如何在Kubernetes中管理有状态应用

如何在Kubernetes中管理有状态应用

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在Kubernetes中,StatefulSet被用来管理有状态应用的API对象。StatefulSets在Kubernetes 1.9版本才稳定。StatefulSet管理Pod部署和扩容,并为这些Pod提供顺序和唯一性的保证。与Deployment相似的地方是,StatefulSet基于spec规格管理Pod;与Deployment不同的地方是,StatefulSet需要维护每一个Pod的唯一身份标识。这些Pod基于同样的spec创建,但互相之间不能替换,每一个Pod都保留自己的持久化标识。

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1、使用StatefulSet的场景

对于下面的应用场景,StatefulSets是有价值的:

  • 稳定、唯一的网络标识
  • 稳定、持久的存储
  • 按照顺序、优雅的部署和扩容
  • 按照顺序、优雅的删除和终止
  • 按照顺序、自动滚动更新

上述的稳定是持久的同义词,如果应用不需要稳定的标识或者顺序的部署、删除、扩容,则应该使用无状态的副本集。Deployment或者ReplicaSet的控制器更加适合无状态业务场景。

2、StatefulSet的限制

  • 在Kubernetes 1.9版本之前是beta版本,在Kubernetes 1.5版本之前是不提供的。
  • Pod存储由PersistentVolume(storage类或者管理员预先创建)提供。
  • 删除或者缩容StatefulSet不会删除与StatefulSet关联的数据卷,这样能够保证数据的安全性。
  • 当前的StatefulSets需要一个Headless服务来为Pod提供网络标识,此Headless服务需要通过手工创建。

3、组件

下面是一个StatefuleSet组成的示例:

  • 一个名称为nginx的Headless服务,用来控制网络域。
  • 一个名称为web的statefulSet,它拥有nginx容器(在唯一的Pod启动)的3个副本集。
  • 使用PersistenVolumes(由PersistentVolume Provisioner提供)提供稳定存储的volumeClaimTemplates。

apiVersion:v1 kind:Service
metadata:
name:nginx
labels:
app:nginx
spec:
ports:
-port:80
name:web
clusterIP:None //Headless服务
selector:

app:nginx

apiVersion:apps/v1
kind:StatefulSet
metadata:
name:web
spec:
selector:
matchLabels:
app:nginx# has to match .spec.template.metadata.labels
serviceName:"nginx"
replicas:3 # by default is 1
template:
metadata:
labels:
app:nginx # has to match .spec.selector.matchLabels
spec:
terminationGracePeriodSeconds:10
containers:
-name:nginx
image:k8s.gcr.io/nginx-slim:0.8
ports:
-containerPort:80
name:web
volumeMounts: #挂接数据卷
-name:www
mountPath:/usr/share/nginx/html #挂接路径为容器的/usr/share/nginx/html
volumeClaimTemplates: #数据卷生命模板
-metadata:
name:www
spec:
accessModes:["ReadWriteOnce"]
storageClassName:my-storage-class
resources:
requests:
storage:1Gi

4、Pod选择器

必须设置StatefulSet的sepc.selector,以匹配.spec.template.metadata.labels。在Kubernetes 1.8之前,spec.selector是可以忽略的,它被设置一个默认值。在1.8或者后续的版本,如果不设置sepc.selector,则会导致创建StatefulSet失败。

5、Pod身份标识

StatfuleSet Pod拥有一个唯一的身份标识,它由顺序、稳定的网络标识和稳定的存储所组成。此身份标识一直跟随着Pod,不过它被调度到那个Node上。

5.1 序数索引(Ordinal Index)

对于拥有N个副本集的StatefulSet,在StatefulSet中的每一个Pod都会被指派一个整型的序数,此序数在0和N之间,在整个集合中是唯一的。

5.2 网络ID(Stable Network ID)

在StatefulSet中,每一个Pod的主机名称都由StatefulSet的名称和序数所组成。Pod的主机名称的格式:$(statefulset name)-$(ordinal)。如果创建了三个Pod,这他们的主机名称为web-0,web-1,web-2。StatefulSet能够使用Headless服务来控制Pod的域。Service管理的域的格式为:$(service name).$(namespace).svc.cluster.local,cluster.local是集群域。对于每一个被创建的Pod,它将得到一个DNS子域,格式为: $(podname).$(governing service domain),这里的管理服务在StatefulSet中,通过serviceName设置。

下面是StatefulSet中Pod在DNS中的名称:

图片描述

5.3 稳定的存储

kubernetes为每一个VolumeClaimTemplate创建一个对应的PersistentVolume。在前面的nginx实例中,每一个Pod将会my-storage-class存储类型的PersistenVolume单一实例和1Gib的存储空间。

如果没有指定存储类,则会使用默认的存储。但一个Pod被调度到Node上,它的volumeMounts将会挂接PersistentVolumes,并将其与PersistentVolumeClaims进行关联。需要注意的是,即使在Pod被删除,PersistentVolumes与PersistentVolumeClaims之间的关联关系也不会被删除。

5.4 Pod命名标签

当StatefulSet控制器创建了Pod,它将会添加一个标签,为此Pod名称的集合。此标签将能够管理服务到指定的Pod。

6、部署和扩容保证

  • 对于一个带有N个副本集的StatefulSet,当Pod被部署,它们将按0到N-1的顺序被创建。
  • 当一Pod被删除时,它们将按照N-1到0的倒序被终止。
  • 在进行Pod扩容前,所有依赖的Pod应该都已在运行和准备好。
  • 在Pod被终止前,所有的依赖它的Pod都必须完全停止。

在前文创建的nginx例子中,将按照顺序部署web-0,web-1和web-2。web-1只能在web-0运行和准备好以后才能够被部署,web-2只能在web-1运行和准备好以后才能够被部署。如果web-0失败,就算web-1正在运行,web-2也是不能正常启动的,除非web-0被重启,并正常运行。

如果缩容上述例子,设置replicas=1,则web-2首先被终止,接着是web-1。如果在web-2被终止后,但在web-1被终止前,web-0失败了,web-1将不能被终止,除非web-0处于正常运行状态。

6.1 Pod管理策略

在Kubernetes 1.7以后,StatefulSet的唯一性标识可以通过.spec.podManagementPolicy的值进行保证。

6.1.1 OrderedReady Pod管理

OrderedReady pod管理是StatefulSets默认的管理模式,此模式安装顺序启动或者终止Pod。

6.1.2 并行Pod管理

并行Pod管理告诉StatefulSet控制器以并行的方式启动或者终止所有的Pod。

7、更新策略

在Kubernetes 1.7之后,运行通过配置StatefulSet的.spec.updateStrategy,实现Pod的容器、标签、资源请求/限制和注释自动更新。

7.1 On Delete策略

OnDelete更新策略是1.6之前版本的行为。当StatefulSet的.spec.updateStrategy.type被设置为OnDelete,则StatefulSet控制器将不会知道更新Pod。

7.2 Rolling Updates策略

RollingUpdate更新策略将实现StatefulSet中Pod的自动滚动更新,这是StatefulSet的默认更新模式。如果.spec.updateStrategy.type设置为 RollingUpdate,则StatefulSet控制器将会删除和重建StatefulSet中的每一Pod。它将会按照从最大到最小的序数终止Pod,并按照从小到大顺序重建Pod。

7.3 Partitions

RollingUpdate更新策略能够通过指定.spec.updateStrategy.rollingUpdate.partition进行分隔。当分隔被指定,所有序数大于或等于分隔的Pod将会被更新,其它的Pod将被不会进行更新。在大部分的情况下,不会使用分隔;当希望进行金丝雀发布,或者执行阶段发布时,分隔是很有用的。

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