Kubernetes 实战——有状态应用（StatefulSet）

一、简介

有状态实例：新实例和旧实例需要有相同的名称、网络标识和状态
无状态实例：可随时被替换

1. ReplicaSet 和有状态 Pod

ReplicaSet 通过 Pod 模板创建多个 Pod 副本，这些副本除了名字和 IP 地址不同，没有其他差异。若 Pod 模板指定了 PVC，则其创建的所有 Pod 共享相同的 PVC 和 PV

集群应用可能要求实例具有唯一的网络标识。可针对每个实例创建一个独立的 Service 来提供稳定的网络地址（因为服务 IP 固定）。但 Pod 无法获取该 IP，不能在别的 Pod 里通过 IP 自行注册

2. 了解 StatefulSet

每一个实例不可替代，都拥有稳定的名字（从零开始的顺序索引）和状态（独立的数据卷）
有状态的 Pod 有时需要通过其主机名来定位。因为彼此状态不同，通常希望操作的是指定的那个
- 一个 StatefulSet 常要求创建一个用来记录每个 Pod 网络标记的 headless Service。通过该 Service，每个 Pod 将拥有独立的 DNS 记录，这样集群中的 Pod 或客户端可以通过主机名来定位
- 如一个 default 命名空间，名为 foo 的服务，它的一个 Pod 名为 a-0，就可以通过a-0.foo.default.svc.cluster.local来定位该 Pod
- 也可以通过 DNS 服务查找域名foo.default.svc.cluster.local对应的所有 SRV 记录，获取一个 StatefulSet 所有 Pod 的信息
当 StatefulSet 管理的 Pod 消失后，会重启一个标识完全一致的 Pod 替换（不一定在同一个节点）
扩容用下一个索引值，缩容先删除最高索引值，扩/缩容都是逐步进行的（K8s 保证两个拥有相同标记和绑定相同 PVC 的有状态 Pod 不会同时运行）
- 若有不健康实例，则不允许做缩容操作（避免一次删除两个）
- 缩容只删除 Pod，保留创建的持久卷声明（PVC 被删除后，与之绑定的 PV 也会被回收或删除），需要手动删除。再扩容会重新挂载上

3. 专属存储

有状态的 Pod 存储必须是持久的，且与 Pod 解耦。即 StatefulSet 的 Pod 需要关联到不同的持久卷声明，且与独立的持久卷对应
持久卷可以预先创建，也可以由持久卷的动态供应机制实时创建

卷声明模板

StatefulSet 可以有一个或多个卷声明模板，会在创建 Pod 前创建持久卷声明，并绑定到 Pod 实例上

二、使用 StatefulSet

1. 创建

① 容器准备

docker.io/luksa/kubia-pet

POST 请求将 body 中的数据存储到 /var/data/kubia.txt
GET 请求返回主机名和存储的数据

② 手动创建存储卷

apiVersion: v1

kind: List

items:

- apiVersion: v1

  kind: PersistentVolume

  metadata:

    name: pv-a  # 持久卷名称 pv-a、pv-b、pv-c

  spec:

    capacity:

      storage: 1Mi  # 持久卷大小

    accessModes:

      - ReadWriteOnce

    persistentVolumeReclaimPolicy: Recycle  # 卷被声明释放后，空间被回收再利用

    nfs:  # 卷使用 nfs 持久磁盘。见 https://www.cnblogs.com/lb477/p/14713883.html

      server: 192.168.11.210

      path: "/nfs/pv-a"

...

③ 创建控制 Service

apiVersion: v1

kind: Service

metadata:

  name: kubia

spec:

  clusterIP: None  # StatefulSet 的控制 Service 必须是 headless 模式

  selector:

    app: kubia

  ports:

  - name: http

    port: 80

④ 创建 StatefulSet

apiVersion: apps/v1

kind: StatefulSet

metadata:

  name: kubia

spec:

  selector:

    matchLabels:

      app: kubia

  serviceName: kubia

  replicas: 2

  template:

    metadata:

      labels:

        app: kubia

    spec:

      containers:

      - name: kubia

        image: luksa/kubia-pet

        ports:

        - name: http

          containerPort: 8080

        volumeMounts:

        - name: data

          mountPath: /var/data  # Pod 中的容器会把 pvc 数据卷嵌入指定目录

  volumeClaimTemplates:  # 创建持久卷声明的模板，会为每个 Pod 创建并关联一个 pvc

  - metadata:

      name: data

    spec:

      resources:

        requests:

          storage: 1Mi

      accessModes:

      - ReadWriteOnce

⑤ 查看创建结果

$ kubectl get pod -w

NAME      READY   STATUS              RESTARTS   AGE

kubia-0   0/1     ContainerCreating   0          35s

kubia-0   1/1     Running             0          53s

kubia-1   0/1     Pending             0          0s

kubia-1   0/1     ContainerCreating   0          3s

kubia-1   1/1     Running             0          20s

$ kubectl get pv

NAME   CAPACITY   ACCESS MODES   RECLAIM POLICY   STATUS      CLAIM                  STORAGECLASS   REASON   AGE

pv-a   1Mi        RWO            Recycle          Bound       default/data-kubia-0                           18m

pv-b   1Mi        RWO            Recycle          Bound       default/data-kubia-1                           18m

pv-c   1Mi        RWO            Recycle          Available                                                  18m

$ kubectl get pvc

NAME           STATUS   VOLUME   CAPACITY   ACCESS MODES   STORAGECLASS   AGE

data-kubia-0   Bound    pv-a     1Mi        RWO                           2m3s

data-kubia-1   Bound    pv-b     1Mi        RWO                           70s

2. 测试

直连 Pod 来访问：借助另一个 Pod，在其内部运行 curl 命令或使用端口转发
通过 API 服务器与 Pod 通信：API 服务器可通过代理直接连接到指定 Pod：可通过访问<apiServerHost>:<port>/api/v1/namespaces/default/pods/kubia-0/proxy/<path>请求 Pod，但 API 服务器有安全保障，需要在每次请求中添加授权令牌。因此可使用 kubectl 代理和 API 服务器代理与 Pod 通信：

$ kubectl proxy

Starting to serve on 127.0.0.1:8001

$ curl localhost:8001/api/v1/namespaces/default/pods/kubia-0/proxy/

You've hit kubia-0

Data stored on this pod: No data posted yet

测试

# 1. 应用的状态独立

$ curl -X POST -d "Hello kubia-0" localhost:8001/api/v1/namespaces/default/pods/kubia-0/proxy/

Data stored on pod kubia-0

$ curl localhost:8001/api/v1/namespaces/default/pods/kubia-0/proxy/

You've hit kubia-0

Data stored on this pod: Hello kubia-0

$ curl localhost:8001/api/v1/namespaces/default/pods/kubia-1/proxy/

You've hit kubia-1

Data stored on this pod: No data posted yet

# 2. 重新启动一个完全相同的 Pod（新的 Pod 可能被调度到其他节点）

$ kubectl delete pod kubia-0

pod "kubia-0" deleted

$ kubectl get pod

NAME      READY   STATUS              RESTARTS   AGE

kubia-0   0/1     ContainerCreating   0          1s

kubia-1   1/1     Running             0          106m

$ curl localhost:8001/api/v1/namespaces/default/pods/kubia-0/proxy/

You've hit kubia-0

Data stored on this pod: Hello kubia-0

暴露 StatefulSet 的 Pod

# 一个常规的 ClusterIP Service，只能在集群内部访问

apiVersion: v1

kind: Service

metadata:

  name: kubia-public

spec:

  selector:

    app: kubia

  ports:

  - port: 80

    targetPort: 8080

$ curl localhost:8001/api/v1/namespaces/default/services/kubia-public/proxy/

You've hit kubia-1 / 0

3. 发现伙伴节点

SRV 记录：指向提供指定服务的服务器的主机名和端口号

获取 StatefulSet 里的所有 Pod 信息

# 运行一个名为 srvlookup 的一次性 Pod，关联控制台并在终止后立即删除

$ kubectl run -it srvlookup --image=tutum/dnsutils --rm --restart=Never -- dig SRV kubia.default.svc.cluster.local

;; ANSWER SECTION:

kubia.default.svc.cluster.local. 30 IN	SRV	0 50 80 kubia-0.kubia.default.svc.cluster.local.

kubia.default.svc.cluster.local. 30 IN	SRV	0 50 80 kubia-1.kubia.default.svc.cluster.local.

;; ADDITIONAL SECTION:

kubia-0.kubia.default.svc.cluster.local. 30 IN A 10.244.0.15

kubia-1.kubia.default.svc.cluster.local. 30 IN A 10.244.0.16

...

# 返回的 SRV 记录顺序随机

让节点返回所有集群节点的数据

4. 处理节点失效

可通过关闭节点的 eth0 网络接口模拟节点的网络断开

当一个节点失效，运行在该节点上的 Kubelet 服务就无法与 K8s API 服务器通信，即无法汇报节点及其 Pod 的状态
StatefulSet 在明确知道一个 Pod 不再运行之前，不会创建一个替换的 Pod
一段时间后，该节点状态变为 NotReady，Pod 状态变为 Unknown
- 若节点恢复，汇报状态后 Pod 会被重新标记为 Running
- 若 Pod 的 Unknown 状态持续几分钟（可配置）后，主节点就会将 Pod 从节点驱逐（删除 Pod 资源）
  - 若此时 describe Pod，可看到其状态为 Terminating，即已经被标记为删除。但由于节点不能通信，该 Pod 仍会一直运行
- 可强制删除：kubectl delete pod kubia-0 --force --grace-period 0（除非确定节点不再运行，否则不要强制删除有状态的 Pod）

巴特西