【云原生】Kubernetes 中的 PV 和 PVC 介绍、原理、用法及实战案例分析

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所属的专栏：云原生K8S，零基础到进阶实战
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Kubernetes 中的 PV 和 PVC 介绍、原理、用法及实战案例分析

介绍

在 Kubernetes（k8s）中，管理存储资源是确保应用持久性和可靠性的关键部分。PersistentVolume（PV）和PersistentVolumeClaim（PVC）是 Kubernetes 中用于存储资源管理的两个核心概念。它们提供了一种机制，允许 Pod 访问独立于其生命周期的存储资源，从而实现了数据的持久化。

PV（Persistent Volume）

PV 是 Kubernetes 集群中的一块网络存储，它独立于 Pod 存在，可以作为各种存储系统的抽象，如 NFS、iSCSI、云提供商的存储（如 AWS EBS、GCP Persistent Disks、Azure Disk Storage）等。PV 由管理员预先创建并配置，包括容量、访问模式（ReadWriteOnce、ReadOnlyMany、ReadWriteMany）和回收策略等。PV 的生命周期包括可用（Available）、绑定（Bound）、释放（Released）和回收（Retained）等状态。

PVC（Persistent Volume Claim）

PVC 是用户对 PV 的存储请求，它定义了 Pod 对存储资源的需求。用户通过 PVC 声明所需的存储容量和访问模式，而不需要关心具体的 PV 细节。当 PVC 被创建时，Kubernetes 会尝试将其与满足其要求的 PV 进行绑定。如果集群中没有可用的 PV，且 PVC 定义了 StorageClass，则 Kubernetes 可以动态地创建一个新的 PV 来满足 PVC 的需求。

原理

PV 和 PVC 的工作原理主要基于动态匹配和绑定机制。这种机制使得 Pod 与存储资源的具体实现解耦，提高了灵活性和可移植性。

静态供应：管理员手动创建 PV，用户通过 PVC 声明对存储资源的需求。Kubernetes 会根据 PVC 的标签选择器和 PV 的标签进行匹配，将满足条件的 PV 绑定到 PVC。
动态供应：当用户通过 PVC 请求存储资源时，如果集群中没有现成的 PV 可用，且 PVC 定义了 StorageClass，Kubernetes 会根据 StorageClass 的配置动态创建一个新的 PV，并将其绑定到 PVC。

这种机制使得存储资源的管理更加灵活和高效，减少了手动干预的需要。

用法

创建 PV

管理员可以通过 YAML 文件创建 PV。以下是一个简单的 PV 创建示例，它定义了一个 1GB 大小的 NFS 存储卷：

apiVersion: v1
kind: PersistentVolume
metadata:
  name: example-pv
spec:
  capacity:
    storage: 1Gi
  volumeMode: Filesystem
  accessModes:
    - ReadWriteOnce
  persistentVolumeReclaimPolicy: Retain
  nfs:
    path: /path/to/nfs/volume
    server: nfs-server-ip

创建 PVC

用户通过 PVC 声明对存储资源的需求。以下是一个 PVC 创建示例，它请求 1GB 大小的存储资源，并指定了 ReadWriteOnce 访问模式：

apiVersion: v1
kind: PersistentVolumeClaim
metadata:
  name: example-pvc
spec:
  accessModes:
    - ReadWriteOnce
  resources:
    requests:
      storage: 1Gi

将 PVC 与 Pod 关联

在 Pod 的定义中，可以将 PVC 与 Pod 关联起来，以便 Pod 可以访问 PVC 绑定的 PV 提供的存储资源。以下是一个 Pod 定义的示例，它将 PVC 挂载到 Pod 的 /data 目录：

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: example-pod
spec:
  containers:
    - name: example-container
      image: nginx
      volumeMounts:
        - name: data
          mountPath: /data
  volumes:
    - name: data
      persistentVolumeClaim:
        claimName: example-pvc

实战案例分析

案例：部署 WordPress 应用程序

假设我们想要在 Kubernetes 集群中部署一个 WordPress 应用程序，并希望 WordPress 的数据持久化存储在一个持久卷中。

步骤 1：创建 PV

首先，我们创建一个 PV，用于存储 WordPress 的数据。这里我们使用 hostPath 来定义一个本地存储的 PV：

apiVersion: v1
kind: PersistentVolume
metadata:
  name: wordpress-pv
spec:
  capacity:
    storage: 5Gi
  volumeMode: Filesystem
  accessModes:
    - ReadWriteOnce
  hostPath:
    path: /mnt/data

步骤 2：创建 PVC

然后，我们创建一个 PVC，声明对 PV 的需求：

apiVersion: v1
kind: PersistentVolumeClaim
metadata:
  name: wordpress-pvc
spec:
  accessModes:
    - ReadWriteOnce
  resources:requests:
      storage: 5Gi

步骤 3：部署 WordPress 应用

接下来，我们部署 WordPress 应用，并将其 PVC 挂载到 Pod 的适当位置，以便存储数据库和媒体文件。这里我们使用 Helm 或者直接编写 Deployment 和 Service 的 YAML 文件来部署 WordPress 和 MySQL。

假设我们使用 Helm，则首先需要添加一个 WordPress 的 Helm 仓库（如果尚未添加），然后安装 WordPress 图表，并指定 PVC 作为存储选项。

helm repo add bitnami https://charts.bitnami.com/bitnami
helm install my-wordpress bitnami/wordpress \
  --set persistence.enabled=true \
  --set persistence.existingClaim=wordpress-pvc

在这个 Helm 命令中，--set persistence.enabled=true 启用了持久化存储，--set persistence.existingClaim=wordpress-pvc 指定了现有的 PVC（即 wordpress-pvc）用于存储 WordPress 的数据。

步骤 4：验证部署

部署完成后，你可以通过 Kubernetes Dashboard 或者使用 kubectl 命令来检查 Pod、Service 和 PVC 的状态，确保一切正常运行。

kubectl get pods
kubectl get pvc
kubectl get svc

通过访问 WordPress 服务的外部 IP 地址或域名（如果你配置了 Ingress 或 LoadBalancer），你应该能够访问到你的 WordPress 网站，并看到它正常运行，同时数据存储在指定的 PV 中。

步骤 5：扩展和维护

扩展存储

随着 WordPress 应用程序的使用和数据量的增长，你可能需要扩展存储容量。对于静态供应的 PV，这通常意味着你需要手动创建一个新的、更大容量的 PV，并将应用程序迁移到新的 PV 上。然而，这通常是一个复杂且易出错的过程。

对于动态供应的 PV，情况要好得多。你可以通过修改 PVC 的请求大小来触发存储的动态扩展（如果底层存储系统支持在线扩展）。不过，需要注意的是，并非所有存储系统都支持在线扩展，而且即使支持，也需要确保 Kubernetes 集群和存储系统都正确配置以支持这一功能。

备份和恢复

为了保障数据的安全性，定期备份 WordPress 的数据是非常重要的。你可以使用 Kubernetes 的备份工具（如 Velero）来定期备份 PVC 关联的数据卷。Velero 可以与各种存储系统一起工作，提供灵活的数据备份和恢复选项。

在需要恢复数据时，你可以使用 Velero 或其他备份工具将备份的数据恢复到指定的 PVC 中。这通常涉及到创建一个新的 PVC（如果原始 PVC 已删除或损坏），然后将备份数据恢复到该 PVC 关联的数据卷中。

监控和日志

为了保持 WordPress 应用程序的稳定性和性能，监控和日志记录也是必不可少的。你可以使用 Kubernetes 的监控工具（如 Prometheus 和 Grafana）来监控 Pod、Service 和 PVC 的状态，以及资源使用情况（如 CPU、内存和存储）。

同时，确保 WordPress 应用程序和 MySQL 数据库都配置了适当的日志记录级别，以便在出现问题时能够快速定位和解决问题。

步骤 6：更新和升级

随着 WordPress 和其依赖项（如 MySQL）的更新和升级，你可能需要定期更新你的应用程序以利用新功能和安全修复。

如果你使用 Helm 部署了 WordPress，那么更新和升级通常会比较简单。你可以使用 Helm 的 upgrade 命令来更新到新的 Helm 图表版本，或者修改现有的 Helm 图表配置以应用更改。

然而，在更新和升级之前，请务必备份你的数据和配置，以便在出现问题时能够恢复到更新之前的状态。

总结

通过本实战案例分析，我们不仅展示了如何在 Kubernetes 中使用 PV 和 PVC 来部署一个持久化存储的 WordPress 应用程序，还讨论了扩展存储、备份和恢复、监控和日志记录以及更新和升级等关键方面。这些步骤和最佳实践将帮助你更好地管理 Kubernetes 中的存储资源，并确保你的应用程序能够稳定运行并满足业务需求。

记住，Kubernetes 的强大之处在于其灵活性和可扩展性。通过充分利用 PV 和 PVC 以及其他 Kubernetes 功能，你可以构建出高度可靠、可扩展和可维护的应用程序架构。