Kunbernetes-基于NFS的存储

1、NFS介绍

NFS是Network File System的简写，即网络文件系统，NFS是FreeBSD支持的文件系统中的一种。NFS基于RPC(Remote Procedure Call)远程过程调用实现，其允许一个系统在网络上与它人共享目录和文件。通过使用NFS，用户和程序就可以像访问本地文件一样访问远端系统上的文件。NFS是一个非常稳定的，可移植的网络文件系统。具备可扩展和高性能等特性，达到了企业级应用质量标准。由于网络速度的增加和延迟的降低，NFS系统一直是通过网络提供文件系统服务的有竞争力的选择 。

1.1 nfs原理

NFS 使用RPC(Remote Procedure Call)的机制进行实现，RPC使得客户端可以调用服务端的函数。同时，由于有 VFS 的存在，客户端可以像使用其它普通文件系统一样使用 NFS 文件系统。经由操作系统的内核，将 NFS 文件系统的调用请求通过 TCP/IP 发送至服务端的 NFS 服务。NFS服务器执行相关的操作，并将操作结果返回给客户端。

NFS服务主要进程包括：

• rpc.nfsd：最主要的NFS进程，管理客户端是否可登录
• rpc.mountd：挂载和卸载NFS文件系统，包括权限管理
• rpc.lockd：非必要，管理文件锁，避免同时写出错
• rpc.statd：非必要，检查文件一致性，可修复文件

nfs的关键工具包括：

• 主要配置文件：/etc/exports；
• NFS文件系统维护命令：/usr/bin/exportfs；
• 共享资源的日志文件： /var/lib/nfs/*tab；
• 客户端查询共享资源命令： /usr/sbin/showmount；
• 端口配置： /etc/sysconfig/nfs。

1.2 共享配置

在NFS服务器端的主要配置文件为/etc/exports时，通过此配置文件可以设置共享文件目录。每条配置记录由NFS共享目录、NFS客户端地址和参数这3部分组成，格式如下：

[NFS共享目录] [NFS客户端地址1(参数1,参数2,参数3……)] [客户端地址2(参数1,参数2,参数3……)]

• NFS共享目录：服务器上共享出去的文件目录；
• NFS客户端地址：允许其访问的NFS服务器的客户端地址，可以是客户端IP地址，也可以是一个网段(192.168.64.0/24)；
• 访问参数：括号中逗号分隔项，主要是一些权限选项。

1）访问权限参数

ro  客户端对于共享文件目录为只读权限。（默认设置）

rw  客户端对共享文件目录具有读写权限。

2）用户映射参数

root_squash 使客户端使用root账户访问时，服务器映射为服务器本地的匿名账号。

no_root_squash 客户端连接服务端时如果使用的是root的话，那么也拥有对服务端分享的目录的root权限。

all_squash 将所有客户端用户请求映射到匿名用户或用户组（nfsnobody）。

no_all_squash 与上相反（默认设置）。

anonuid=xxx 将远程访问的所有用户都映射为匿名用户，并指定该用户为本地用户（UID=xxx）。

anongid=xxx 将远程访问的所有用户组都映射为匿名用户组账户，并指定该匿名用户组账户为本地用户组账户（GID=xxx）。

3）其它配置参数

sync同步写操作，数据写入存储设备后返回成功信息。（默认设置）

async异步写操作，数据在未完全写入存储设备前就返回成功信息，实际还在内存。

wdelay延迟写入选项，将多个写操请求合并后写入硬盘，减少I/O次数，NFS非正常关闭数据可能丢失（默认设置）。

no_wdelay与上相反，不与async同时生效，如果NFS服务器主要收到小且不相关的请求，该选项实际会降低性能。

subtree若输出目录是一个子目录，则nfs服务器将检查其父目录的权限(默认设置)；

secure限制客户端只能从小于1024的tcp/ip端口连接nfs服务器（默认设置）

insecure允许客户端从大于1024的tcp/ip端口连接服务器

2、nfs服务端配置

在nfs作为网络文件存储系统前，首先，需要安装nfs和rpcbind服务；接着，需要创建使用共享目录的用户；然后，需要对共享目录进行配置，这是其中相对重要和复杂的一个步骤；最后，需要启动rpcbind和nfs服务，以供应用使用。

2.1 安装nfs服务

1）通过yum目录安装nfs服务和rpcbind服务：

yum -y install nfs-utils rpcbind

2）检查nfs服务是否正常安装

rpcinfo -p localhost

2.2 配置共享目录

在nfs服务器中为客户端配置共享目录：

echo "/nfs-share *(rw,async,no_root_squash)" >> /etc/exports

通过执行如下命令是配置生效：

exportfs -r

2.3 启动服务

1）由于必须先启动rpcbind服务，再启动nfs服务，这样才能让nfs服务在rpcbind服务上注册成功：

systemctl start rpcbind

2）启动nfs服务：

systemctl start nfs-server

3）设置rpcbind和nfs-server开机启动：

systemctl enable rpcbind

systemctl enable nfs-server

2.4 检查nfs服务是否正常启动

showmount -e localhost

mount -t nfs 127.0.0.1:/data /mnt

3、nfs作为volume

nfs可以直接作为存储卷使用，下面是一个redis部署的YAML配置文件。在此示例中，redis在容器中的持久化数据保存在/data目录下；存储卷使用nfs，nfs的服务地址为：192.168.8.150，存储路径为：/k8s-nfs/redis/data。容器通过volumeMounts.name的值确定所使用的存储卷。

apiVersion: apps/v1 # for versions before 1.9.0 use apps/v1beta2
kind: Deployment
metadata:
  name: redis
spec:
  selector:
    matchLabels:
      app: redis
  revisionHistoryLimit: 2
  template:
    metadata:
      labels:
        app: redis
    spec:
      containers:
      # 应用的镜像
      - image: redis
        name: redis
        imagePullPolicy: IfNotPresent
        # 应用的内部端口
        ports:
        - containerPort: 6379
          name: redis6379
        env:
        - name: ALLOW_EMPTY_PASSWORD
          value: "yes"
        - name: REDIS_PASSWORD
          value: "redis"   
        # 持久化挂接位置，在docker中 
        volumeMounts:
        - name: redis-persistent-storage
          mountPath: /data
      volumes:
      # 宿主机上的目录
      - name: redis-persistent-storage
        nfs:
          path: /k8s-nfs/redis/data
          server: 192.168.8.150

4、nfs作为PersistentVolum

在Kubernetes当前版本的中，可以创建类型为nfs的持久化存储卷，用于为PersistentVolumClaim提供存储卷。在下面的PersistenVolume YAML配置文件中，定义了一个名为nfs-pv的持久化存储卷，此存储卷提供了5G的存储空间，只能由一个PersistentVolumClaim进行可读可写操作。此持久化存储卷使用的nfs服务器地址为192.168.5.150，存储的路径为/tmp。

apiVersion: v1 
kind: PersistentVolume 
metadata: 
  name: nfs-pv 
spec: 
  capacity: 
    storage: 5Gi 
  volumeMode: Filesystem 
  accessModes: 
    - ReadWriteOnce 
  persistentVolumeReclaimPolicy: Recycle 
  storageClassName: slow 
  mountOptions: 
  - hard 
  - nfsvers=4.1
  # 此持久化存储卷使用nfs插件 
  nfs:
    # nfs共享目录为/tmp 
    path: /tmp 
    # nfs服务器的地址
    server: 192.168.5.150

通过执行如下的命令可以创建上述持久化存储卷：

kubectl create -f {path}/nfs-pv.yaml

存储卷创建成功后将处于可用状态，等待PersistentVolumClaim使用。PersistentVolumClaim会通过访问模式和存储空间自动选择合适存储卷，并与其进行绑定。

5、nfs作为动态存储提供

5.1 部署nfs-provisioner

为nfs-provisioner实例选择存储状态和数据的存储卷，并将存储卷挂接到容器的/export 命令。

...
 volumeMounts:
    - name: export-volume
      mountPath: /export
volumes:
  - name: export-volume
    hostPath:
      path: /tmp/nfs-provisioner
...

完整的deployment.yaml文件内容如下：

kind: Service
apiVersion: v1
metadata:
  name: nfs-provisioner
  labels:
    app: nfs-provisioner
spec:
  ports:
    - name: nfs
      port: 2049
    - name: mountd
      port: 20048
    - name: rpcbind
      port: 111
    - name: rpcbind-udp
      port: 111
      protocol: UDP
  selector:
    app: nfs-provisioner
---

apiVersion: extensions/v1beta1
kind: Deployment
metadata:
  name: nfs-provisioner
spec:
  replicas: 1
  strategy:
    type: Recreate
  template:
    metadata:
      labels:
        app: nfs-provisioner
    spec:
      containers:
        - name: nfs-provisioner
          image: quay.io/kubernetes_incubator/nfs-provisioner:v1.0.8
          ports:
            - name: nfs
              containerPort: 2049
            - name: mountd
              containerPort: 20048
            - name: rpcbind
              containerPort: 111
            - name: rpcbind-udp
              containerPort: 111
              protocol: UDP
          securityContext:
            capabilities:
              add:
                - DAC_READ_SEARCH
                - SYS_RESOURCE
          args:
            # 定义提供者的名称，存储类通过此名称指定提供者
            - "-provisioner=nfs-provisioner"
          env:
            - name: POD_IP
              valueFrom:
                fieldRef:
                  fieldPath: status.podIP
            - name: SERVICE_NAME
              value: nfs-provisioner
            - name: POD_NAMESPACE
              valueFrom:
                fieldRef:
                  fieldPath: metadata.namespace
          imagePullPolicy: "IfNotPresent"
          volumeMounts:
            - name: export-volume
              mountPath: /export
      volumes:
        - name: export-volume
          hostPath:
            path: /srv

在设置好deploy/kubernetes/deployment.yaml文件后，通过kubectl create命令在Kubernetes集群中部署nfs-provisioner。、

kubectl create -f {path}/deployment.yaml

5.2 创建StorageClass

下面是example-nfs的StorageClass配置文件，此配置文件定义了一个名称为nfs-storageclass的存储类，此存储类的提供者为nfs-provisioner。

apiVersion: storage.k8s.io/v1
kind: StorageClass
metadata:
  name: nfs-storageclass
  provisioner: nfs-provisioner

通过kubectl create -f命令使用上面的配置文件创建：

kubectl create -f deploy/kubernetes/class.yaml

storageclass “example-nfs” created

在存储类被正确创建后，就可以创建PersistenetVolumeClaim来请求StorageClass，而StorageClass将会为PersistenetVolumeClaim自动创建一个可用PersistentVolume。

5.3 创建PersistenetVolumeClaim

PersistenetVolumeClaim是对PersistenetVolume的声明，即PersistenetVolume为存储的提供者，而PersistenetVolumeClaim为存储的消费者。下面是PersistentVolumeClaim的YAML配置文件，此配置文件通过metadata.annotations[].volume.beta.kubernetes.io/storage-class字段指定所使用的存储储类。

在此配置文件中，使用nfs-storageclass存储类为PersistenetVolumeClaim创建PersistenetVolume，所要求的PersistenetVolume存储空间大小为1Mi，可以被多个容器进行读取和写入操作。

apiVersion: v1
kind: PersistentVolumeClaim
metadata:
  name: nfs-pvc
  annotations:
    volume.beta.kubernetes.io/storage-class: "nfs-storageclass"
spec:
  accessModes:
  - ReadWriteMany
  resources:
    requests:
      storage: 1Mi

通过kubectl create命令创建上述的持久化存储卷声明：

kubectl create -f {path}/claim.yaml

5.4 创建使用PersistenVolumeClaim的部署

在这里定义名为busybox-deployment的部署YAML配置文件，使用的镜像为busybox。基于busybox镜像的容器需要对/mnt目录下的数据进行持久化，在YAML文件指定使用名称为nfs的PersistenVolumeClaim对容器的数据进行持久化。

# This mounts the nfs volume claim into /mnt and continuously
# overwrites /mnt/index.html with the time and hostname of the pod. 
apiVersion: v1
kind: Deployment
metadata:  
  name: busybox-deployment
spec:  
  replicas: 2  
  selector:    
    name: busybox-deployment
  template:    
    metadata:      
      labels:        
        name: busybox-deployment    
    spec:      
      containers:      
      - image: busybox        
        command:          
        - sh          
        - -c          
        - 'while true; do date > /mnt/index.html; hostname >> /mnt/index.html; sleep $(($RANDOM % 5 + 5)); done'        
        imagePullPolicy: IfNotPresent        
        name: busybox        
        volumeMounts:          
        # name must match the volume name below          
        - name: nfs            
          mountPath: "/mnt"     
     # 
     volumes:      
     - name: nfs        
       persistentVolumeClaim:          
         claimName: nfs-pvc

通过kubectl create创建busy-deployment部署：

kubectl create -f {path}/nfs-busybox-deployment.yaml