存储卷PersistentVolume

概述

与管理计算资源相比，管理存储资源是一个完全不同的问题。为了更好的管理存储，Kubernetes 引入了 PersistentVolume 和 PersistentVolumeClaim 两个概念，将存储管理抽象成如何提供存储以及如何使用存储两个关注点。

关注点分离

通过 PersistentVolume 和 PersistentVolumeClaim，Kubernetes 分离了提供存储和使用存储着两个关注点：

• PersistentVolumeClaim 必须定义在与应用程序相同的名称空间中，关注应用程序如何使用存储，通常由应用程序管理员或开发人员负责
• PersistentVolume 只能定义在集群层面，关注集群如何提供存储，通常由集群管理员或者运维人员负责

PersistentVolume（PV 存储卷）是集群中的一块存储空间，由集群管理员管理、或者由 Storage Class（存储类）自动管理。PV（存储卷）和 node（节点）一样，是集群中的资源（kubernetes 集群由存储资源和计算资源组成）。

PersistentVolumeClaim（存储卷声明）是一种类型的 Volume（数据卷），PersistentVolumeClaim（存储卷声明）引用的 PersistentVolume（存储卷）有自己的生命周期，该生命周期独立于任何使用它的容器组。PersistentVolume（存储卷）描述了如何提供存储的细节信息（NFS、cephfs等存储的具体参数）。

PersistentVolumeClaim（PVC 存储卷声明）代表用户使用存储的请求。Pod 容器组消耗 node 计算资源，PVC 存储卷声明消耗 PersistentVolume 存储资源。Pod 容器组可以请求特定数量的计算资源（CPU / 内存）；PersistentVolumeClaim 可以请求特定大小/特定访问模式（只能被单节点读写/可被多节点只读/可被多节点读写）的存储资源。

根据应用程序的特点不同，其所需要的存储资源也存在不同的要求，例如读写性能等。集群管理员必须能够提供关于 PersistentVolume（存储卷）的更多选择，无需用户关心存储卷背后的实现细节。为了解决这个问题，Kubernetes 引入了 StorageClass（存储类）的概念

存储卷和存储卷声明的关系

存储卷和存储卷声明的关系如下图所示：

• PersistentVolume 是集群中的存储资源，通常由集群管理员创建和管理
• StorageClass 用于对 PersistentVolume 进行分类，如果正确配置，StorageClass 也可以根据 PersistentVolumeClaim 的请求动态创建 Persistent Volume
• PersistentVolumeClaim 是使用该资源的请求，通常由应用程序提出请求，并指定对应的 StorageClass 和需求的空间大小
• PersistentVolumeClaim 可以做为数据卷的一种，被挂载到容器组/容器中使用
  
  

存储卷声明的管理过程

PersistantVolume 和 PersistantVolumeClaim 的管理过程描述如下：

下图主要描述的是 PV 和 PVC 的管理过程，因为绘制空间的问题，将挂载点与Pod关联了，实际结构应该如上图所示：

• Pod 中添加数据卷，数据卷关联PVC
• Pod 中包含容器，容器挂载数据卷

提供 Provisioning

有两种方式为 PersistentVolumeClaim 提供 PersistentVolume : 静态、动态

• 静态提供 Static

  集群管理员实现创建好一系列 PersistentVolume，它们包含了可供集群中应用程序使用的关于实际存储的具体信息。
  
  

动态提供 Dynamic

在配置有合适的 StorageClass（存储类）且 PersistentVolumeClaim 关联了该 StorageClass 的情况下，kubernetes 集群可以为应用程序动态创建 PersistentVolume。

绑定 Binding

假设用户创建了一个 PersistentVolumeClaim 存储卷声明，并指定了需求的存储空间大小以及访问模式。Kubernets master 将立刻为其匹配一个 PersistentVolume 存储卷，并将存储卷声明和存储卷绑定到一起。如果一个 PersistentVolume 是动态提供给一个新的 PersistentVolumeClaim，Kubernetes master 会始终将其绑定到该 PersistentVolumeClaim。除此之外，应用程序将被绑定一个不小于（可能大于）其 PersistentVolumeClaim 中请求的存储空间大小的 PersistentVolume。一旦绑定，PersistentVolumeClaim 将拒绝其他 PersistentVolume 的绑定关系。PVC 与 PV 之间的绑定关系是一对一的映射。

PersistentVolumeClaim 将始终停留在 未绑定 unbound 状态，直到有合适的 PersistentVolume 可用。举个例子：集群中已经存在一个 50Gi 的 PersistentVolume，同时有一个 100Gi 的 PersistentVolumeClaim，在这种情况下，该 PVC 将一直处于 未绑定 unbound 状态，直到管理员向集群中添加了一个 100Gi 的 PersistentVolume。

# 使用 Using

对于 Pod 容器组来说，PersistentVolumeClaim 存储卷声明是一种类型的 Volume 数据卷。Kubernetes 集群将 PersistentVolumeClaim 所绑定的 PersistentVolume 挂载到容器组供其使用。

# 使用中保护 Storage Object in Use Protection

• 使用中保护（Storage Object in Use Protection）的目的是确保正在被容器组使用的 PersistentVolumeClaim 以及其绑定的 PersistentVolume 不能被系统删除，以避免可能的数据丢失。
• 如果用户删除一个正在使用中的 PersistentVolumeClaim，则该 PVC 不会立即被移除掉，而是推迟到该 PVC 不在被任何容器组使用时才移除；同样的如果管理员删除了一个已经绑定到 PVC 的 PersistentVolume，则该 PV 也不会立刻被移除掉，而是推迟到其绑定的 PVC 被删除后才移除掉。

# 回收 Reclaiming

当用户不在需要其数据卷时，可以删除掉其 PersistentVolumeClaim，此时其对应的 PersistentVolume 将被集群回收并再利用。Kubernetes 集群根据 PersistentVolume 中的 reclaim policy（回收策略）决定在其被回收时做对应的处理。当前支持的回收策略有：Retained（保留）、Recycled（重复利用）、Deleted（删除）

• 保留 Retain

  保留策略需要集群管理员手工回收该资源。当绑定的 PersistentVolumeClaim 被删除后，PersistentVolume 仍然存在，并被认为是”已释放“。但是此时该存储卷仍然不能被其他 PersistentVolumeClaim 绑定，因为前一个绑定的 PersistentVolumeClaim 对应容器组的数据还在其中。集群管理员可以通过如下步骤回收该 PersistentVolume：

  • 删除该 PersistentVolume。PV 删除后，其数据仍然存在于对应的外部存储介质中（nfs、cefpfs、glusterfs 等）
  • 手工删除对应存储介质上的数据
  • 手工删除对应的存储介质，您也可以创建一个新的 PersistentVolume 并再次使用该存储介质

• 删除 Delete

  删除策略将从 kubernete 集群移除 PersistentVolume 以及其关联的外部存储介质（云环境中的 AWA EBS、GCE PD、Azure Disk 或 Cinder volume）。

• 再利用 Recycle Kuboard 暂不支持

  • 再利用策略将在 PersistentVolume 回收时，执行一个基本的清除操作（rm -rf /thevolume/*），并使其可以再次被新的 PersistentVolumeClaim 绑定。
  • 集群管理员也可以自定义一个 recycler pod template，用于执行清除操作。请参考 Recycle

TIP

动态提供的 PersistentVolume 将从其对应的 StorageClass 继承回收策略的属性。

# 扩展 Expanding Persistent Volumes Claims

Kubernetes 中，该特性处于 beta 状态 Kuboard 暂不支持 该特性只针对极少数的 PersistentVolume 类型有效。请参考 Expanding Persistent Volumes Claims

# 存储卷类型

Kubernetes 支持 20 种存储卷类型（可参考 Types of Persistent Volumes

），如下所示：

• 非持久性存储
  • emptyDir
  • HostPath (只在单节点集群上用做测试目的)
• 网络连接性存储
  • SAN：iSCSI、ScaleIO Volumes、FC (Fibre Channel)
  • NFS：nfs，cfs
• 分布式存储
  • Glusterfs
  • RBD (Ceph Block Device)
  • CephFS
  • Portworx Volumes
  • Quobyte Volumes
• 云端存储
  • GCEPersistentDisk
  • AWSElasticBlockStore
  • AzureFile
  • AzureDisk
  • Cinder (OpenStack block storage)
  • VsphereVolume
  • StorageOS
• 自定义存储
  • FlexVolume
• 不推荐
  • Flocker (最近更新2016年 https://github.com/ClusterHQ/flocker/)

存储卷 PersistentVolume

PersistentVolume 字段描述如下表所示：

字段名称	可选项/备注
容量 Capacity	通常，一个 PersistentVolume 具有一个固定的存储容量（capacity）
Volume Mode	FEATURE STATE: Kubernetes v1.13 beta Kubernetes 1.9 之前的版本，所有的存储卷都被初始化一个文件系统。当前可选项有：block：使用一个 块设备（raw block device） filesystem（默认值）：使用一个文件系统
Access Modes	可被单节点读写-ReadWriteOnce 可被多节点只读-ReadOnlyMany 可被多节点读写-ReadWriteMany
存储类 StorageClassName	带有存储类 StorageClassName 属性的 PersistentVolume 只能绑定到请求该 StorageClass 存储类的 PersistentVolumeClaim。 没有 StorageClassName 属性的 PersistentVolume 只能绑定到无特定 StorageClass 存储类要求的 PVC。
回收策略 Reclaim Policy	保留 Retain – 手工回收 再利用 Recycle – 清除后重新可用 (rm -rf /thevolume/*) 删除 Delete – 删除 PV 及存储介质
Mount Options	挂载选项用来在挂载时作为 mount 命令的参数
状态 Phase	Available – 可用的 PV，尚未绑定到 PVCBound – 已经绑定到 PVCReleased – PVC 已经被删除，但是资源还未被集群回收Failed – 自动回收失败

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存储卷声明 PersistentVolumeClaims

字段名称	可选项/备注
存储类	只有该 StorageClass 存储类的 PV 才可以绑定到此 PVC
读写模式 Access Modes	可被单节点读写-ReadWriteOnce 可被多节点只读-ReadOnlyMany 可被多节点读写-ReadWriteMany
Volume Modes	blockfilesystem - default
总量	请求存储空间的大小