StatefulSet 控制器¶
前面我们学习了 Deployment 和 ReplicaSet 两种资源对象得使用,在实际使用的过程中,Deployment 并不能编排所有类型的应用,对无状态服务编排是非常容易的,但是对于有状态服务就无能为力了。我们需要先明白一个概念:什么是有状态服务,什么是无状态服务。
无状态服务(Stateless Service)
:该服务运行的实例不会在本地存储需要持久化的数据,并且多个实例对于同一个请求响应的结果是完全一致的,比如前面我们讲解的 WordPress 实例,我们是不是可以同时启动多个实例,但是我们访问任意一个实例得到的结果都是一样的吧?因为他唯一需要持久化的数据是存储在MySQL数据库中的,所以我们可以说 WordPress 这个应用是无状态服务,但是 MySQL 数据库就不是了,因为他需要把数据持久化到本地。有状态服务(Stateful Service)
:就和上面的概念是对立的了,该服务运行的实例需要在本地存储持久化数据,比如上面的 MySQL 数据库,你现在运行在节点 A,那么他的数据就存储在节点 A 上面的,如果这个时候你把该服务迁移到节点 B 去的话,那么就没有之前的数据了,因为他需要去对应的数据目录里面恢复数据,而此时没有任何数据。
现在对有状态
和无状态
有一定的认识了吧,比如我们常见的 WEB 应用,是通过 Session 来保持用户的登录状态的,如果我们将 Session 持久化到节点上,那么该应用就是一个有状态的服务了,因为我现在登录进来你把我的 Session 持久化到节点 A 上了,下次我登录的时候可能会将请求路由到节点 B 上去了,但是节点 B 上根本就没有我当前的 Session 数据,就会被认为是未登录状态了,这样就导致我前后两次请求得到的结果不一致了。所以一般为了横向扩展,我们都会把这类 WEB 应用改成无状态的服务,怎么改?将 Session 数据存入一个公共的地方,比如 Redis 里面,是不是就可以了,对于一些客户端请求 API 的情况,我们就不使用 Session 来保持用户状态,改成用 Token 也是可以的。
无状态服务利用我们前面的 Deployment 可以很好的进行编排,对应有状态服务,需要考虑的细节就要多很多了,容器化应用程序最困难的任务之一,就是设计有状态分布式组件的部署体系结构。由于无状态组件没有预定义的启动顺序、集群要求、点对点 TCP 连接、唯一的网络标识符、正常的启动和终止要求等,因此可以很容易地进行容器化。诸如数据库,大数据分析系统,分布式 key/value 存储、消息中间件需要有复杂的分布式体系结构,都可能会用到上述功能。为此,Kubernetes 引入了 StatefulSet
这种资源对象来支持这种复杂的需求。StatefulSet
类似于 ReplicaSet
,但是它可以处理 Pod 的启动顺序,为保留每个 Pod 的状态设置唯一标识,具有以下几个功能特性:
- 稳定的、唯一的网络标识符
- 稳定的、持久化的存储
- 有序的、优雅的部署和缩放
- 有序的、优雅的删除和终止
- 有序的、自动滚动更新
Headless Service¶
在我们学习 StatefulSet 对象之前,我们还必须了解一个新的概念:Headless Service
。Service
其实在之前我们和大家提到过,Service 是应用服务的抽象,通过 Labels 为应用提供负载均衡和服务发现,每个 Service 都会自动分配一个 cluster IP 和 DNS 名,在集群内部我们可以通过该地址或者通过 FDQN 的形式来访问服务。比如,一个 Deployment 有 3 个 Pod,那么我就可以定义一个 Service,有如下两种方式来访问这个 Service:
- cluster IP 的方式,比如:当我访问 10.109.169.155 这个 Service 的 IP 地址时,10.109.169.155 其实就是一个 VIP,它会把请求转发到该 Service 所代理的 Endpoints 列表中的某一个 Pod 上。具体原理我们会在后面的 Service 章节中和大家深入了解。
- Service 的 DNS 方式,比如我们访问
“mysvc.mynamespace.svc.cluster.local”
这条 DNS 记录,就可以访问到 mynamespace 这个命名空间下面名为 mysvc 的 Service 所代理的某一个 Pod。
对于 DNS 这种方式实际上也有两种情况:
- 第一种就是普通的 Service,我们访问
“mysvc.mynamespace.svc.cluster.local”
的时候是通过集群中的 DNS 服务解析到的 mysvc 这个 Service 的 cluster IP 的 - 第二种情况就是
Headless Service
,对于这种情况,我们访问“mysvc.mynamespace.svc.cluster.local”
的时候是直接解析到的 mysvc 代理的某一个具体的 Pod 的 IP 地址,中间少了 cluster IP 的转发,这就是二者的最大区别,Headless Service 不需要分配一个 VIP,而是可以直接以 DNS 的记录方式解析到后面的 Pod 的 IP 地址。
比如我们定义一个如下的 Headless Service
:(headless-svc.yaml)
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
name: nginx
namespace: default
labels:
app: nginx
spec:
ports:
- name: http
port: 80
clusterIP: None
selector:
app: nginx
实际上 Headless Service
在定义上和普通的 Service 几乎一致, 只是他的 clusterIP=None
,所以,这个 Service 被创建后并不会被分配一个 cluster IP,而是会以 DNS 记录的方式暴露出它所代理的 Pod,而且还有一个非常重要的特性,对于 Headless Service
所代理的所有 Pod 的 IP 地址都会绑定一个如下所示的 DNS 记录:
<pod-name>.<svc-name>.<namespace>.svc.cluster.local
这个 DNS 记录正是 Kubernetes 集群为 Pod 分配的一个唯一标识,只要我们知道 Pod 的名字,以及它对应的 Service 名字,就可以组装出这样一条 DNS 记录访问到 Pod 的 IP 地址,这个能力是非常重要的,接下来我们就来看下 StatefulSet 资源对象是如何结合 Headless Service 提供服务的。
StatefulSet¶
在开始之前,我们先准备两个 1G 的存储卷(PV),在后面的课程中我们也会和大家详细讲解 PV 和 PVC 的使用方法的,这里我们先不深究:(pv.yaml)
apiVersion: v1
kind: PersistentVolume
metadata:
name: pv001
spec:
capacity:
storage: 1Gi
accessModes:
- ReadWriteOnce
hostPath:
path: /tmp/pv001
---
apiVersion: v1
kind: PersistentVolume
metadata:
name: pv002
spec:
capacity:
storage: 1Gi
accessModes:
- ReadWriteOnce
hostPath:
path: /tmp/pv002
然后直接创建 PV 即可:
➜ ~ kubectl apply -f pv.yaml
persistentvolume "pv001" created
persistentvolume "pv002" created
➜ ~ kubectl get pv
NAME CAPACITY ACCESS MODES RECLAIM POLICY STATUS CLAIM STORAGECLASS REASON AGE
pv001 1Gi RWO Recycle Available 12s
pv002 1Gi RWO Recycle Available 11s
可以看到成功创建了两个 PV 对象,状态是:Available
。
特性¶
然后接下来声明一个如下所示的 StatefulSet 资源清单:(nginx-sts.yaml)
apiVersion: apps/v1
kind: StatefulSet
metadata:
name: web
namespace: default
spec:
serviceName: "nginx"
replicas: 2
selector:
matchLabels:
app: nginx
template:
metadata:
labels:
app: nginx
spec:
containers:
- name: nginx
image: nginx:1.7.9
ports:
- name: web
containerPort: 80
volumeMounts:
- name: www
mountPath: /usr/share/nginx/html
volumeClaimTemplates:
- metadata:
name: www
spec:
accessModes: [ "ReadWriteOnce" ]
resources:
requests:
storage: 1Gi
从上面的资源清单中可以看出和我们前面的 Deployment 基本上也是一致的,也是通过声明的 Pod 模板来创建 Pod 的,另外上面资源清单中和 volumeMounts
进行关联的不是 volumes
而是一个新的属性:volumeClaimTemplates
,该属性会自动创建一个 PVC 对象,其实这里就是一个 PVC 的模板,和 Pod 模板类似,PVC 被创建后会自动去关联当前系统中和他合适的 PV 进行绑定。除此之外,还多了一个 serviceName: "nginx"
的字段,serviceName
就是管理当前 StatefulSet
的服务名称,该服务必须在 StatefulSet 之前存在,并且负责该集合的网络标识,Pod 会遵循以下格式获取 DNS/主机名:pod-specific-string.serviceName.default.svc.cluster.local
,其中 pod-specific-string
由 StatefulSet 控制器管理。
StatefulSet
的拓扑结构和其他用于部署的资源对象其实比较类似,比较大的区别在于 StatefulSet
引入了 PV 和 PVC 对象来持久存储服务产生的状态,这样所有的服务虽然可以被杀掉或者重启,但是其中的数据由于 PV 的原因不会丢失。
注意
由于我们这里用volumeClaimTemplates
声明的模板是挂载点的方式,并不是 volume,所有实际上上当于把 PV 的存储挂载到容器中,所以会覆盖掉容器中的数据,在容器启动完成后我们可以手动在 PV 的存储里面新建 index.html 文件来保证容器的正常访问,当然也可以进入到容器中去创建,这样更加方便:
$ for i in 0 1; do kubectl exec web-$i -- sh -c 'echo hello $(hostname) > /usr/share/nginx/html/index.html'; done
现在我们优先创建上面定义的 Headless Service
:
➜ ~ kubectl apply -f headless-svc.yaml
service/nginx created
➜ ~ kubectl get service nginx
NAME TYPE CLUSTER-IP EXTERNAL-IP PORT(S) AGE
nginx ClusterIP None <none> 80/TCP 9s
Headless Service
创建完成后就可以来创建对应的 StatefulSet 对象了:
➜ ~ kubectl apply -f nginx-sts.yaml
statefulset.apps/web created
➜ ~ kubectl get pvc
NAME STATUS VOLUME CAPACITY ACCESS MODES STORAGECLASS AGE
www-web-0 Bound pv001 1Gi RWO 10m
www-web-1 Bound pv002 1Gi RWO 6m26s
可以看到这里通过 Volume 模板自动生成了两个 PVC 对象,也自动和 PV 进行了绑定。这个时候我们可以快速通过一个 --watch
参数来查看 Pod 的创建过程:
➜ ~ kubectl get pods -l app=nginx --watch
NAME READY STATUS RESTARTS AGE
web-0 0/1 ContainerCreating 0 1s
web-0 1/1 Running 0 2s
web-1 0/1 Pending 0 0s
web-1 0/1 Pending 0 0s
web-1 0/1 ContainerCreating 0 0s
web-1 1/1 Running 0 6s
我们仔细观察整个过程出现了两个 Pod:web-0
和 web-1
,而且这两个 Pod 是按照顺序进行创建的,web-0
启动起来后 web-1
才开始创建。如同上面 StatefulSet 概念中所提到的,StatefulSet 中的 Pod 拥有一个具有稳定的、独一无二的身份标志。这个标志基于 StatefulSet 控制器分配给每个 Pod 的唯一顺序索引。Pod 的名称的形式为<statefulset name>-<ordinal index>
。我们这里的对象拥有两个副本,所以它创建了两个 Pod 名称分别为:web-0 和 web-1,我们可以使用 kubectl exec
命令进入到容器中查看它们的 hostname:
➜ ~ kubectl exec web-0 hostname
web-0
➜ ~ kubectl exec web-1 hostname
web-1
顺序
StatefulSet 中 Pod 副本的创建会按照序列号升序处理,副本的更新和删除会按照序列号降序
处理。
可以看到,这两个 Pod 的 hostname 与 Pod 名字是一致的,都被分配了对应的编号。我们随意查看一个 Pod 的描述信息:
➜ ~ kubectl describe pod web-0
Name: web-0
Namespace: default
Priority: 0
PriorityClassName: <none>
Node: ydzs-node3/10.151.30.57
Start Time: Sun, 17 Nov 2019 12:32:50 +0800
Labels: app=nginx
controller-revision-hash=web-6c5c7fd59b
statefulset.kubernetes.io/pod-name=web-0
Annotations: podpreset.admission.kubernetes.io/podpreset-time-preset: 2062768
Status: Running
IP: 10.244.3.98
Controlled By: StatefulSet/web
......
我们可以看到Controlled By: StatefulSet/web
,证明我们的 Pod 是直接受到 StatefulSet 控制器管理的。
现在我们创建一个 busybox(该镜像中有一系列的工具)的容器,在容器中用 DNS 的方式来访问一下这个 Headless Service
,由于我们这里只是单纯的为了测试,所以没必要写资源清单文件来声明,用kubectl run
命令启动一个测试的容器即可:
➜ ~ kubectl run -it --image busybox:1.28.3 test --restart=Never --rm /bin/sh
If you don't see a command prompt, try pressing enter.
/ #
busybox 镜像
busybox
最新版本的镜像有 BUG,会出现nslookup
提示无法解析的问题,我们这里使用老一点的镜像版本1.28.3
即可。
如果对 kubectl run
命令的使用参数不清楚,我们可以使用 kubectl run --help
命令查看可使用的参数。我们这里使用 kubectl run
命令启动了一个以 busybox 为镜像的 Pod,--rm
参数意味着我们退出 Pod 后就会被删除,和之前的 docker run
命令用法基本一致,现在我们在这个 Pod 容器里面可以使用 nslookup
命令来尝试解析下上面我们创建的 Headless Service
:
/ # nslookup nginx
Server: 10.96.0.10
Address 1: 10.96.0.10 kube-dns.kube-system.svc.cluster.local
Name: nginx
Address 1: 10.244.1.175 web-1.nginx.default.svc.cluster.local
Address 2: 10.244.4.83 web-0.nginx.default.svc.cluster.local
/ # ping nginx
PING nginx (10.244.1.175): 56 data bytes
64 bytes from 10.244.1.175: seq=0 ttl=62 time=1.076 ms
64 bytes from 10.244.1.175: seq=1 ttl=62 time=1.029 ms
64 bytes from 10.244.1.175: seq=2 ttl=62 time=1.075 ms
我们直接解析 Headless Service
的名称,可以看到得到的是两个 Pod 的解析记录,但实际上如果我们通过nginx
这个 DNS 去访问我们的服务的话,并不会随机或者轮询背后的两个 Pod,而是访问到一个固定的 Pod,所以不能代替普通的 Service。如果分别解析对应的 Pod 呢?
$ / # nslookup web-0.nginx
Server: 10.96.0.10
Address 1: 10.96.0.10 kube-dns.kube-system.svc.cluster.local
Name: web-0.nginx
Address 1: 10.244.4.83 web-0.nginx.default.svc.cluster.local
/ # nslookup web-1.nginx
Server: 10.96.0.10
Address 1: 10.96.0.10 kube-dns.kube-system.svc.cluster.local
Name: web-1.nginx
Address 1: 10.244.1.175 web-1.nginx.default.svc.cluster.local
可以看到解析 web-0.nginx
的时候解析到了 web-0
这个 Pod 的 IP,web-1.nginx
解析到了 web-1
这个 Pod 的 IP,而且这个 DNS 地址还是稳定的,因为 Pod 名称就是固定的,比如我们这个时候去删掉 web-0
和 web-1
这两个 Pod:
➜ ~ kubectl delete pod -l app=nginx
pod "web-0" deleted
pod "web-1" deleted
删除完成后才看 Pod 状态:
➜ ~ kubectl get pods -l app=nginx
NAME READY STATUS RESTARTS AGE
web-0 1/1 Running 0 42s
web-1 1/1 Running 0 39s
可以看到 StatefulSet 控制器仍然会安装顺序创建出两个 Pod 副本出来,而且 Pod 的唯一标识依然没变,所以这两个 Pod 的网络标识还是固定的,我们依然可以通过web-0.nginx
去访问到web-0
这个 Pod,虽然 Pod 已经重建了,对应 Pod IP 已经变化了,但是访问这个 Pod 的地址依然没变,并且他们依然还是关联的之前的 PVC,数据并不会丢失:
/ # nslookup web-0.nginx
Server: 10.96.0.10
Address 1: 10.96.0.10 kube-dns.kube-system.svc.cluster.local
Name: web-0.nginx
Address 1: 10.244.3.98 web-0.nginx.default.svc.cluster.local
/ # nslookup web-1.nginx
Server: 10.96.0.10
Address 1: 10.96.0.10 kube-dns.kube-system.svc.cluster.local
Name: web-1.nginx
Address 1: 10.244.1.176 web-1.nginx.default.svc.cluster.local
通过 Headless Service
,StatefulSet 就保证了 Pod 网络标识的唯一稳定性,由于 Pod IP 并不是固定的,所以我们访问有状态应用
实例的时候,就必须使用 DNS 记录的方式来访问了,所以很多同学偶尔有固定的 Pod IP 的需求,或许可以用这种方式来代替。
最后我们可以通过删除 StatefulSet 对象来删除所有的 Pod,仔细观察也会发现是按照倒序的方式进行删除的:
➜ ~ kubectl delete statefulsets web
statefulset.apps "web" deleted
➜ ~ kubectl get pods --watch
NAME READY STATUS RESTARTS AGE
web-1 1/1 Terminating 0 3h/31m
web-0 1/1 Terminating 0 3h/31m
管理策略¶
对于某些分布式系统来说,StatefulSet 的顺序性保证是不必要和/或者不应该的,这些系统仅仅要求唯一性和身份标志。为了解决这个问题,我们只需要在声明 StatefulSet 的时候重新设置 spec.podManagementPolicy
的策略即可。
默认的管理策略是 OrderedReady
,表示让 StatefulSet 控制器遵循上文演示的顺序性保证。除此之外,还可以设置为 Parallel
管理模式,表示让 StatefulSet 控制器并行的终止所有 Pod,在启动或终止另一个 Pod 前,不必等待这些 Pod 变成 Running 和 Ready 或者完全终止状态。
更新策略¶
前面课程中我们学习了 Deployment 的升级策略,在 StatefulSet 中同样也支持两种升级策略:onDelete
和 RollingUpdate
,同样可以通过设置 .spec.updateStrategy.type
进行指定。
OnDelete
: 该策略表示当更新了StatefulSet
的模板后,只有手动删除旧的 Pod 才会创建新的 Pod。RollingUpdate
:该策略表示当更新 StatefulSet 模板后会自动删除旧的 Pod 并创建新的Pod,如果更新发生了错误,这次“滚动更新”就会停止。不过需要注意 StatefulSet 的 Pod 在部署时是顺序从 0~n 的,而在滚动更新时,这些 Pod 则是按逆序的方式即 n~0 一次删除并创建。
另外SatefulSet
的滚动升级还支持 Partitions
的特性,可以通过.spec.updateStrategy.rollingUpdate.partition
进行设置,在设置 partition 后,SatefulSet 的 Pod 中序号大于或等于 partition 的 Pod 会在 StatefulSet 的模板更新后进行滚动升级,而其余的 Pod 保持不变,这个功能是不是可以实现灰度发布?大家可以去手动验证下。
在实际的项目中,其实我们还是很少会去直接通过 StatefulSet 来部署我们的有状态服务的,除非你自己能够完全能够 hold 住,对于一些特定的服务,我们可能会使用更加高级的 Operator 来部署,比如 etcd-operator、prometheus-operator 等等,这些应用都能够很好的来管理有状态的服务,而不是单纯的使用一个 StatefulSet 来部署一个 Pod 就行,因为对于有状态的应用最重要的还是数据恢复、故障转移等等。