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使用 Kubernetes Pet Sets 和 Datera Elastic Data Fabric 的 FlexVolume 扩展有状态的应用程序
编者注：今天的邀请帖子来自 Datera 公司的软件架构师 Shailesh Mittal 和高级产品总监 Ashok Rajagopalan，介绍在 Datera Elastic Data Fabric 上用 Kubernetes 配置状态应用程序。
简介
用户从无状态工作负载转移到运行有状态应用程序，Kubernetes 中的持久卷是基础。虽然 Kubernetes 早已支持有状态的应用程序，比如 MySQL、Kafka、Cassandra 和 Couchbase，但是 Pet Sets 的引入明显改善了情况。特别是，Pet Sets 具有持续扩展和关联的能力，在配置和启动的顺序过程中，可以自动缩放“Pets”（需要连续处理和持久放置的应用程序）。
Datera 是用于云部署的弹性块存储，可以通过 FlexVolume 框架与 Kubernetes 无缝集成。基于容器的基本原则，Datera 允许应用程序的资源配置与底层物理基础架构分离，为有状态的应用程序提供简洁的协议（也就是说，不依赖底层物理基础结构及其相关内容）、声明式格式和最后移植的能力。
Kubernetes 可以通过 yaml 配置来灵活定义底层应用程序基础架构，而 Datera 可以将该配置传递给存储基础结构以提供持久性。通过 Datera AppTemplates 声明，在 Kubernetes 环境中，有状态的应用程序可以自动扩展。
部署永久性存储
永久性存储是通过 Kubernetes 的子系统 PersistentVolume 定义的。PersistentVolumes 是卷插件，它定义的卷的生命周期和使用它的 Pod 相互独立。PersistentVolumes 由 NFS、iSCSI 或云提供商的特定存储系统实现。Datera 开发了用于 PersistentVolumes 的卷插件，可以在 Datera Data Fabric 上为 Kubernetes 的 Pod 配置 iSCSI 块存储。
Datera 卷插件从 minion nodes 上的 kubelet 调用，并通过 REST API 回传到 Datera Data Fabric。以下是带有 Datera 插件的 PersistentVolume 的部署示例：
apiVersion: v1
kind: PersistentVolume
metadata:
name: pv-datera-0
spec:
capacity:
storage: 100Gi
accessModes:
- ReadWriteOnce
persistentVolumeReclaimPolicy: Retain
flexVolume:
driver: "datera/iscsi"
fsType: "xfs"
options:
volumeID: "kube-pv-datera-0"
size: “100"
replica: "3"
backstoreServer: "[tlx170.tlx.daterainc.com](http://tlx170.tlx.daterainc.com/):7717”
为 Pod 申请 PersistentVolume，要按照以下清单在 Datera Data Fabric 中配置 100 GB 的 PersistentVolume。
[root@tlx241 /]# kubectl get pv
NAME CAPACITY ACCESSMODES STATUS CLAIM REASON AGE
pv-datera-0 100Gi RWO Available 8s
pv-datera-1 100Gi RWO Available 2s
pv-datera-2 100Gi RWO Available 7s
pv-datera-3 100Gi RWO Available 4s
配置
Datera PersistenceVolume 插件安装在所有 minion node 上。minion node 的声明是绑定到之前设置的永久性存储上的，当 Pod 进入具备有效声明的 minion node 上时，Datera 插件会转发请求，从而在 Datera Data Fabric 上创建卷。根据配置请求，PersistentVolume 清单中所有指定的选项都将发送到插件。
在 Datera Data Fabric 中配置的卷会作为 iSCSI 块设备呈现给 minion node，并且 kubelet 将该设备安装到容器（在 Pod 中）进行访问。
使用永久性存储
Kubernetes PersistentVolumes 与具备 PersistentVolume Claims 的 Pod 一起使用。定义声明后，会被绑定到与声明规范匹配的 PersistentVolume 上。上面提到的定义 PersistentVolume 的典型声明如下所示：
kind: PersistentVolumeClaim
apiVersion: v1
metadata:
name: pv-claim-test-petset-0
spec:
accessModes:
- ReadWriteOnce
resources:
requests:
storage: 100Gi
定义这个声明并将其绑定到 PersistentVolume 时，资源与 Pod 规范可以一起使用：
[root@tlx241 /]# kubectl get pv
NAME CAPACITY ACCESSMODES STATUS CLAIM REASON AGE
pv-datera-0 100Gi RWO Bound default/pv-claim-test-petset-0 6m
pv-datera-1 100Gi RWO Bound default/pv-claim-test-petset-1 6m
pv-datera-2 100Gi RWO Available 7s
pv-datera-3 100Gi RWO Available 4s
[root@tlx241 /]# kubectl get pvc
NAME STATUS VOLUME CAPACITY ACCESSMODES AGE
pv-claim-test-petset-0 Bound pv-datera-0 0 3m
pv-claim-test-petset-1 Bound pv-datera-1 0 3m
Pod 可以使用 PersistentVolume 声明，如下所示：
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
name: kube-pv-demo
spec:
containers:
- name: data-pv-demo
image: nginx
volumeMounts:
- name: test-kube-pv1
mountPath: /data
ports:
- containerPort: 80
volumes:
- name: test-kube-pv1
persistentVolumeClaim:
claimName: pv-claim-test-petset-0
程序的结果是 Pod 将 PersistentVolume Claim 作为卷。依次将请求发送到 Datera 卷插件，然后在 Datera Data Fabric 中配置存储。
[root@tlx241 /]# kubectl describe pods kube-pv-demo
Name: kube-pv-demo
Namespace: default
Node: tlx243/172.19.1.243
Start Time: Sun, 14 Aug 2016 19:17:31 -0700
Labels: \<none\>
Status: Running
IP: 10.40.0.3
Controllers: \<none\>
Containers:
data-pv-demo:
Container ID: [docker://ae2a50c25e03143d0dd721cafdcc6543fac85a301531110e938a8e0433f74447](about:blank)
Image: nginx
Image ID: [docker://sha256:0d409d33b27e47423b049f7f863faa08655a8c901749c2b25b93ca67d01a470d](about:blank)
Port: 80/TCP
State: Running
Started: Sun, 14 Aug 2016 19:17:34 -0700
Ready: True
Restart Count: 0
Environment Variables: \<none\>
Conditions:
Type Status
Initialized True
Ready True
PodScheduled True
Volumes:
test-kube-pv1:
Type: PersistentVolumeClaim (a reference to a PersistentVolumeClaim in the same namespace)
ClaimName: pv-claim-test-petset-0
ReadOnly: false
default-token-q3eva:
Type: Secret (a volume populated by a Secret)
SecretName: default-token-q3eva
QoS Tier: BestEffort
Events:
FirstSeen LastSeen Count From SubobjectPath Type Reason Message
--------- -------- ----- ---- ------------- -------- ------ -------
43s 43s 1 {default-scheduler } Normal Scheduled Successfully assigned kube-pv-demo to tlx243
42s 42s 1 {kubelet tlx243} spec.containers{data-pv-demo} Normal Pulling pulling image "nginx"
40s 40s 1 {kubelet tlx243} spec.containers{data-pv-demo} Normal Pulled Successfully pulled image "nginx"
40s 40s 1 {kubelet tlx243} spec.containers{data-pv-demo} Normal Created Created container with docker id ae2a50c25e03
40s 40s 1 {kubelet tlx243} spec.containers{data-pv-demo} Normal Started Started container with docker id ae2a50c25e03
永久卷在 minion node（在本例中为 tlx243）中显示为 iSCSI 设备：
[root@tlx243 ~]# lsscsi
[0:2:0:0] disk SMC SMC2208 3.24 /dev/sda
[11:0:0:0] disk DATERA IBLOCK 4.0 /dev/sdb
[root@tlx243 datera~iscsi]# mount ``` grep sdb
/dev/sdb on /var/lib/kubelet/pods/6b99bd2a-628e-11e6-8463-0cc47ab41442/volumes/datera~iscsi/pv-datera-0 type xfs (rw,relatime,attr2,inode64,noquota)
在 Pod 中运行的容器按照清单中将设备安装在 /data 上：
[root@tlx241 /]# kubectl exec kube-pv-demo -c data-pv-demo -it bash
root@kube-pv-demo:/# mount ``` grep data
/dev/sdb on /data type xfs (rw,relatime,attr2,inode64,noquota)
使用 Pet Sets
通常，Pod 被视为无状态单元，因此，如果其中之一状态异常或被取代，Kubernetes 会将其丢弃。相反，PetSet 是一组有状态的 Pod，具有更强的身份概念。PetSet 可以将标识分配给应用程序的各个实例，这些应用程序没有与底层物理结构连接，PetSet 可以消除这种依赖性。
每个 PetSet 需要{0..n-1}个 Pet。每个 Pet 都有一个确定的名字、PetSetName-Ordinal 和唯一的身份。每个 Pet 最多有一个 Pod，每个 PetSet 最多包含一个给定身份的 Pet。要确保每个 PetSet 在任何特定时间运行时，具有唯一标识的“pet”的数量都是确定的。Pet 的身份标识包括以下几点：
- 一个稳定的主机名，可以在 DNS 中使用
- 一个序号索引
- 稳定的存储：链接到序号和主机名
使用 PersistentVolume Claim 定义 PetSet 的典型例子如下所示：
# A headless service to create DNS records
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
name: test-service
labels:
app: nginx
spec:
ports:
- port: 80
name: web
clusterIP: None
selector:
app: nginx
---
apiVersion: apps/v1alpha1
kind: PetSet
metadata:
name: test-petset
spec:
serviceName: "test-service"
replicas: 2
template:
metadata:
labels:
app: nginx
annotations:
[pod.alpha.kubernetes.io/initialized:](http://pod.alpha.kubernetes.io/initialized:) "true"
spec:
terminationGracePeriodSeconds: 0
containers:
- name: nginx
image: [gcr.io/google\_containers/nginx-slim:0.8](http://gcr.io/google_containers/nginx-slim:0.8)
ports:
- containerPort: 80
name: web
volumeMounts:
- name: pv-claim
mountPath: /data
volumeClaimTemplates:
- metadata:
name: pv-claim
annotations:
[volume.alpha.kubernetes.io/storage-class:](http://volume.alpha.kubernetes.io/storage-class:) anything
spec:
accessModes: ["ReadWriteOnce"]
resources:
requests:
storage: 100Gi
我们提供以下 PersistentVolume Claim：
[root@tlx241 /]# kubectl get pvc
NAME STATUS VOLUME CAPACITY ACCESSMODES AGE
pv-claim-test-petset-0 Bound pv-datera-0 0 41m
pv-claim-test-petset-1 Bound pv-datera-1 0 41m
pv-claim-test-petset-2 Bound pv-datera-2 0 5s
pv-claim-test-petset-3 Bound pv-datera-3 0 2s
配置 PetSet 时，将实例化两个 Pod：
[root@tlx241 /]# kubectl get pods
NAMESPACE NAME READY STATUS RESTARTS AGE
default test-petset-0 1/1 Running 0 7s
default test-petset-1 1/1 Running 0 3s
以下是一个 PetSet：test-petset 实例化之前的样子：
[root@tlx241 /]# kubectl describe petset test-petset
Name: test-petset
Namespace: default
Image(s): [gcr.io/google\_containers/nginx-slim:0.8](http://gcr.io/google_containers/nginx-slim:0.8)
Selector: app=nginx
Labels: app=nginx
Replicas: 2 current / 2 desired
Annotations: \<none\>
CreationTimestamp: Sun, 14 Aug 2016 19:46:30 -0700
Pods Status: 2 Running / 0 Waiting / 0 Succeeded / 0 Failed
No volumes.
No events.
一旦实例化 PetSet（例如下面的 test-petset），随着副本数（从 PetSet 的初始 Pod 数量算起）的增加，实例化的 Pod 将变得更多，并且更多的 PersistentVolume Claim 会绑定到新的 Pod 上：
[root@tlx241 /]# kubectl patch petset test-petset -p'{"spec":{"replicas":"3"}}'
"test-petset” patched
[root@tlx241 /]# kubectl describe petset test-petset
Name: test-petset
Namespace: default
Image(s): [gcr.io/google\_containers/nginx-slim:0.8](http://gcr.io/google_containers/nginx-slim:0.8)
Selector: app=nginx
Labels: app=nginx
Replicas: 3 current / 3 desired
Annotations: \<none\>
CreationTimestamp: Sun, 14 Aug 2016 19:46:30 -0700
Pods Status: 3 Running / 0 Waiting / 0 Succeeded / 0 Failed
No volumes.
No events.
[root@tlx241 /]# kubectl get pods
NAME READY STATUS RESTARTS AGE
test-petset-0 1/1 Running 0 29m
test-petset-1 1/1 Running 0 28m
test-petset-2 1/1 Running 0 9s
现在，应用修补程序后，PetSet 正在运行3个 Pod。
当上述 PetSet 定义修补完成，会产生另一个副本，PetSet 将在系统中引入另一个 pod。反之，这会导致在 Datera Data Fabric 上配置更多的卷。因此，在 PetSet 进行扩展时，要配置动态卷并将其附加到 Pod 上。
为了平衡持久性和一致性的概念，如果 Pod 从一个 Minion 转移到另一个，卷确实会附加（安装）到新的 minion node 上，并与旧的 Minion 分离（卸载），从而实现对数据的持久访问。
结论
本文展示了具备 Pet Sets 的 Kubernetes 协调有状态和无状态工作负载。当 Kubernetes 社区致力于扩展 FlexVolume 框架的功能时，我们很高兴这个解决方案使 Kubernetes 能够在数据中心广泛运行。
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