K8S存储卷与PV,PVC

一、前言

Kubernetes（K8s）中的存储卷是用于在容器之间共享数据的一种机制。存储卷可以在多个Pod之间共享数据，并且可以保持数据的持久性，即使Pod被重新调度或者删除，数据也不会丢失。

Kubernetes支持多种类型的存储卷，包括空目录、主机路径、GCE持久磁盘、AWS EBS、Azure磁盘、NFS等。你可以根据自己的需求选择最适合的存储卷类型来存储和共享数据。

使用存储卷时，你可以在Pod的配置中指定挂载点和存储卷的类型，Kubernetes会确保所需的存储卷被正确挂载到Pod中。这样，容器就可以通过挂载的存储卷来读写数据，实现数据的共享和持久化存储。

总的来说，Kubernetes的存储卷机制能够很好地支持容器之间的数据共享和持久化存储，帮助你更好地管理应用程序的数据。

二、存储卷类型

1.emptyDir存储卷

当Pod被分配给节点时，首先创建emptyDir卷，并且只要该Pod在该节点上运行，该卷就会存在。正如卷的名字所述，它最初是空的。Pod 中的容器可以读取和写入emptyDir卷中的相同文件，尽管该卷可以挂载到每个容器中的相同或不同路径上。当出于任何原因从节点中删除 Pod 时，emptyDir中的数据将被永久删除。

mkdir /opt/volumes

cd /opt/volumes

vim pod-emptydir.yaml

apiVersion: v1

kind: Pod

metadata:

namespace: default

labels:

app: myapp

tier: frontend

spec:

containers:

name: myapp

image: ikubernetes/myapp:v1

imagePullPolicy: IfNotPresent

ports:

name: http

containerPort: 80

#定义容器挂载内容

volumeMounts:

#使用的存储卷名称，如果跟下面volume字段name值相同，则表示使用volume的这个存储卷

name: html

#挂载至容器中哪个目录

mountPath: /usr/share/nginx/html/

name: busybox

image: busybox:latest

imagePullPolicy: IfNotPresent

volumeMounts:

name: html

#在容器内定义挂载存储名称和挂载路径

mountPath: /data/

command: ['/bin/sh','-c','while true;do echo $(date) >> /data/index.html;sleep 2;done']

#定义存储卷

volumes:

#定义存储卷名称

name: html

#定义存储卷类型

emptyDir: {}

kubectl apply -f pod-emptydir.yaml

kubectl get pods -o wide

NAME READY STATUS RESTARTS AGE IP NODE NOMINATED NODE READINESS GATES

pod-emptydir 2/2 Running 0 36s 10.244.2.19 node02 <none> <none>

//在上面定义了2个容器，其中一个容器是输入日期到index.html中，然后验证访问nginx的html是否可以获取日期。以验证两个容器之间挂载的emptyDir实现共享。

curl 10.244.2.19

Thu May 27 18:17:11 UTC 2021

Thu May 27 18:17:13 UTC 2021

Thu May 27 18:17:15 UTC 2021

Thu May 27 18:17:17 UTC 2021

Thu May 27 18:17:19 UTC 2021

Thu May 27 18:17:21 UTC 2021

Thu May 27 18:17:23 UTC 2021

2.hostPath存储卷

hostPath卷将 node 节点的文件系统中的文件或目录挂载到集群中。

hostPath可以实现持久存储，但是在node节点故障时，也会导致数据的丢失。

//在 node01 节点上创建挂载目录

mkdir -p /data/pod/volume1

echo 'node01.kgc.com' > /data/pod/volume1/index.html

//在 node02 节点上创建挂载目录

mkdir -p /data/pod/volume1

echo 'node02.kgc.com' > /data/pod/volume1/index.html

//创建 Pod 资源

vim pod-hostpath.yaml

apiVersion: v1

kind: Pod

metadata:

namespace: default

spec:

containers:

name: myapp

image: ikubernetes/myapp:v1

#定义容器挂载内容

volumeMounts:

#使用的存储卷名称，如果跟下面volume字段name值相同，则表示使用volume的这个存储卷

name: html

#挂载至容器中哪个目录

mountPath: /usr/share/nginx/html

#读写挂载方式，默认为读写模式false

readOnly: false

#volumes字段定义了paues容器关联的宿主机或分布式文件系统存储卷

volumes:

#存储卷名称

name: html

#路径，为宿主机存储路径

hostPath:

#在宿主机上目录的路径

path: /data/pod/volume1

#定义类型，这表示如果宿主机没有此目录则会自动创建

type: DirectoryOrCreate

kubectl apply -f pod-hostpath.yaml

//访问测试

kubectl get pods -o wide

NAME READY STATUS RESTARTS AGE IP NODE NOMINATED NODE READINESS GATES

pod-hostpath 2/2 Running 0 37s 10.244.2.35 node02 <none> <none>

curl 10.244.2.35

node02.kgc.com

//删除pod，再重建，验证是否依旧可以访问原来的内容

kubectl delete -f pod-hostpath.yaml

kubectl apply -f pod-hostpath.yaml

kubectl get pods -o wide

NAME READY STATUS RESTARTS AGE IP NODE NOMINATED NODE READINESS GATES

pod-hostpath 2/2 Running 0 36s 10.244.2.37 node02 <none> <none>

curl 10.244.2.37

node02.kgc.com

3.nfs共享存储卷

//在stor01节点上安装nfs，并配置nfs服务

mkdir /data/volumes -p

chmod 777 /data/volumes

vim /etc/exports

/data/volumes 192.168.88.12/24(rw,no_root_squash)

systemctl start rpcbind

systemctl start nfs

showmount -e

Export list for stor01:

/data/volumes 192.168.88.12/24

//master节点操作

kind: Pod

vim pod-nfs-vol.yaml

apiVersion: v1

metadata:

namespace: default

spec:

containers:

name: myapp

image: ikubernetes/myapp:v1

volumeMounts:

name: html

mountPath: /usr/share/nginx/html

volumes:

name: html

nfs:

path: /data/volumes

server: stor01

kubectl apply -f pod-nfs-vol.yaml

kubectl get pods -o wide

NAME READY STATUS RESTARTS AGE IP NODE

pod-vol-nfs 1/1 Running 0 21s 10.244.2.38 node02

//在nfs服务器上创建index.html

cd /data/volumes

vim index.html

//master节点操作

curl 10.244.2.38

kubectl delete -f pod-nfs-vol.yaml #删除nfs相关pod，再重新创建，可以得到数据的持久化存储

kubectl apply -f pod-nfs-vol.yaml

三、PV和PVC

1.概念

PV 全称叫做 Persistent Volume，持久化存储卷。它是用来描述或者说用来定义一个存储卷的，这个通常都是由运维工程师来定义。

PVC 的全称是 Persistent Volume Claim，是持久化存储的请求。它是用来描述希望使用什么样的或者说是满足什么条件的 PV 存储。

PVC 的使用逻辑：在 Pod 中定义一个存储卷（该存储卷类型为 PVC），定义的时候直接指定大小，PVC 必须与对应的 PV 建立关系，PVC 会根据配置的定义去 PV 申请，而 PV 是由存储空间创建出来的。PV 和 PVC 是 Kubernetes 抽象出来的一种存储资源。

上面介绍的PV和PVC模式是需要运维人员先创建好PV，然后开发人员定义好PVC进行一对一的Bond，但是如果PVC请求成千上万，那么就需要创建成千上万的PV，对于运维人员来说维护成本很高，Kubernetes提供一种自动创建PV的机制，叫StorageClass，它的作用就是创建PV的模板。

创建 StorageClass 需要定义 PV 的属性，比如存储类型、大小等；另外创建这种 PV 需要用到的存储插件，比如 Ceph 等。有了这两部分信息，Kubernetes 就能够根据用户提交的 PVC，找到对应的 StorageClass，然后 Kubernetes 就会调用 StorageClass 声明的存储插件，自动创建需要的 PV 并进行绑定。

存储：存储工程师运维

PV： k8s 管理员运维

PVC：用户维护

PV是集群中的资源。 PVC是对这些资源的请求，也是对资源的索引检查。

2.生命周期

PV和PVC之间的相互作用遵循这个生命周期：

Provisioning（配置）---> Binding（绑定）---> Using（使用）---> Releasing（释放） ---> Recycling（回收）

●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

●Binding，将 PV 分配给 PVC

●Using，Pod 通过 PVC 使用该 Volume，并可以通过准入控制StorageProtection（1.9及以前版本为PVCProtection）阻止删除正在使用的 PVC

●Releasing，Pod 释放 Volume 并删除 PVC

●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

根据这 5 个阶段，PV 的状态有以下 4 种： ***

●Available（可用）：表示可用状态，还未被任何 PVC 绑定

●Bound（已绑定）：表示 PV 已经绑定到 PVC

●Released（已释放）：表示 PVC 被删掉，但是资源尚未被集群回收

●Failed（失败）：表示该 PV 的自动回收失败

//一个PV从创建到销毁的具体流程如下：

1、一个PV创建完后状态会变成Available，等待被PVC绑定。

2、一旦被PVC邦定，PV的状态会变成Bound，就可以被定义了相应PVC的Pod使用。

3、Pod使用完后会释放PV，PV的状态变成Released。

4、变成Released的PV会根据定义的回收策略做相应的回收工作。有三种回收策略，Retain、Delete和Recycle。Retain就是保留现场，K8S集群什么也不做，等待用户手动去处理PV里的数据，处理完后，再手动删除PV。Delete策略，K8S会自动删除该PV及里面的数据。Recycle方式，K8S会将PV里的数据删除，然后把PV的状态变成Available，又可以被新的PVC绑定使用。

3.回收策略

kubectl explain pv #查看pv的定义方式

FIELDS:

apiVersion: v1

kind: PersistentVolume

metadata: #由于 PV 是集群级别的资源，即 PV 可以跨 namespace 使用，所以 PV 的 metadata 中不用配置 namespace

name:

spec

kubectl explain pv.spec #查看pv定义的规格

spce:

nfs:（定义存储类型）

path:（定义挂载卷路径）

server:（定义服（定义访问模型，务器名称）

accessModes:有以下三种访问模型，以列表的方式存在，也就是说可以定义多个访问模式） * * *

ReadWriteOnce #（RWO）存储可读可写，但只支持被单个 Pod 挂载
ReadOnlyMany #（ROX）存储可以以只读的方式被多个 Pod 挂载
ReadWriteMany #（RWX）存储可以以读写的方式被多个 Pod 共享注：官网

#nfs 支持全部三种；iSCSI 不支持 ReadWriteMany（iSCSI 就是在 IP 网络上运行 SCSI 协议的一种网络存储技术）；HostPath 不支持 ReadOnlyMany 和 ReadWriteMany。

capacity:（定义存储能力，一般用于设置存储空间）

storage: 2Gi （指定大小）

storageClassName: （自定义存储类名称，此配置用于绑定具有相同类别的PVC和PV）

persistentVolumeReclaimPolicy: Retain #回收策略（Retain/Delete/Recycle） * * *

#Retain（保留）：当删除与之绑定的PVC时候，这个PV被标记为released（PVC与PV解绑但还没有执行回收策略）且之前的数据依然保存在该PV上，但是该PV不可用，需要手动来处理这些数据并删除该PV。

#Delete（删除）：删除与PV相连的后端存储资源（只有 AWS EBS, GCE PD, Azure Disk 和 Cinder 支持）

#Recycle（回收）：删除数据，效果相当于执行了 rm -rf /thevolume/* （只有 NFS 和 HostPath 支持）

kubectl explain pvc #查看PVC的定义方式

KIND: PersistentVolumeClaim

VERSION: v1

FIELDS:

apiVersion <string>

kind <string>

metadata <Object>

spec <Object>

#PV和PVC中的spec关键字段要匹配，比如存储（storage）大小、访问模式（accessModes）、存储类名称（storageClassName）

kubectl explain pvc.spec

spec:

accessModes: （定义访问模式，必须是PV的访问模式的子集）

resources:

requests:

storage: （定义申请资源的大小）

storageClassName: （定义存储类名称，此配置用于绑定具有相同类别的PVC和PV）

4.实验：NFS使用PV和PVC

4.1配置nfs存储

mkdir v{1,2,3,4,5}

vim /etc/exports

/data/volumes/v1 192.168.88.12/24(rw,no_root_squash)

/data/volumes/v2 192.168.88.12/24(rw,no_root_squash)

/data/volumes/v3 192.168.88.12/24(rw,no_root_squash)

/data/volumes/v4 192.168.88.12/24(rw,no_root_squash)

/data/volumes/v5 192.168.88.12/24(rw,no_root_squash)

exportfs -arv

showmount -e

官方文档：https://kubernetes.io/zh-cn/docs/tasks/configure-pod-container/configure-persistent-volume-storage/#create-a-persistentvolume

4.2定义PV

//这里定义5个PV，并且定义挂载的路径以及访问模式，还有PV划分的大小。

vim pv-demo.yaml

apiVersion: v1

kind: PersistentVolume

metadata:

labels:

spec:

nfs:

path: /data/volumes/v1 server:stor01

accessModes: ["ReadWriteMany","ReadWriteOnce"]

capacity:

storage: 1Gi

apiVersion: v1

kind: PersistentVolume

metadata:

labels:

spec:

nfs:

path: /data/volumes/v2

server: stor01

accessModes: ["ReadWriteOnce"]

capacity:

storage: 2Gi

apiVersion: v1

kind: PersistentVolume

metadata:

labels:

spec:

nfs:

path: /data/volumes/v3

server: stor01

accessModes: ["ReadWriteMany","ReadWriteOnce"]

capacity:

storage: 2Gi

apiVersion: v1

kind: PersistentVolume

metadata:

labels:

spec:

nfs:

path: /data/volumes/v4

server: stor01

accessModes: ["ReadWriteMany","ReadWriteOnce"]

capacity:

storage: 4Gi

apiVersion: v1

kind: PersistentVolume

metadata:

labels:

spec:

nfs:

path: /data/volumes/v5

server: stor01

accessModes: ["ReadWriteMany","ReadWriteOnce"]

capacity:

storage: 5Gi

kubectl apply -f pv-demo.yaml

kubectl get pv

NAME CAPACITY ACCESS MODES RECLAIM POLICY STATUS CLAIM STORAGECLASS REASON AGE

pv001 1Gi RWO,RWX Retain Available 7s

pv002 2Gi RWO Retain Available 7s

pv003 2Gi RWO,RWX Retain Available 7s

pv004 4Gi RWO,RWX Retain Available 7s

pv005 5Gi RWO,RWX Retain Available 7s

4.3定义PVC

//这里定义了pvc的访问模式为多路读写，该访问模式必须在前面pv定义的访问模式之中。定义PVC申请的大小为2Gi，此时PVC会自动去匹配多路读写且大小为2Gi的PV，匹配成功获取PVC的状态即为Bound

vim pod-vol-pvc.yaml

apiVersion: v1

kind: PersistentVolumeClaim

metadata:

namespace: default

spec:

accessModes: ["ReadWriteMany"]

resources:

requests:

storage: 2Gi

apiVersion: v1

kind: Pod

metadata:

namespace: default

spec:

containers:

name: myapp

image: ikubernetes/myapp:v1

volumeMounts:

name: html

mountPath: /usr/share/nginx/html

volumes:

name: html

persistentVolumeClaim:

claimName: mypvc

kubectl apply -f pod-vol-pvc.yaml

kubectl get pv

NAME CAPACITY ACCESS MODES RECLAIM POLICY STATUS CLAIM STORAGECLASS REASON AGE

pv001 1Gi RWO,RWX Retain Available 19m

pv002 2Gi RWO Retain Available 19m

pv003 2Gi RWO,RWX Retain Bound default/mypvc 19m

pv004 4Gi RWO,RWX Retain Available 19m

pv005 5Gi RWO,RWX Retain Available 19m

kubectl get pvc

NAME STATUS VOLUME CAPACITY ACCESS MODES STORAGECLASS AGE

mypvc Bound pv003 2Gi RWO,RWX 22s

4.4测试访问

//在存储服务器上创建index.html，并写入数据，通过访问Pod进行查看，可以获取到相应的页面。

cd /data/volumes/v3/

echo "welcome to use pv3" > index.html

kubectl get pods -o wide

pod-vol-pvc 1/1 Running 0 3m 10.244.2.39 k8s-node02

curl 10.244.2.39

welcome to use pv3

5.实验：搭建 StorageClass + NFS，实现 NFS 的动态 PV 创建

Kubernetes 本身支持的动态 PV 创建不包括 NFS，所以需要使用外部存储卷插件分配PV。详见：https://kubernetes.io/zh/docs/concepts/storage/storage-classes/

卷插件称为 Provisioner（存储分配器），NFS 使用的是 nfs-client，这个外部PV。

Provisioner：用于指定 Volume 插件的类型，包括内置插件（如 kubernetes.io/aws-ebs）和外部插件（如 exte卷插件会使用已经配置好的 NFS 服务器自动创建 rnal-storage 提供的 ceph.com/cephfs）。

5.1在stor01节点上安装nfs，并配置nfs服务

mkdir /opt/k8s

chmod 777 /opt/k8s/

vim /etc/exports

/opt/k8s 192.168.10.0/24(rw,no_root_squash,sync)

systemctl restart nfs

5.2创建 Service Account，用来管理 NFS Provisioner 在 k8s 集群中运行的权限，设置 nfs-client 对 PV，PVC，StorageClass 等的规则

vim nfs-client-rbac.yaml

#创建 Service Account 账户，用来管理 NFS Provisioner 在 k8s 集群中运行的权限

apiVersion: v1

kind: ServiceAccount

metadata:

#创建集群角色

apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1

kind: ClusterRole

metadata:

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: ["create", "delete", "get", "list", "watch", "patch", "update"]

#集群角色绑定

apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1

kind: ClusterRoleBinding

metadata:

subjects:

kind: ServiceAccount

namespace: default

roleRef:

kind: ClusterRole

apiGroup: rbac.authorization.k8s.io

kubectl apply -f nfs-client-rbac.yaml

5.3使用 Deployment 来创建 NFS Provisioner

NFS Provisione(即 nfs-client)，有两个功能：一个是在 NFS 共享目录下创建挂载点(volume)，另一个则是将 PV 与 NFS 的挂载点建立关联。

#由于 1.20 版本启用了 selfLink，所以 k8s 1.20+ 版本通过 nfs provisioner 动态生成pv会报错，解决方法如下：

vim /etc/kubernetes/manifests/kube-apiserver.yaml

spec:

containers:

command:
kube-apiserver
--feature-gates=RemoveSelfLink=false #添加这一行
--advertise-address=192.168.80.20

......

kubectl apply -f /etc/kubernetes/manifests/kube-apiserver.yaml

kubectl delete pods kube-apiserver -n kube-system

kubectl get pods -n kube-system | grep apiserver

#创建 NFS Provisioner

vim nfs-client-provisioner.yaml

kind: Deployment

apiVersion: apps/v1

metadata:

spec:

replicas: 1

selector:

matchLabels:

app: nfs-client-provisioner

strategy:

type: Recreate

template:

metadata:

labels:

app: nfs-client-provisioner

spec:

serviceAccountName: nfs-client-provisioner #指定Service Account账户

containers:

name: nfs-client-provisioner

image: quay.io/external_storage/nfs-client-provisioner:latest

imagePullPolicy: IfNotPresent

volumeMounts:

name: nfs-client-root

mountPath: /persistentvolumes

env:

name: PROVISIONER_NAME

value: nfs-storage #配置provisioner的Name，确保该名称与StorageClass资源中的provisioner名称保持一致

name: NFS_SERVER

value: stor01 #配置绑定的nfs服务器

name: NFS_PATH

value: /opt/k8s #配置绑定的nfs服务器目录

volumes: #申明nfs数据卷

name: nfs-client-root

nfs:

server: stor01

path: /opt/k8s

kubectl apply -f nfs-client-provisioner.yaml

kubectl get pod

NAME READY STATUS RESTARTS AGE

nfs-client-provisioner-cd6ff67-sp8qd 1/1 Running 0 14s

5.4、创建 StorageClass，负责建立 PVC 并调用 NFS provisioner 进行预定的工作，并让 PV 与 PVC 建立关联

vim nfs-client-storageclass.yaml

apiVersion: storage.k8s.io/v1

kind: StorageClass

metadata:

provisioner: nfs-storage #这里的名称要和provisioner配置文件中的环境变量PROVISIONER_NAME保持一致

parameters:

archiveOnDelete: "false" #false表示在删除PVC时不会对数据进行存档，即删除数据

kubectl apply -f nfs-client-storageclass.yaml

kubectl get storageclass

NAME PROVISIONER RECLAIMPOLICY VOLUMEBINDINGMODE ALLOWVOLUMEEXPANSION AGE

nfs-client-storageclass nfs-storage Delete Immediate false 43s

5.5创建 PVC 和 Pod 测试

vim test-pvc-pod.yaml

apiVersion: v1

kind: PersistentVolumeClaim

metadata:

spec:

accessModes:

ReadWriteMany

storageClassName: nfs-client-PROVISIONER #关联StorageClass对象

resources:

requests:

storage: 1Gi

apiVersion: v1

kind: Pod

metadata:

spec:

containers:

name: busybox

image: busybox:latest

imagePullPolicy: IfNotPresent

command:

"/bin/sh"
"-c"

args:

"sleep 3600"

volumeMounts:

name: nfs-pvc

mountPath: /mnt

restartPolicy: Never

volumes:

name: nfs-pvc

persistentVolumeClaim:

claimName: test-nfs-pvc #与PVC名称保持一致

kubectl apply -f test-pvc-pod.yaml

//PVC 通过 StorageClass 自动申请到空间

kubectl get pvc

NAME STATUS VOLUME CAPACITY ACCESS MODES STORAGECLASS AGE

test-nfs-pvc Bound pvc-11670f39-782d-41b8-a842-eabe1859a456 1Gi RWX nfs-client-storageclass 2s

//查看 NFS 服务器上是否生成对应的目录，自动创建的 PV 会以 ${namespace}-$ {pvcName}-${pvName} 的目录格式放到 NFS 服务器上

ls /opt/k8s/

default-test-nfs-pvc-pvc-11670f39-782d-41b8-a842-eabe1859a456

//进入 Pod 在挂载目录 /mnt 下写一个文件，然后查看 NFS 服务器上是否存在该文件

kubectl exec -it test-storageclass-pod sh

/ # cd /mnt/

/mnt # echo 'this is test file' > test.txt

//发现 NFS 服务器上存在，说明验证成功

cat /opt/k8s/test.txt