K8S进阶之-持久卷

持久卷

介绍

持久卷（PersistentVolume，PV）是集群中的一块存储，可以由管理员事先制备，或者使用存储类（Storage Class）来动态制备。持久卷是集群资源，就像节点也是集群资源一样。PV 持久卷和普通的 Volume 一样，也是使用卷插件来实现的，只是它们拥有独立于任何使用 PV 的 Pod 的生命周期。此 API 对象中记述了存储的实现细节，无论其背后是 NFS、iSCSI 还是特定于云平台的存储系统。

持久卷申领（PersistentVolumeClaim，PVC）表达的是用户对存储的请求。概念上与 Pod 类似。 Pod 会耗用节点资源，而 PVC 申领会耗用 PV 资源。Pod 可以请求特定数量的资源（CPU 和内存）；同样 PVC 申领也可以请求特定的大小和访问模式（例如，可以要求 PV 卷能够以 ReadWriteOnce、ReadOnlyMany 或 ReadWriteMany 模式之一来挂载，参见访问模式）。

尽管 PersistentVolumeClaim 允许用户消耗抽象的存储资源，常见的情况是针对不同的问题用户需要的是具有不同属性（如，性能）的 PersistentVolume 卷。集群管理员需要能够提供不同性质的 PersistentVolume，并且这些 PV 卷之间的差别不仅限于卷大小和访问模式，同时又不能将卷是如何实现的这些细节暴露给用户。为了满足这类需求，就有了**存储类（StorageClass）**资源。

卷和申领的生命周期

PV 卷是集群中的资源。PVC 申领是对这些资源的请求，也被用来执行对资源的申领检查。 PV 卷和 PVC 申领之间的互动遵循如下生命周期：

制备
绑定
使用
保护使用中的存储对象
回收（Reclaiming）
PersistentVolume 删除保护 finalizer
预留 PersistentVolume
扩充 PVC 申领

制备

PV 卷的制备有两种方式：静态制备或动态制备。

静态制备
集群管理员创建若干 PV 卷。这些卷对象带有真实存储的细节信息，并且对集群用户可用（可见）。PV 卷对象存在于 Kubernetes API 中，可供用户消费（使用）。

动态制备
如果管理员所创建的所有静态 PV 卷都无法与用户的 PersistentVolumeClaim 匹配，集群可以尝试为该 PVC 申领动态制备一个存储卷。这一制备操作是基于 StorageClass 来实现的：PVC 申领必须请求某个存储类，同时集群管理员必须已经创建并配置了该类，这样动态制备卷的动作才会发生。如果 PVC 申领指定存储类为 “”，则相当于为自身禁止使用动态制备的卷。

为了基于存储类完成动态的存储制备，集群管理员需要在 API 服务器上启用 DefaultStorageClass 准入控制器。举例而言，可以通过保证 DefaultStorageClass 出现在 API 服务器组件的 --enable-admission-plugins 标志值中实现这点；该标志的值可以是逗号分隔的有序列表。关于 API 服务器标志的更多信息，可以参考 kube-apiserver 文档。

绑定

用户创建一个带有特定存储容量和特定访问模式需求的 PersistentVolumeClaim 对象；在动态制备场景下，这个 PVC 对象可能已经创建完毕。主控节点中的控制回路监测新的 PVC 对象，寻找与之匹配的 PV 卷（如果可能的话），并将二者绑定到一起。如果为了新的 PVC 申领动态制备了 PV 卷，则控制回路总是将该 PV 卷绑定到这一 PVC 申领。否则，用户总是能够获得他们所请求的资源，只是所获得的 PV 卷可能会超出所请求的配置。一旦绑定关系建立，则 PersistentVolumeClaim 绑定就是排他性的，无论该 PVC 申领是如何与 PV 卷建立的绑定关系。 PVC 申领与 PV 卷之间的绑定是一种一对一的映射，实现上使用 ClaimRef 来记述 PV 卷与 PVC 申领间的双向绑定关系。

如果找不到匹配的 PV 卷，PVC 申领会无限期地处于未绑定状态。当与之匹配的 PV 卷可用时，PVC 申领会被绑定。例如，即使某集群上制备了很多 50 Gi 大小的 PV 卷，也无法与请求 100 Gi 大小的存储的 PVC 匹配。当新的 100 Gi PV 卷被加入到集群时，该 PVC 才有可能被绑定。

使用

Pod 将 PVC 申领当做存储卷来使用。集群会检视 PVC 申领，找到所绑定的卷，并为 Pod 挂载该卷。对于支持多种访问模式的卷，用户要在 Pod 中以卷的形式使用申领时指定期望的访问模式。

一旦用户有了申领对象并且该申领已经被绑定，则所绑定的 PV 卷在用户仍然需要它期间一直属于该用户。用户通过在 Pod 的 volumes 块中包含 persistentVolumeClaim 节区来调度 Pod，访问所申领的 PV 卷。相关细节可参阅使用申领作为卷。

保护使用中的存储对象

保护使用中的存储对象（Storage Object in Use Protection）这一功能特性的目的是确保仍被 Pod 使用的 PersistentVolumeClaim（PVC）对象及其所绑定的 PersistentVolume（PV）对象在系统中不会被删除，因为这样做可能会引起数据丢失。

说明：当使用某 PVC 的 Pod 对象仍然存在时，认为该 PVC 仍被此 Pod 使用。
如果用户删除被某 Pod 使用的 PVC 对象，该 PVC 申领不会被立即移除。 PVC 对象的移除会被推迟，直至其不再被任何 Pod 使用。此外，如果管理员删除已绑定到某 PVC 申领的 PV 卷，该 PV 卷也不会被立即移除。 PV 对象的移除也要推迟到该 PV 不再绑定到 PVC。

你可以看到当 PVC 的状态为 Terminating 且其 Finalizers 列表中包含 kubernetes.io/pvc-protection 时，PVC 对象是处于被保护状态的。

kubectl describe pvc hostpath
Name:          hostpath
Namespace:     default
StorageClass:  example-hostpath
Status:        Terminating
Volume:
Labels:        <none>
Annotations:   volume.beta.kubernetes.io/storage-class=example-hostpath
               volume.beta.kubernetes.io/storage-provisioner=example.com/hostpath
Finalizers:    [kubernetes.io/pvc-protection]
...

你也可以看到当 PV 对象的状态为 Terminating 且其 Finalizers 列表中包含 kubernetes.io/pv-protection 时，PV 对象是处于被保护状态的。

kubectl describe pv task-pv-volume
Name:            task-pv-volume
Labels:          type=local
Annotations:     <none>
Finalizers:      [kubernetes.io/pv-protection]
StorageClass:    standard
Status:          Terminating
Claim:
Reclaim Policy:  Delete
Access Modes:    RWO
Capacity:        1Gi
Message:
Source:
    Type:          HostPath (bare host directory volume)
    Path:          /tmp/data
    HostPathType:
Events:            <none>

回收（Reclaiming）

当用户不再使用其存储卷时，他们可以从 API 中将 PVC 对象删除，从而允许该资源被回收再利用。PersistentVolume 对象的回收策略告诉集群，当其被从申领中释放时如何处理该数据卷。目前，数据卷可以被 Retained（保留）、Recycled（回收）或 Deleted（删除）。

PersistentVolume 删除保护 finalizer

可以在 PersistentVolume 上添加终结器（Finalizer），以确保只有在删除对应的存储后才删除具有 Delete 回收策略的 PersistentVolume。

新引入的 kubernetes.io/pv-controller 和 external-provisioner.volume.kubernetes.io/finalizer 终结器仅会被添加到动态制备的卷上。

预留 PersistentVolume

控制平面可以在集群中将 PersistentVolumeClaims 绑定到匹配的 PersistentVolumes。但是，如果你希望 PVC 绑定到特定 PV，则需要预先绑定它们。

通过在 PersistentVolumeClaim 中指定 PersistentVolume，你可以声明该特定 PV 与 PVC 之间的绑定关系。如果该 PersistentVolume 存在且未被通过其 claimRef 字段预留给 PersistentVolumeClaim，则该 PersistentVolume 会和该 PersistentVolumeClaim 绑定到一起。

绑定操作不会考虑某些卷匹配条件是否满足，包括节点亲和性等等。控制面仍然会检查存储类、访问模式和所请求的存储尺寸都是合法的。

apiVersion: v1
kind: PersistentVolumeClaim
metadata:
  name: foo-pvc
  namespace: foo
spec:
  storageClassName: "" # 此处须显式设置空字符串，否则会被设置为默认的 StorageClass
  volumeName: foo-pv
  ...

此方法无法对 PersistentVolume 的绑定特权做出任何形式的保证。如果有其他 PersistentVolumeClaim 可以使用你所指定的 PV，则你应该首先预留该存储卷。你可以将 PV 的 claimRef 字段设置为相关的 PersistentVolumeClaim 以确保其他 PVC 不会绑定到该 PV 卷。

apiVersion: v1
kind: PersistentVolume
metadata:
  name: foo-pv
spec:
  storageClassName: ""
  claimRef:
    name: foo-pvc
    namespace: foo
  ...

如果你想要使用 claimPolicy 属性设置为 Retain 的 PersistentVolume 卷时，包括你希望复用现有的 PV 卷时，这点是很有用的

扩充 PVC 申领

现在，对扩充 PVC 申领的支持默认处于被启用状态。你可以扩充以下类型的卷：

azureDisk
azureFile
awsElasticBlockStore
cinder (deprecated)
csi
flexVolume (deprecated)
gcePersistentDisk
glusterfs
rbd
portworxVolume

只有当 PVC 的存储类中将 allowVolumeExpansion 设置为 true 时，你才可以扩充该 PVC 申领。

持久卷的类型

PV 持久卷是用插件的形式来实现的。Kubernetes 目前支持以下插件：

cephfs - CephFS volume
csi - 容器存储接口 (CSI)
fc - Fibre Channel (FC) 存储
hostPath - HostPath 卷 （仅供单节点测试使用；不适用于多节点集群；请尝试使用 local 卷作为替代）
iscsi - iSCSI (SCSI over IP) 存储
local - 节点上挂载的本地存储设备
nfs - 网络文件系统 (NFS) 存储
rbd - Rados 块设备 (RBD) 卷

持久卷

每个 PV 对象都包含 spec 部分和 status 部分，分别对应卷的规约和状态。

容量

一般而言，每个 PV 卷都有确定的存储容量。容量属性是使用 PV 对象的 capacity 属性来设置的。

卷模式

针对 PV 持久卷，Kubernetes 支持两种卷模式（volumeModes）：
Filesystem（文件系统）和 Block（块）。
volumeMode 是一个可选的 API 参数。如果该参数被省略，默认的卷模式是 Filesystem。

访问模式

PersistentVolume 卷可以用资源提供者所支持的任何方式挂载到宿主系统上。如下表所示，提供者（驱动）的能力不同，每个 PV 卷的访问模式都会设置为对应卷所支持的模式值。例如，NFS 可以支持多个读写客户，但是某个特定的 NFS PV 卷可能在服务器上以只读的方式导出。每个 PV 卷都会获得自身的访问模式集合，描述的是特定 PV 卷的能力。

访问模式有：

ReadWriteOnce
卷可以被一个节点以读写方式挂载。 ReadWriteOnce 访问模式也允许运行在同一节点上的多个 Pod 访问卷。
ReadOnlyMany
卷可以被多个节点以只读方式挂载。
ReadWriteMany
卷可以被多个节点以读写方式挂载。
ReadWriteOncePod
卷可以被单个 Pod 以读写方式挂载。 如果你想确保整个集群中只有一个 Pod 可以读取或写入该 PVC， 请使用 ReadWriteOncePod 访问模式。这只支持 CSI 卷以及需要 Kubernetes 1.22 以上版本。

类

每个 PV 可以属于某个类（Class），通过将其 storageClassName 属性设置为某个 StorageClass 的名称来指定。特定类的 PV 卷只能绑定到请求该类存储卷的 PVC 申领。未设置 storageClassName 的 PV 卷没有类设定，只能绑定到那些没有指定特定存储类的 PVC 申领。

回收策略

目前的回收策略有：

Retain -- 手动回收
Recycle -- 基本擦除 (rm -rf /thevolume/*)
Delete -- 诸如 AWS EBS、GCE PD、Azure Disk 或 OpenStack Cinder 卷这类关联存储资产也被删除

目前，仅 NFS 和 HostPath 支持回收（Recycle）。 AWS EBS、GCE PD、Azure Disk 和 Cinder 卷都支持删除（Delete）。

挂载选项

Kubernetes 管理员可以指定持久卷被挂载到节点上时使用的附加挂载选项。

说明：并非所有持久卷类型都支持挂载选项。
以下卷类型支持挂载选项：

awsElasticBlockStore
azureDisk
azureFile
cephfs
gcePersistentDisk
glusterfs
iscsi
nfs
rbd
vsphereVolume

Kubernetes 不对挂载选项执行合法性检查。如果挂载选项是非法的，挂载就会失败。

早前，Kubernetes 使用注解 volume.beta.kubernetes.io/mount-options 而不是 mountOptions 属性。这一注解目前仍然起作用，不过在将来的 Kubernetes 发布版本中该注解会被彻底废弃。

节点亲和性

说明：对大多数类型的卷而言，你不需要设置节点亲和性字段。 AWS EBS、 GCE PD 和 Azure Disk 卷类型都能自动设置相关字段。你需要为 local 卷显式地设置此属性。
每个 PV 卷可以通过设置节点亲和性来定义一些约束，进而限制从哪些节点上可以访问此卷。使用这些卷的 Pod 只会被调度到节点亲和性规则所选择的节点上执行。要设置节点亲和性，配置 PV 卷 .spec 中的 nodeAffinity。持久卷 API 参考关于该字段的更多细节。

阶段

每个卷会处于以下阶段（Phase）之一：

Available（可用）-- 卷是一个空闲资源，尚未绑定到任何申领；
Bound（已绑定）-- 该卷已经绑定到某申领；
Released（已释放）-- 所绑定的申领已被删除，但是资源尚未被集群回收；
Failed（失败）-- 卷的自动回收操作失败。

命令行接口能够显示绑定到某 PV 卷的 PVC 对象。

PersistentVolumeClaims

每个 PVC 对象都有 spec 和 status 部分，分别对应申领的规约和状态。

访问模式

申领在请求具有特定访问模式的存储时，使用与卷相同的访问模式约定。

卷模式

申领使用与卷相同的约定来表明是将卷作为文件系统还是块设备来使用。

资源

申领和 Pod 一样，也可以请求特定数量的资源。在这个上下文中，请求的资源是存储。卷和申领都使用相同的资源模型。

选择算符

申领可以设置标签选择算符来进一步过滤卷集合。只有标签与选择算符相匹配的卷能够绑定到申领上。选择算符包含两个字段：

matchLabels - 卷必须包含带有此值的标签
matchExpressions - 通过设定键（key）、值列表和操作符（operator）来构造的需求。合法的操作符有 In、NotIn、Exists 和 DoesNotExist。
来自 matchLabels 和 matchExpressions 的所有需求都按逻辑与的方式组合在一起。这些需求都必须被满足才被视为匹配。

类

申领可以通过为 storageClassName 属性设置 StorageClass 的名称来请求特定的存储类。只有所请求的类的 PV 卷，即 storageClassName 值与 PVC 设置相同的 PV 卷，才能绑定到 PVC 申领。

PVC 申领不必一定要请求某个类。如果 PVC 的 storageClassName 属性值设置为 “”，则被视为要请求的是没有设置存储类的 PV 卷，因此这一 PVC 申领只能绑定到未设置存储类的 PV 卷（未设置注解或者注解值为 “” 的 PersistentVolume（PV）对象在系统中不会被删除，因为这样做可能会引起数据丢失。未设置 storageClassName 的 PVC 与此大不相同，也会被集群作不同处理。具体筛查方式取决于 DefaultStorageClass 准入控制器插件是否被启用。

使用申领作为卷

Pod 将申领作为卷来使用，并藉此访问存储资源。申领必须位于使用它的 Pod 所在的同一名字空间内。集群在 Pod 的名字空间中查找申领，并使用它来获得申领所使用的 PV 卷。之后，卷会被挂载到宿主上并挂载到 Pod 中。

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

配置 Pod 以使用 PersistentVolume 作为存储

创建 PersistentVolume

在本练习中，你将创建一个 hostPath 类型的 PersistentVolume。 Kubernetes 支持用于在单节点集群上开发和测试的 hostPath 类型的 PersistentVolume。 hostPath 类型的 PersistentVolume 使用节点上的文件或目录来模拟网络附加存储。

在生产集群中，你不会使用 hostPath。集群管理员会提供网络存储资源，比如 Google Compute Engine 持久盘卷、NFS 共享卷或 Amazon Elastic Block Store 卷。集群管理员还可以使用 StorageClasses 来设置动态制备存储。

下面是 hostPath PersistentVolume 的配置文件：

apiVersion: v1

kind: PersistentVolume

metadata:

  name: task-pv-volume

  labels:

    type: local

spec:

  storageClassName: manual

  capacity:

    storage: 10Gi

  accessModes:

    - ReadWriteOnce

  hostPath:

    path: "/mnt/data"

此配置文件指定卷位于集群节点上的 /mnt/data 路径。其配置还指定了卷的容量大小为 10 GB，访问模式为 ReadWriteOnce，这意味着该卷可以被单个节点以读写方式安装。此配置文件还在 PersistentVolume 中定义了 StorageClass 的名称为 manual。它将用于将 PersistentVolumeClaim 的请求绑定到此 PersistentVolume。

创建 PersistentVolume：

kubectl apply -f https://k8s.io/examples/pods/storage/pv-volume.yaml

查看 PersistentVolume 的信息：

kubectl get pv task-pv-volume

创建 PersistentVolumeClaim

下一步是创建一个 PersistentVolumeClaim。 Pod 使用 PersistentVolumeClaim 来请求物理存储。在本练习中，你将创建一个 PersistentVolumeClaim，它请求至少 3 GB 容量的卷，该卷至少可以为一个节点提供读写访问。

下面是 PersistentVolumeClaim 的配置文件：
apiVersion: v1

kind: PersistentVolumeClaim

metadata:

  name: task-pv-claim

spec:

  storageClassName: manual

  accessModes:

    - ReadWriteOnce

  resources:

    requests:

      storage: 3Gi

创建 PersistentVolumeClaim：

kubectl apply -f https://k8s.io/examples/pods/storage/pv-claim.yaml

创建 PersistentVolumeClaim 之后，Kubernetes 控制平面将查找满足申领要求的 PersistentVolume。如果控制平面找到具有相同 StorageClass 的适当的 PersistentVolume，则将 PersistentVolumeClaim 绑定到该 PersistentVolume 上。

再次查看 PersistentVolume 信息：

kubectl get pv task-pv-volume

现在输出的 STATUS 为 Bound。

NAME             CAPACITY   ACCESSMODES   RECLAIMPOLICY   STATUS    CLAIM                   STORAGECLASS   REASON    AGE
task-pv-volume   10Gi       RWO           Retain          Bound     default/task-pv-claim   manu

输出结果表明该 PersistentVolumeClaim 绑定了你的 PersistentVolume task-pv-volume。

NAME            STATUS    VOLUME           CAPACITY   ACCESSMODES   STORAGECLASS   AGE
task-pv-claim   Bound     task-pv-volume   10Gi       RWO           manual         30s

创建 Pod

apiVersion: v1

kind: Pod

metadata:

  name: task-pv-pod

spec:

  volumes:

    - name: task-pv-storage

      persistentVolumeClaim:

        claimName: task-pv-claim

  containers:

    - name: task-pv-container

      image: nginx

      ports:

        - containerPort: 80

          name: "http-server"

      volumeMounts:

        - mountPath: "/usr/share/nginx/html"

          name: task-pv-storage

注意 Pod 的配置文件指定了 PersistentVolumeClaim，但没有指定 PersistentVolume。对 Pod 而言，PersistentVolumeClaim 就是一个存储卷。

创建 Pod：

kubectl apply -f https://k8s.io/examples/pods/storage/pv-pod.yaml

检查 Pod 中的容器是否运行正常：

kubectl get pod task-pv-pod