPath: /host/drivername: flexvol-driver-host
......volumes:
......- hostPath:path: /usr/libexec/kubernetes/kubelet-plugins/volume/exec/nodeagent~udstype: DirectoryOrCreatename: flexvol-driver-host
PersistentVolume(PV) & PersistentVolumeClaim(PVC)

现在讲Volume里面在生产中用的最多的PersistentVolume(持久卷，简称PV)和 PersistentVolumeClaim(持久卷消费，简称PVC)，通常在企业中，Volume是由存储系统的管理员来维护，他们来提供pv，pv具有持久性，生命周期独立于Pod；Pod则是由应用的开发人员来维护，如果要进行一卷挂载，那么就写一个pvc来消费pv就可以了，K8s会查找并提供满足条件的pv。

有了pvc，我们在K8s进行卷挂载就只需要考虑要多少容量了，而不用关心真正的空间是用什么存储系统做的等一些底层细节信息，pv这些只有存储管理员才应用去关心它。

K8s支持多种类型的pv，我们这里就以生产中常用的NFS来作演示（在云上的话就用NAS），生产中如果对存储要求不是太高的话，建议就用NFS，这样出问题也比较容易解决，如果有性能需求，可以看看rook的ceph，以及Rancher的Longhorn，这些我都在生产中用过，如果有需求的同学可以在评论区留言，我会单独做课程来讲解。

开始部署NFS-SERVER

# 我们这里在10.0.1.201上安装（在生产中，大家要提供作好NFS-SERVER环境的规划）
# yum -y install nfs-utils
# ubuntu安装NFS服务端
# apt-get install nfs-kernel-server -y# 创建NFS挂载目录
# mkdir /nfs_dir
# chown nobody.nogroup /nfs_dir# 修改NFS-SERVER配置
# echo '/nfs_dir *(rw,sync,no_root_squash)' > /etc/exports# 重启服务
# systemctl restart rpcbind.service
# systemctl restart nfs-kernel-server.service 
# systemctl restart nfs-utils.service 
# systemctl restart nfs-server.service # 增加NFS-SERVER开机自启动
# systemctl enable nfs-server.service 
Created symlink from /etc/systemd/system/multi-user.target.wants/nfs-server.service to /usr/lib/systemd/system/nfs-server.service.# 验证NFS-SERVER是否能正常访问
## 注：如果查看不到目录，可以到另一机器上挂载试试  
## root@node-2:~# mount.nfs 10.0.1.201:/nfs_dir /mnt/
# showmount -e 10.0.1.201                 
Export list for 10.0.1.201:
/nfs_dir *

创建基于NFS的PV

首先在NFS-SERVER的挂载目录里面创建一个目录

# mkdir /nfs_dir/pv1

接着准备好pv的yaml配置，保存为pv1.yaml

# cat pv1.yaml 
apiVersion: v1
kind: PersistentVolume
metadata:name: pv1labels:type: test-claim    # 这里建议打上一个独有的标签，方便在多个pv的时候方便提供pvc选择挂载
spec:capacity:storage: 1Gi     # <----------  1accessModes:- ReadWriteOnce     # <----------  2persistentVolumeReclaimPolicy: Recycle     # <----------  3storageClassName: nfs     # <----------  4nfs:path: /nfs_dir/pv1     # <----------  5server: 10.0.1.201

  1. capacity 指定 PV 的容量为 1G。

  2. accessModes 指定访问模式为 ReadWriteOnce，支持的访问模式有：
    ReadWriteOnce – PV 能以 read-write 模式 mount 到单个节点。
    ReadOnlyMany – PV 能以 read-only 模式 mount 到多个节点。
    ReadWriteMany – PV 能以 read-write 模式 mount 到多个节点。

  3. persistentVolumeReclaimPolicy 指定当 PV 的回收策略为 Recycle，支持的策略有：
    Retain – 需要管理员手工回收。
    Recycle – 清除 PV 中的数据，效果相当于执行 rm -rf /thevolume/*。
    Delete – 删除 Storage Provider 上的对应存储资源，例如 AWS EBS、GCE PD、Azure Disk、OpenStack Cinder Volume 等。

  4. storageClassName 指定 PV 的 class 为 nfs。相当于为 PV 设置了一个分类，PVC 可以指定 class 申请相应 class 的 PV。

  5. 指定 PV 在 NFS 服务器上对应的目录，这里注意，我测试的时候，需要手动先创建好这个目录并授权好，不然后面挂载会提示目录不存在 mkdir /nfsdata/pv1 && chown -R nobody.nogroup /nfsdata 。

创建这个pv

# kubectl apply -f pv1.yaml 
persistentvolume/pv1 created# STATUS 为 Available，表示 pv1 就绪，可以被 PVC 申请
# kubectl get pv
NAME   CAPACITY   ACCESS MODES   RECLAIM POLICY   STATUS      CLAIM   STORAGECLASS   REASON   AGE
pv1    1Gi        RWO            Recycle          Available           nfs                     4m45s

接着准备PVC的yaml，保存为pvc1.yaml

# cat pvc1.yaml 
kind: PersistentVolumeClaim
apiVersion: v1
metadata:name: pvc1
spec:accessModes:- ReadWriteOnceresources:requests:storage: 1GistorageClassName: nfsselector:matchLabels:type: test-claim

创建这个pvc

# kubectl apply -f pvc1.yaml          
persistentvolumeclaim/pvc1 created# 看下pvc的STATUS为Bound代表成功挂载到pv了
# kubectl get pvc           
NAME   STATUS   VOLUME   CAPACITY   ACCESS MODES   STORAGECLASS   AGE
pvc1   Bound    pv1      1Gi        RWO            nfs            2s# 这个时候再看下pv，STATUS也是Bound了，同时CLAIM提示被default/pvc1消费
# kubectl get pv
NAME   CAPACITY   ACCESS MODES   RECLAIM POLICY   STATUS   CLAIM          STORAGECLASS   REASON   AGE
pv1    1Gi        RWO            Recycle          Bound    default/pvc1   nfs

下面我们准备pod服务来挂载这个pvc，这里就以上面最开始演示用的nginx的deployment的yaml配置来作修改

# cat nginx.yaml 
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:labels:app: nginxname: nginx
spec:ports:- port: 80protocol: TCPtargetPort: 80selector:app: nginx---
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:labels:app: nginxname: nginx
spec:replicas: 1selector:matchLabels:app: nginxtemplate:metadata:labels:app: nginxspec:containers:- image: nginx:1.21.6name: nginxvolumeMounts:    # 我们这里将nginx容器默认的页面目录挂载- name: html-filesmountPath: "/usr/share/nginx/html"volumes:- name: html-filespersistentVolumeClaim:  # 卷类型使用pvc,同时下面名称处填先创建好的pvc1claimName: pvc1

更新配置

# kubectl apply -f nginx.yaml 
service/nginx unchanged
deployment.apps/nginx configured# 我们看到新pod已经在创建了
# kubectl get pod
NAME                     READY   STATUS              RESTARTS   AGE
nginx-569546db98-4nmmg   0/1     ContainerCreating   0          5s
nginx-f89759699-6vgr8    1/1     Running             1          23h
web-5bf769fdfc-44p7h     2/2     Running             0          113m# 我们这里直接用svc地址测试一下
# kubectl get svc
NAME         TYPE        CLUSTER-IP      EXTERNAL-IP   PORT(S)   AGE
kubernetes   ClusterIP   10.68.0.1       <none>        443/TCP   23h
nginx        ClusterIP   10.68.238.54    <none>        80/TCP    23h
web          ClusterIP   10.68.229.231   <none>        80/TCP    6h27m# 咦，这里为什么是显示403了呢，注意，卷挂载后会把当前已经存在这个目录的文件给覆盖掉，这个和传统机器上的磁盘目录挂载道理是一样的
[root@node-1 ~]# curl 10.68.238.54
<html>
<head><title>403 Forbidden</title></head>
<body>
<center><h1>403 Forbidden</h1></center>
<hr><center>nginx/1.19.5</center>
</body>
</html># 我们来自己创建一个index.html页面
# echo 'hello, world!' > /nfs_dir/pv1/index.html# 再请求下看看，已经正常了
# curl 10.68.238.54                             
hello, world!# 我们来手动删除这个nginx的pod，看下容器内的修改是否是持久的呢？
# kubectl delete pod nginx-569546db98-4nmmg 
pod "nginx-569546db98-4nmmg" deleted# 等待一会，等新的pod被创建好
# kubectl get pod
NAME                     READY   STATUS    RESTARTS   AGE
nginx-569546db98-99qpq   1/1     Running   0          45s# 再测试一下，可以看到，容器内的修改现在已经被持久化了
# curl 10.68.238.54        
hello, world!# 后面我们再想修改有两种方式，一个是exec进到pod内进行修改，还有一个是直接修改挂载在NFS目录下的文件
# echo 111 > /nfs_dir/pv1/index.html
# curl 10.68.238.54  
111

下面讲下如何回收PVC以及PV

# 这里删除时会一直卡着，我们按ctrl+c看看怎么回事
# kubectl delete pvc pvc1 
persistentvolumeclaim "pvc1" deleted
^C# 看下pvc发现STATUS是Terminating删除中的状态，我分析是因为服务pod还在占用这个pvc使用中
# kubectl get pvc
NAME   STATUS        VOLUME   CAPACITY   ACCESS MODES   STORAGECLASS   AGE
pvc1   Terminating   pv1      1Gi        RWO            nfs            21m# 先删除这个pod
# kubectl delete pod nginx-569546db98-99qpq 
pod "nginx-569546db98-99qpq" deleted# 再看先删除的pvc已经没有了
# kubectl get pvc
No resources found in default namespace.# 根据先前创建pv时的数据回收策略为Recycle – 清除 PV 中的数据，这时果然先创建的index.html已经被删除了，在生产中要尤其注意这里的模式，注意及时备份数据，注意及时备份数据，注意及时备份数据
# ll /nfs_dir/pv1/
total 0# 虽然此时pv是可以再次被pvc来消费的，但根据生产的经验，建议在删除pvc时，也同时把它消费的pv一并删除，然后再重启创建都是可以的

我们先提到了K8s的设计是，pv交给存储管理员来管理，我们是管用pvc来消费就好，但这里我们实际还是得一起管理pv和pvc，在实际工作中，我们（存储管理员）可以提前配置好pv的动态供给StorageClass，来根据pvc的消费动态生成pv

StorageClass

我这是直接拿生产中用的实例来作演示，利用nfs-client-provisioner来生成一个基于nfs的StorageClass，部署配置yaml配置如下，保持为nfs-sc.yaml：

apiVersion: v1
kind: ServiceAccount
metadata:name: nfs-client-provisionernamespace: kube-system---
kind: ClusterRole
apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1
metadata:name: nfs-client-provisioner-runner
rules:- apiGroups: [""]resources: ["persistentvolumes"]verbs: ["get", "list", "watch", "create", "delete"]- apiGroups: [""]resources: ["persistentvolumeclaims"]verbs: ["get", "list", "watch", "update"]- apiGroups: ["storage.k8s.io"]resources: ["storageclasses"]verbs: ["get", "list", "watch"]- apiGroups: [""]resources: ["events"]verbs: ["list", "watch", "create", "update", "patch"]- apiGroups: [""]resources: ["endpoints"]verbs: ["get", "list", "watch", "create", "update", "patch"]---
kind: ClusterRoleBinding
apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1
metadata:name: run-nfs-client-provisioner
subjects:- kind: ServiceAccountname: nfs-client-provisionernamespace: kube-system 
roleRef:kind: ClusterRolename: nfs-client-provisioner-runnerapiGroup: rbac.authorization.k8s.io---
kind: Deployment
apiVersion: apps/v1
metadata:name: nfs-provisioner-01namespace: kube-system
spec:replicas: 1strategy:type: Recreateselector:matchLabels:app: nfs-provisioner-01template:metadata:labels:app: nfs-provisioner-01spec:serviceAccountName: nfs-client-provisionercontainers:- name: nfs-client-provisionerimage: bogeit/nfs-subdir-external-provisioner:v4.0.2imagePullPolicy: IfNotPresentvolumeMounts:- name: nfs-client-rootmountPath: /persistentvolumesenv:- name: PROVISIONER_NAMEvalue: nfs-provisioner-01  # 此处供应者名字供storageclass调用- name: NFS_SERVERvalue: 10.0.1.201   # 填入NFS的地址- name: NFS_PATHvalue: /nfs_dir   # 填入NFS挂载的目录volumes:- name: nfs-client-rootnfs:server: 10.0.1.201   # 填入NFS的地址path: /nfs_dir   # 填入NFS挂载的目录---
# use aliyun's nas need configure: https://help.aliyun.com/document_detail/130727.html?spm=a2c4g.11174283.6.715.1aad2ceeUrijYZ
apiVersion: storage.k8s.io/v1
kind: StorageClass
metadata:name: nfs-boge
provisioner: nfs-provisioner-01
# Supported policies: Delete、 Retain ， default is Delete
reclaimPolicy: Retain

开始创建这个StorageClass：

# kubectl apply -f nfs-sc.yaml 
serviceaccount/nfs-client-provisioner created
clusterrole.rbac.authorization.k8s.io/nfs-client-provisioner-runner created
clusterrolebinding.rbac.authorization.k8s.io/run-nfs-client-provisioner created
deployment.apps/nfs-provisioner-01 createdorageclass.storage.k8s.io/nfs-boge created# 注意这个是在放kube-system的namespace下面，这里面放置一些偏系统类的服务
# kubectl -n kube-system get pod -w
NAME                                       READY   STATUS              RESTARTS   AGE
calico-kube-controllers-7fdc86d8ff-dpdm5   1/1     Running             1          24h
calico-node-8jcp5                          1/1     Running             1          24h
calico-node-m92rn                          1/1     Running             1          24h
calico-node-xg5n4                          1/1     Running             1          24h
calico-node-xrfqq                          1/1     Running             1          24h
coredns-d9b6857b5-5zwgf                    1/1     Running             1          24h
metrics-server-869ffc99cd-wfj44            1/1     Running             2          24h
nfs-provisioner-01-5db96d9cc9-qxlgk        0/1     ContainerCreating   0          9s
nfs-provisioner-01-5db96d9cc9-qxlgk        1/1     Running             0          21s# StorageClass已经创建好了
# kubectl get sc
NAME       PROVISIONER          RECLAIMPOLICY   VOLUMEBINDINGMODE   ALLOWVOLUMEEXPANSION   AGE
nfs-boge   nfs-provisioner-01   Retain          Immediate           false                  37s

我们来基于StorageClass创建一个pvc，看看动态生成的pv是什么效果：

# vim pvc-sc.yaml 
kind: PersistentVolumeClaim
apiVersion: v1
metadata:name: pvc-sc
spec:storageClassName: nfs-bogeaccessModes:- ReadWriteManyresources:requests:storage: 1Mi# kubectl  apply -f pvc-sc.yaml 
persistentvolumeclaim/pvc-sc created# kubectl  get pvc
NAME     STATUS   VOLUME                                     CAPACITY   ACCESS MODES   STORAGECLASS   AGE
pvc-sc   Bound    pvc-63eee4c7-90fd-4c7e-abf9-d803c3204623   1Mi        RWX            nfs-boge       3s
pvc1     Bound    pv1                                        1Gi        RWO            nfs            24m# kubectl  get pv
NAME                                       CAPACITY   ACCESS MODES   RECLAIM POLICY   STATUS   CLAIM            STORAGECLASS   REASON   AGE
pv1                                        1Gi        RWO            Recycle          Bound    default/pvc1     nfs                     49m
pvc-63eee4c7-90fd-4c7e-abf9-d803c3204623   1Mi        RWX            Retain           Bound    default/pvc-sc   nfs-boge                7s

我们修改下nginx的yaml配置，将pvc的名称换成上面的pvc-sc：

# vim nginx.yaml 
---
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:labels:app: nginxname: nginx
spec:replicas: 1selector:matchLabels:app: nginxtemplate:metadata:labels:app: nginxspec:containers:- image: nginx:1.21.6name: nginxvolumeMounts:    # 我们这里将nginx容器默认的页面目录挂载- name: html-filesmountPath: "/usr/share/nginx/html"volumes:- name: html-filespersistentVolumeClaim:claimName: pvc-sc# kubectl apply -f nginx.yaml 
service/nginx unchanged
deployment.apps/nginx configured# 这里注意下，因为是动态生成的pv，所以它的目录基于是一串随机字符串生成的，这时我们直接进到pod内来创建访问页面
# kubectl exec -it nginx-57cdc6d9b4-n497g -- bash
root@nginx-57cdc6d9b4-n497g:/# echo 'storageClass used' > /usr/share/nginx/html/index.html
root@nginx-57cdc6d9b4-n497g:/# exit# curl 10.68.238.54                              
storageClass used# 我们看下NFS挂载的目录
# ll /nfs_dir/
total 0
drwxrwxrwx 2 root root 24 Nov 27 17:52 default-pvc-sc-pvc-63eee4c7-90fd-4c7e-abf9-d803c3204623
drwxr-xr-x 2 root root  6 Nov 27 17:25 pv1

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