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）