DaemonSet 与 StatefulSet 的使用

前面我们的课程中学习了大部分资源对象的使用方法,上节课我们通过一个WordPress的示例把我们前面的内容做了一个总结。今天我们来给大家讲解另外一个Pod控制器的使用方法,我们前面主要讲解的是Deployment这种对象资源的使用,接下来我们要讲解的是在特定场合下使用的控制器:DaemonSetStatefulSet

DaemonSet 的使用

通过该控制器的名称我们可以看出它的用法:Daemon,就是用来部署守护进程的,DaemonSet用于在每个Kubernetes节点中将守护进程的副本作为后台进程运行,说白了就是在每个节点部署一个Pod副本,当节点加入到Kubernetes集群中,Pod会被调度到该节点上运行,当节点从集群只能够被移除后,该节点上的这个Pod也会被移除,当然,如果我们删除DaemonSet,所有和这个对象相关的Pods都会被删除。

在哪种情况下我们会需要用到这种业务场景呢?其实这种场景还是比较普通的,比如:

  • 集群存储守护程序,如glusterdceph要部署在每个节点上以提供持久性存储;
  • 节点监视守护进程,如Prometheus监控集群,可以在每个节点上运行一个node-exporter进程来收集监控节点的信息;
  • 日志收集守护程序,如fluentdlogstash,在每个节点上运行以收集容器的日志

这里需要特别说明的一个就是关于DaemonSet运行的Pod的调度问题,正常情况下,Pod运行在哪个节点上是由Kubernetes的调度器策略来决定的,然而,由DaemonSet控制器创建的Pod实际上提前已经确定了在哪个节点上了(Pod创建时指定了.spec.nodeName),所以:

  • DaemonSet并不关心一个节点的unshedulable字段,这个我们会在后面的调度章节和大家讲解的。
  • DaemonSet可以创建Pod,即使调度器还没有启动,这点非常重要。

下面我们直接使用一个示例来演示下,在每个节点上部署一个Nginx Pod:(nginx-ds.yaml)

kind: DaemonSet
apiVersion: extensions/v1beta1
metadata:
  name: nginx-ds
  labels:
    k8s-app: nginx
spec:
  template:
    metadata:
      labels:
        k8s-app: nginx
    spec:
      containers:
      - image: nginx:1.7.9
        name: nginx
        ports:
        - name: http
          containerPort: 80

然后直接创建即可:

$ kubectl create -f nginx-ds.yaml

然后我们可以观察下Pod是否被分布到了每个节点上:

$ kubectl get nodes
$ kubectl get pods -o wide

StatefulSet 的使用

在学习StatefulSet这种控制器之前,我们就得先弄明白一个概念: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。

现在大家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或者RC都可以很好的控制,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。由于无状态组件可能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 存储和 message brokers 可能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资源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,同时具有以下功能:

  • 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

创建StatefulSet

接下来我们来给大家演示下StatefulSet对象的使用方法,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:(pv001.yaml)

apiVersion: v1
kind: PersistentVolume
metadata:
  name: pv001
  labels:
    release: stable
spec:
  capacity:
    storage: 1Gi
  accessModes:
  - ReadWriteOnce
  persistentVolumeReclaimPolicy: Recycle
  hostPath:
    path: /tmp/data

另外一个只需要把 name 改成 pv002即可,然后创建:

$ kubectl create -f pv001.yaml && kubectl create -f pv002.yaml
persistentvolume "pv001" created
persistentvolume "pv002" created
$ kubectl get pv
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。

然后我们使用StatefulSet来创建一个 Nginx 的 Pod,对于这种类型的资源,我们一般是通过创建一个Headless Service类型的服务来暴露服务,将clusterIP设置为None就是一个无头的服务:(statefulset-demo.yaml)

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: nginx
spec:
  ports:
  - port: 80
    name: web
  clusterIP: None
  selector:
    app: nginx
    role: stateful

---
apiVersion: apps/v1beta1
kind: StatefulSet
metadata:
  name: web
spec:
  serviceName: "nginx"
  replicas: 2
  template:
    metadata:
      labels:
        app: nginx
        role: stateful
    spec:
      containers:
      - name: nginx
        image: cnych/nginx-slim:0.8
        ports:
        - containerPort: 80
          name: web
        volumeMounts:
        - name: www
          mountPath: /usr/share/nginx/html
  volumeClaimTemplates:
  - metadata:
      name: www
    spec:
      accessModes: [ "ReadWriteOnce" ]
      resources:
        requests:
          storage: 1Gi

注意上面的 YAML 文件中和volumeMounts进行关联的是一个新的属性:volumeClaimTemplates,该属性会自动声明一个 pvc 对象和 pv 进行管理:

然后这里我们开启两个终端窗口。在第一个终端中,使用 kubectl get 来查看 StatefulSet 的 Pods 的创建情况。

$ kubectl get pods -w -l role=stateful

在另一个终端中,使用 kubectl create 来创建定义在 statefulset-demo.yaml 中的 Headless Service 和 StatefulSet。

$ kubectl create -f statefulset-demo.yaml
service "nginx" created
statefulset.apps "web" created

检查 Pod 的顺序索引

对于一个拥有 N 个副本的 StatefulSet,Pod 被部署时是按照 {0..N-1}的序号顺序创建的。在第一个终端中我们可以看到如下的一些信息:

$ kubectl get pods -w -l role=stateful
NAME      READY     STATUS    RESTARTS   AGE
web-0     0/1       Pending   0          0s
web-0     0/1       Pending   0         0s
web-0     0/1       ContainerCreating   0         0s
web-0     1/1       Running   0         19s
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         18s

请注意在 web-0 Pod 处于 Running 和 Ready 状态后 web-1 Pod 才会被启动。

如同 StatefulSets 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>。web StatefulSet 拥有两个副本,所以它创建了两个 Pod:web-0 和 web-1。

上面的命令创建了两个 Pod,每个都运行了一个 NGINX web 服务器。获取 nginx Service 和 web StatefulSet 来验证是否成功的创建了它们。

$ kubectl get service nginx
NAME      CLUSTER-IP   EXTERNAL-IP   PORT(S)   AGE
nginx     None         <none>        80/TCP    12s
$ kubectl get statefulset web
NAME      DESIRED   CURRENT   AGE
web       2         1         20s

使用稳定的网络身份标识

每个 Pod 都拥有一个基于其顺序索引的稳定的主机名。使用 kubectl exec 在每个 Pod 中执行 hostname 。

$ for i in 0 1; do kubectl exec web-$i -- sh -c 'hostname'; done
web-0
web-1

然后我们使用 kubectl run 运行一个提供 nslookup 命令的容器。通过对 Pod 的主机名执行 nslookup,你可以检查他们在集群内部的 DNS 地址。

$ kubectl run -i --tty --image busybox dns-test --restart=Never --rm /bin/sh 
nslookup web-0.nginx
Server:    10.0.0.10
Address 1: 10.0.0.10 kube-dns.kube-system.svc.cluster.local

Name:      web-0.nginx
Address 1: 10.244.1.6

nslookup web-1.nginx
Server:    10.0.0.10
Address 1: 10.0.0.10 kube-dns.kube-system.svc.cluster.local

Name:      web-1.nginx
Address 1: 10.244.2.6

headless service 的 CNAME 指向 SRV 记录(记录每个 Running 和 Ready 状态的 Pod)。SRV 记录指向一个包含 Pod IP 地址的记录表项。

然后我们再来看下删除 StatefulSet 下面的 Pod:

在一个终端中查看 StatefulSet 的 Pod:

$ kubectl get pod -w -l role=stateful

在另一个终端中使用 kubectl delete 删除 StatefulSet 中所有的 Pod。

$ kubectl delete pod -l role=stateful
pod "web-0" deleted
pod "web-1" deleted

等待 StatefulSet 重启它们,并且两个 Pod 都变成 Running 和 Ready 状态。

$ kubectl get pod -w -l app=nginx
NAME      READY     STATUS              RESTARTS   AGE
web-0     0/1       ContainerCreating   0          0s
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         34s

然后再次使用 kubectl exec 和 kubectl run 查看 Pod 的主机名和集群内部的 DNS 表项。

$ for i in 0 1; do kubectl exec web-$i -- sh -c 'hostname'; done
web-0
web-1
$ kubectl run -i --tty --image busybox dns-test --restart=Never --rm /bin/sh 
nslookup web-0.nginx
Server:    10.0.0.10
Address 1: 10.0.0.10 kube-dns.kube-system.svc.cluster.local

Name:      web-0.nginx
Address 1: 10.244.1.7

nslookup web-1.nginx
Server:    10.0.0.10
Address 1: 10.0.0.10 kube-dns.kube-system.svc.cluster.local

Name:      web-1.nginx
Address 1: 10.244.2.8

我们可以看到Pod 的序号、主机名、SRV 条目和记录名称没有改变,但和 Pod 相关联的 IP 地址可能会发生改变。所以说这就是为什么不要在其他应用中使用 StatefulSet 中的 Pod 的 IP 地址进行连接,这点很重要。一般情况下我们直接通过 SRV 记录连接就行:web-0.nginx、web-1.nginx,因为他们是稳定的,并且当你的 Pod 的状态变为 Running 和 Ready 时,你的应用就能够发现它们的地址。

同样我们可以查看 PV、PVC的最终绑定情况:

$ kubectl get pv
NAME      CAPACITY   ACCESS MODES   RECLAIM POLICY   STATUS    CLAIM               STORAGECLASS   REASON    AGE
pv001     1Gi        RWO            Recycle          Bound     default/www-web-0                            1h
pv002     1Gi        RWO            Recycle          Bound     default/www-web-1                            1h
$ kubectl get pvc
NAME        STATUS    VOLUME    CAPACITY   ACCESS MODES   STORAGECLASS   AGE
www-web-0   Bound     pv001     1Gi        RWO                           22m
www-web-1   Bound     pv002     1Gi        RWO                           22m

我们会在下节课开始和大家讲解存储卷的使用的,所以这里我们先暂时不展开讲解了,避免大家糊涂。

当然 StatefulSet 还拥有其他特性,在实际的项目中,我们还是很少回去直接通过 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。

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