k8s-pv-pvc

1. 简介

持久卷（PersistentVolume，PV）是集群中的一块存储，可以由管理员事先供应，或者 使用存储类（Storage Class）来动态供应。 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）。

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。

2. 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：

2.1 供应

PV 卷的供应有两种方式：静态供应或动态供应。

2.1.1 静态供应

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）。

2.1.2 动态供应

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 申领动态供应一个存储卷。 这一供应操作是基于 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，这样动态供应卷的动作才会发生。 如果 PVC 申领指定存储类为 ""，则相当于为自身禁止使用动态供应的卷。

2.2 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； 在动态供应场景下，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 申领动态供应了 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，即使某集群上供应了很多 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。

2.3 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。

2.4 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>

2.5 回收

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）。

保留（Retain）

回收策略 Retain 使得用户可以手动回收资源。当 PersistentVolumeClaim 对象 被删除时，PersistentVolume 卷仍然存在，对应的数据卷被视为"已释放（released）"。 由于卷上仍然存在这前一申领人的数据，该卷还不能用于其他申领。 管理员可以通过下面的步骤来手动回收该卷：

1. 删除 PersistentVolume 对象。与之相关的、位于外部基础设施中的存储资产 （例如 AWS EBS、GCE PD、Azure Disk 或 Cinder 卷）在 PV 删除之后仍然存在。
2. 根据情况，手动清除所关联的存储资产上的数据。
3. 手动删除所关联的存储资产。

如果你希望重用该存储资产，可以基于存储资产的定义创建新的 PersistentVolume 卷对象。

删除（Delete）

对于支持 Delete 回收策略的卷插件，删除动作会将 PersistentVolume 对象从 Kubernetes 中移除，同时也会从外部基础设施（如 AWS EBS、GCE PD、Azure Disk 或 Cinder 卷）中移除所关联的存储资产。 动态供应的卷会继承其 StorageClass 中设置的回收策略，该策略默认 为 Delete。 管理员需要根据用户的期望来配置 StorageClass；否则 PV 卷被创建之后必须要被 编辑或者修补。

回收（Recycle）

警告： 回收策略 Recycle 已被废弃。取而代之的建议方案是使用动态供应。

2.6 预留 PersistentVolume

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

3. 安装nfs

网络文件系统，英文Network File System(NFS)，能使使用者访问网络上别处的文件就像在使用自己的计算机一样。

3.1 所有节点

#所有机器安装
$ yum install -y nfs-utils

3.2 nfs server 节点

#nfs主节点
echo "/nfs/data/ *(insecure,rw,sync,no_root_squash)" > /etc/exports

mkdir -p /nfs/data
systemctl enable rpcbind --now
systemctl enable nfs-server --now
#配置生效
exportfs -r

3.3 从节点

# 查看nfs服务器共享信息
# 参数：-e 指定ip 如果不指定查看当前服务的信息
# nfs server ip 为3.1.2 服务器的ip
showmount -e <nfs server ip>

#执行以下命令挂载 nfs 服务器上的共享目录到本机路径 /nfs/data
mkdir -p /nfs/data
mount -t nfs <nfs server ip>:/nfs/data /nfs/data
# 写入一个测试文件
echo "hello nfs server" > /nfs/data/test.txt

**一定要注意，在NFS客户端挂载/卸载NFS服务端目录的时候 一定要事先退出挂载/卸载目录之后，再进入挂载目录查看结果 ! **

4. 原生方式数据挂载

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  labels:
    app: nginx-pv-demo
  name: nginx-pv-demo
spec:
  replicas: 2
  selector:
    matchLabels:
      app: nginx-pv-demo
  template:
    metadata:
      labels:
        app: nginx-pv-demo
    spec:
      containers:
      - image: nginx
        name: nginx
        volumeMounts:
        - name: html
          mountPath: /usr/share/nginx/html
      volumes:
        - name: html
          nfs:
            # 挂载点信息 需要提前创建好 挂载点的目录01
            path: /nfs/data/01
            # nfs server ip
            server: 192.168.0.201

5. 创建pv

apiVersion: v1
kind: PersistentVolume
metadata:
  name: pv01
spec:
  capacity:
    storage: 5Gi
  volumeMode: Filesystem
  accessModes:
    - ReadWriteOnce
  persistentVolumeReclaimPolicy: Delete
  storageClassName: nfs-test
  nfs:
    # 挂载点信息 需要提前创建好 挂载点的目录01
    path: /nfs/data/01
    # nfs server ip
    server: 192.168.0.201

5.1 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。

目前，存储大小是可以设置和请求的唯一资源。 未来可能会包含 IOPS、吞吐量等属性。

5.2 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。

volumeMode 属性设置为 Filesystem 的卷会被 Pod 挂载（Mount） 到某个目录。 如果卷的存储来自某块设备而该设备目前为空，Kuberneretes 会在第一次挂载卷之前 在设备上创建文件系统。

你可以将 volumeMode 设置为 Block，以便将卷作为原始块设备来使用。 这类卷以块设备的方式交给 Pod 使用，其上没有任何文件系统。 这种模式对于为 Pod 提供一种使用最快可能方式来访问卷而言很有帮助，Pod 和 卷之间不存在文件系统层。另外，Pod 中运行的应用必须知道如何处理原始块设备。 关于如何在 Pod 中使用 volumeMode: Block 的卷，可参阅 原始块卷支持。

5.3 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。

重要提醒！ 每个卷同一时刻只能以一种访问模式挂载，即使该卷能够支持 多种访问模式。

5.4 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。

5.5 回收策略

目前的回收策略有：

• Retain -- 手动回收
• Delete -- 自动删除

5.6 节点亲和性

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。

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。AWSEBS、 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。

5.7 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。

6. 创建pvc

apiVersion: v1
kind: PersistentVolumeClaim
metadata:
  name: pvc01
spec:
  accessModes:
    - ReadWriteOnce
  volumeMode: Filesystem
  resources:
    requests:
      storage: 3Gi
  storageClassName: nfs-test
  #selector:
  #  matchLabels:
  #    release: "stable"
  #  matchExpressions:
  #    - {key: environment, operator: In, values: [dev]}

6.1 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。

6.2 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。

6.3 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。

6.4 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。

6.5 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。

• 如果准入控制器插件被启用，则管理员可以设置一个默认的 StorageClass。 所有未设置 storageClassName 的 PVC 都只能绑定到隶属于默认存储类的 PV 卷。 设置默认 StorageClass 的工作是通过将对应 StorageClass 对象的注解 storageclass.kubernetes.io/is-default-class 赋值为 true 来完成的。 如果管理员未设置默认存储类，集群对 PVC 创建的处理方式与未启用准入控制器插件 时相同。如果设定的默认存储类不止一个，准入控制插件会禁止所有创建 PVC 操作。
• 如果准入控制器插件被关闭，则不存在默认 StorageClass 的说法。 所有未设置 storageClassName 的 PVC 都只能绑定到未设置存储类的 PV 卷。 在这种情况下，未设置 storageClassName 的 PVC 与 storageClassName 设置未 "" 的 PVC 的处理方式相同。

取决于安装方法，默认的 StorageClass 可能在集群安装期间由插件管理器（Addon Manager）部署到集群中。

当某 PVC 除了请求 StorageClass 之外还设置了 selector，则这两种需求会按 逻辑与关系处理：只有隶属于所请求类且带有所请求标签的 PV 才能绑定到 PVC。

说明： 目前，设置了非空 selector 的 PVC 对象无法让集群为其动态供应 PV 卷。

7. 使用pvc

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: mypod
spec:
  containers:
    - name: myfrontend
      image: nginx
      imagePullPolicy: IfNotPresent
      volumeMounts:
      - mountPath: "/usr/share/nginx/html/"
        name: mypd
  volumes:
    - name: mypd
      persistentVolumeClaim:
        claimName: pvc01

测试文件挂载