11.Statefulset控制器

StatefulSet是为了管理有状态服务的问题而设计的

• 有状态服务
  StatefulSet是有状态的集合，管理有状态的服务，它所管理的Pod的名称不能随意变化。数据持久化的目录也是不一样，每一个Pod都有自己独有的数据持久化存储目录。比如MySQL主从、redis集群等。

• 无状态服务
  RC、Deployment、DaemonSet都是管理无状态的服务，它们所管理的Pod的IP、名字，启停顺序等都是随机的。个体对整体无影响，所有pod都是共用一个数据卷的，部署的tomcat就是无状态的服务，tomcat被删除，在启动一个新的tomcat，加入到集群即可，跟tomcat的名字无关。

• 组成部份

  • Headless Service：用来定义pod网路标识，生成可解析的DNS记录
  • volumeClaimTemplates：存储卷申请模板，创建pvc，指定pvc名称大小，自动创建pvc，且pvc由存储类供应。
  • StatefulSet：管理pod的

扩展：什么是Headless service?
Headless service不分配clusterIP，headless service可以通过解析service的DNS,返回所有Pod的dns和ip地址 (statefulSet部署的Pod才有DNS)，普通的service,只能通过解析service的DNS返回service的ClusterIP。

为什么要用headless service（没有service ip的service）？
在使用Deployment时，创建的Pod名称是没有顺序的，是随机字符串，在用statefulset管理pod时要求pod名称必须是有序的 ，每一个pod不能被随意取代，pod重建后pod名称还是一样的。因为pod IP是变化的，所以要用Pod名称来识别。pod名称是pod唯一性的标识符，必须持久稳定有效。这时候要用到无头服务，它可以给每个Pod一个唯一的名称。

1. headless service会为service分配一个域名

<service name>.$<namespace name>.svc.cluster.local

K8s中资源的全局FQDN格式:

Service_NAME.NameSpace_NAME.Domain.LTD.
Domain.LTD.=svc.cluster.local.　　　　 #这是默认k8s集群的域名。

FQDN 全称 Fully Qualified Domain Name 即全限定域名：同时带有主机名和域名的名称
FQDN = Hostname + DomainName
如 主机名是
域名是 baidu.com
FQDN= .baidu.com

2. StatefulSet会为关联的Pod保持一个不变的Pod Name

statefulset中Pod的名字格式为$(StatefulSet name)-$(pod序号)

3. StatefulSet会为关联的Pod分配一个dnsName

$<Pod Name>.$<service name>.$<namespace name>.svc.cluster.local

为什么要用volumeClaimTemplate？
对于有状态应用都会用到持久化存储，比如mysql主从，由于主从数据库的数据是不能存放在一个目录下的，每个mysql节点都需要有自己独立的存储空间。而在deployment中创建的存储卷是一个共享的存储卷，多个pod使用同一个存储卷，它们数据是同步的，而statefulset定义中的每一个pod都不能使用同一个存储卷，这就需要使用volumeClainTemplate，当在使用statefulset创建pod时，volumeClainTemplate会自动生成一个PVC，从而请求绑定一个PV，每一个pod都有自己专用的存储卷。Pod、PVC和PV对应的关系图如下：

Statefulset资源清单

[root@master1 ~]# kubectl explain statefulset
KIND:     StatefulSet
VERSION:  apps/v1
DESCRIPTION:
     StatefulSet represents a set of pods with consistent identities. Identities
     are defined as:
     - Network: A single stable DNS and hostname.
     - Storage: As many VolumeClaims as requested. The StatefulSet guarantees
     that a given network identity will always map to the same storage identity.
FIELDS:
   apiVersion	<string> #定义statefulset资源需要使用的api版本
   kind	<string>          #定义的资源类型
   metadata	<Object>     #元数据
   spec	<Object>          #定义容器相关的信息

查看statefulset.spec字段如何定义？

[root@master1 ~]# kubectl explain statefulset.spec
KIND:     StatefulSet
VERSION:  apps/v1
RESOURCE: spec <Object>
DESCRIPTION:
     Spec defines the desired identities of pods in this set.
     A StatefulSetSpec is the specification of a StatefulSet.
FIELDS:
   podManagementPolicy	<string> #pod管理策略
   replicas	<integer>  #副本数
   revisionHistoryLimit	<integer> #保留的历史版本
   selector	<Object> -required- #标签选择器，选择它所关联的pod
   serviceName	<string> -required-  #headless service的名字
   template	<Object> -required-     #生成pod的模板
   updateStrategy	<Object>   #更新策略
   volumeClaimTemplates	<[]Object> #存储卷申请模板

查看statefulset的spec.template字段如何定义？
对于template而言，其内部定义的就是pod，pod模板是一个独立的对象

[root@master1 ~]# kubectl explain statefulset.spec.template
KIND:     StatefulSet
VERSION:  apps/v1
RESOURCE: template <Object>
DESCRIPTION:
     template is the object that describes the pod that will be created if
     insufficient replicas are detected. Each pod stamped out by the StatefulSet
     will fulfill this Template, but have a unique identity from the rest of the
     StatefulSet.
     PodTemplateSpec describes the data a pod should have when created from a
     template
FIELDS:
   metadata	<Object>
   spec	<Object>  #定义容器属性的

通过上面可以看到，statefulset资源中有两个spec字段。第一个spec声明的是statefulset定义多少个Pod副本（默认将仅部署1个Pod）、匹配Pod标签的选择器、创建pod的模板、存储卷申请模板，第二个spec是spec.template.spec：主要用于Pod里的容器属性等配置。
.spec.template里的内容是声明Pod对象时要定义的各种属性，所以这部分也叫做PodTemplate（Pod模板）。还有一个值得注意的地方是：在.spec.selector中定义的标签选择器必须能够匹配到spec.template.metadata.labels里定义的Pod标签，否则Kubernetes将不允许创建statefulset。

Statefulset使用案例：部署web站点

创建存储类

[root@master1 ~]# cat class-web.yaml
apiVersion: storage.k8s.io/v1
kind: StorageClass
metadata:
  name: nfs-web
provisioner: example.com/nfs

更新资源清单文件

[root@master1 ~]# kubectl apply -f class-web.yaml

编写一个Statefulset资源清单文件 statefulset.yaml

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: nginx
  labels:
     app: nginx
spec:
  ports:
  - port: 80
    name: web
  clusterIP: None
  selector:
    app: nginx
---
apiVersion: apps/v1
kind: StatefulSet
metadata:
  name: web
spec:
  selector:
    matchLabels:
      app: nginx
  serviceName: "nginx"
  replicas: 2
  template:
    metadata:
     labels:
       app: nginx
    spec:
      containers:
      - name: nginx
        image: nginx
        ports:
        - containerPort: 80
          name: web
        volumeMounts:
        - name: www
          mountPath: /usr/share/nginx/html
  volumeClaimTemplates:
  - metadata:
      name: www
    spec:
      accessModes: ["ReadWriteOnce"]
      storageClassName: "nfs-web"
      resources:
        requests:
          storage: 1Gi

更新资源清单文件

[root@master1 ~]# kubectl apply -f statefulset.yaml 
service/nginx created
statefulset.apps/web created

查看statefulset是否创建成功

[root@master1 ~]# kubectl get statefulset
NAME   READY   AGE
web      2/2      42s

查看pod

[root@master1 ~]# kubectl get pods -l app=nginx
NAME    READY   STATUS    RESTARTS   AGE
web-0   1/1     Running   0          2m17s
web-1   1/1     Running   0          115s

通过上面可以看到创建的pod是有序的
查看headless service

[root@master1 ~]# kubectl get svc -l app=nginx
NAME    TYPE        CLUSTER-IP   EXTERNAL-IP   PORT(S)   AGE
nginx    ClusterIP      None         <none>        80/TCP    3m19s

查看pvc

[root@master1 ~]# kubectl get pvc
[root@master1 statefulset]# kubectl get pvc
NAME          STATUS   VOLUME                                     CAPACITY   ACCESS MODES   STORAGECLASS   AGE
www-web-0     Bound    pvc-39a9755f-3248-49ff-8f9e-5b068b609c8f   1Gi        RWO,RWX        nfs-web        7m45s
www-web-1     Bound    pvc-be93d4a3-1aca-44cc-802f-ddeb38c05018   1Gi        RWO,RWX        nfs-web        7m41s

查看pv

[root@master1 ~]# kubectl get pv
[root@master1 statefulset]# kubectl get pv
NAME                                       CAPACITY   ACCESS MODES   RECLAIM POLICY   STATUS      CLAIM                 STORAGECLASS   REASON   AGE
pvc-39a9755f-3248-49ff-8f9e-5b068b609c8f   1Gi        RWO,RWX        Delete           Bound       default/www-web-0     nfs-web                 8m3s
pvc-be93d4a3-1aca-44cc-802f-ddeb38c05018   1Gi        RWO,RWX        Delete           Bound       default/www-web-1     nfs-web                 7m59s

查看pod主机名

[root@master1 ~]# for i in 0 1; do kubectl exec web-$i -- sh -c 'hostname';done 
web-0
web-1

使用kubectl run运行一个提供nslookup命令的容器的，这个命令来自于dnsutils包，通过对pod主机名执行nslookup，可以检查它们在集群内部的DNS地址：

[root@master1 ~]# kubectl exec -it web-1 -- /bin/bash
root@web-1:/# apt-get update
root@web-1:/# apt-get install dnsutils -y

root@web-1:/# nslookup web-0.nginx.default.svc.cluster.local  
Server:		10.96.0.10
Address:	10.96.0.10#53
Name:	web-0.nginx.default.svc.cluster.local 

#statefulset创建的pod也是有dns记录的
Address: 10.244.209.154  #解析的是pod的ip地址

root@web-1:/# nslookup nginx.default.svc.cluster.local
Server:		10.96.0.10
Address:	10.96.0.10#53

Name:	nginx.default.svc.cluster.local  #查询service dns，会把对应的pod ip解析出来
Address: 10.244.209.139

Name:	nginx.default.svc.cluster.local
Address: 10.244.209.140

root@web-1:/# dig -t A nginx.default.svc.cluster.local @10.96.0.10
; <<>> DiG 9.11.5-P4-5.1+deb10u3-Debian <<>> -t A nginx.default.svc.cluster.local @10.96.0.10
;; global options: +cmd
;; Got answer:
;; WARNING: .local is reserved for Multicast DNS
;; You are currently testing what happens when an mDNS query is leaked to DNS
;; ->>HEADER<<- opcode: QUERY, status: NOERROR, id: 27207
;; flags: qr aa rd; QUERY: 1, ANSWER: 2, AUTHORITY: 0, ADDITIONAL: 1
;; WARNING: recursion requested but not available

;; OPT PSEUDOSECTION:
; EDNS: version: 0, flags:; udp: 4096
; COOKIE: f2f17492cf38ad44 (echoed)
;; QUESTION SECTION:
;nginx.default.svc.cluster.local. IN	A

;; ANSWER SECTION:
nginx.default.svc.cluster.local. 30 IN	A	10.244.209.139
nginx.default.svc.cluster.local. 30 IN	A	10.244.209.140

;; Query time: 0 msec
;; SERVER: 10.96.0.10#53(10.96.0.10)
;; WHEN: Fri Apr 09 15:10:40 UTC 2021
;; MSG SIZE  rcvd: 166

dig的使用

dig -t A nginx.default.svc.cluster.local @10.96.0.10
格式如下：  
@来指定域名服务器 
A 为解析类型 ，A记录
-t 指定要解析的类型 

A记录：
　 A记录是解析域名到IP

资源清单详细解读：

apiVersion: v1  #定义api版本
kind: Service   #定义要创建的资源：service
metadata: 
  name: nginx   #定义service的名字
  labels:
     app: nginx  #service的标签
spec:
  ports:
  - port: 80
    name: web
  clusterIP: None  #创建一个没有ip的service
  selector:
    app: nginx     #选择拥有app=nginx标签的pod
---
apiVersion: apps/v1
kind: StatefulSet
metadata: 
  name: web
spec:
  selector:
    matchLabels:
      app: nginx
  serviceName: "nginx"  #headless service的名字
  replicas: 2              #副本数
  template:              #定义pod的模板
    metadata: 
     labels:
       app: nginx
    spec: 
      containers:
      - name: nginx
        image: nginx
        imagePullPolicy: IfNotPresent
        ports:
        - containerPort: 80
          name: web
        volumeMounts:
        - name: www
          mountPath: /usr/share/nginx/html
  volumeClaimTemplates:     #存储卷申请模板
  - metadata:
      name: www
    spec:
      accessModes: ["ReadWriteOnce"]
storageClassName: "nfs-web"  #指定从哪个存储类申请pv
      resources:
        requests: 
          storage: 1Gi   #需要1G的pvc，会自动跟符合条件的pv绑定 

扩展：
举例说明service 和headless service区别：
1、通过deployment创建pod，pod前端创建一个service
deploy-service.yaml

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: my-nginx
  labels:
    run: my-nginx
spec:
  type: ClusterIP
  ports:
  - port: 80   #service的端口，暴露给k8s集群内部服务访问
    protocol: TCP
    targetPort: 80    #pod容器中定义的端口
  selector:
    run: my-nginx  #选择拥有run=my-nginx标签的pod
---
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: my-nginx
spec:
  selector:
    matchLabels:
      run: my-nginx
  replicas: 2
  template:
    metadata:
      labels:
        run: my-nginx
    spec:
      containers:
      - name: my-nginx
        image: busybox
        imagePullPolicy: IfNotPresent
        ports:
        - containerPort: 80
        command:
          - sleep
          - "3600"

更新资源清单文件

[root@master1 ~]# kubectl apply -f deploy-service.yaml

查看service

[root@master1 ~]# kubectl get svc -l run=my-nginx
NAME       TYPE        CLUSTER-IP     EXTERNAL-IP   PORT(S)
my-nginx   ClusterIP     10.100.89.90   <none>        80/TCP

查看pod

[root@master1 ~]# kubectl get pods -l run=my-nginx
NAME                        READY   STATUS    RESTARTS   AGE
my-nginx-58f74fc5b6-jzbvk   1/1     Running   0          70s
my-nginx-58f74fc5b6-n9lqv   1/1     Running   0          53s  

通过上面可以看到deployment创建的pod是随机生成的
进入到web-1的pod

[root@master1 ~]# kubectl exec -it web-1 -- /bin/bash
root@web-1:/# nslookup my-nginx.default.svc.cluster.local
Server:		10.96.0.10
Address:	10.96.0.10#53

Name:	my-nginx.default.svc.cluster.local
Address: 10.100.89.90   #解析的是service的ip地址

Statefulset管理pod：扩容、缩容、更新

Statefulset实现pod的动态扩容,如果我们觉得两个副本太少了，想要增加，只需要修改配置文件statefulset.yaml里的replicas的值即可，原来replicas: 2，现在变成replicaset: 3，修改之后，执行如下命令更新：

[root@master1 ~]# kubectl apply -f statefulset.yaml 
service/nginx unchanged
statefulset.apps/web configured
[root@master1 ~]# kubectl get sts
NAME   READY   AGE
web    3/3     60m
      [root@master1 ~]# kubectl get pods -l app=nginx
NAME    READY   STATUS    RESTARTS   AGE
web-0   1/1     Running   0          61m
web-1   1/1     Running   0          60m
web-2   1/1     Running   0          79s

也可以直接编辑控制器实现扩容

[root@master1 ~]# kubectl edit sts web
#这个是我们把请求提交给了apiserver，实时修改

把上面的spec下的replicas 后面的值改成4，保存退出

[root@master1 ~]#  kubectl get pods -l app=nginx
NAME    READY   STATUS    RESTARTS   AGE
web-0   1/1     Running   0          62m
web-1   1/1     Running   0          62m
web-2   1/1     Running   0          3m13s
web-3   1/1     Running   0          26s

Statefulset实现pod的动态缩容, 如果我们觉得4个Pod副本太多了，想要减少，只需要修改配置文件statefulset.yaml里的replicas的值即可，把replicaset：4变成replicas: 2，修改之后，执行如下命令更新：

[root@master1 ~]# kubectl apply -f statefulset.yaml
service/nginx unchanged
statefulset.apps/web configured
[root@master1 ~]#  kubectl get pods -l app=nginx
NAME    READY   STATUS    RESTARTS   AGE
web-0   1/1     Running   0          64m
web-1   1/1     Running   0          64m

Statefulset实现pod的更新

[root@master1 ~]# kubectl edit sts web
#修改镜像nginx变成- image: ikubernetes/myapp:v2，修改之后保存退出  
[root@master1 ~]# kubectl get pods -o wide -l app=nginx
NAME    READY   STATUS    RESTARTS   AGE   IP               NODE       NOMINATED NODE   READINESS GATES
web-0   1/1     Running   0          18s   10.244.209.156   node1   
web-1   1/1     Running   0          36s   10.244.187.115   node2
#查看pod详细信息
[root@master1 ~]# kubectl describe pods web-0

通过上面可以看到pod已经使用刚才更新的镜像ikubernetes/myapp:v2了