Kubernetes StatefulSet

StatefulSet 简介

在Kubernetes中,Pod的管理对象RC、Deployment、DaemonSet和Job都是面向无状态的服务。但现实中有很多服务是有状态的,特别是一些复杂的中间件集群,例如MySQL集群、MongoDB集群、Akka集群、ZooKeeper集群等。

以上集群有几个共同点： 1.每个节点都有固定的身份ID,通过这个ID,集群中的成员可以互相发现并且通信 2.集群的规模是比较固定的,集群规模不能随意变动。 3.集群里的每个节点都是有状态的,通常会持久化数据到永久存储中 4.如果磁盘损坏,则集群里的某个节点无法正常运行,集群功能受损。

如果用RC/Deployment 控制Pod 副本数的方式来实现上述有状态的集群,则我们会发现第一点是无法满足的,因为Pod的名字是随机产生的,Pod的IP地址也是在运行期才确定且可能有变动的,我们事先无法为每个Pod确定唯一不变的ID。另外,为了能够在其他节点上恢复某个失败的节点,这种集群中的Pod 需要挂载某种共享存储,Kubernetes在1.4版本引入了PetSet这个新资源对象,在1.5更名为"StatefulSet"。StatefulSet 从本质来将,可以看作Deployment/RC 的一种特殊变种

StatefulSet 特点

StatefulSet特点：

1.StatefulSet 里的每个Pod都有稳定、唯一的网络表示,可以用来发现集群内的其他成员。(假设StatefulSet 的名字叫kafka,那么第一个Pod叫kafka-0,第二个Pod叫kafka-1以此类推) 2.StatefulSet 控制的Pod副本的启动顺序是受控制的,操作第n个Pod,前n-1个Pod已经是运行且准备好的状态 3.StatefulSet 里的Pod采用稳定的持久化存储卷,通过PV/PVC来实现,删除Pod时默认不会删除与StatefulSet相关的存储卷(为了保证数据的安全)

StatefulSet是为了解决有状态服务的问题（对应Deployment和Replica Set是为无状态服务而设计），其应用场景包括

• 稳定的持久化存储，即Pod重新调度后还是能访问到相同的持久化数据，基于PVC来实现
• 稳定的网络标志，即Pod重新调度后其PodName和HostName不变，基于Headless Service（即没有Cluster IP的Service）来实现
• 有序部署，有序扩展，即Pod是有顺序的，在部署或者扩展的时候要依据定义的顺序依次依次进行（即从0到N-1，在下一个Pod运行之前所有之前的Pod必须都是Running和Ready状态），基于init containers来实现
• 有序收缩，有序删除（即从N-1到0

从上面的应用场景可以发现，StatefulSet由以下几个部分组成：

• 用于定义网络标志（DNS domain）的Headless Service
• 用于创建PersistentVolumes的volumeClaimTemplates
• 定义具体应用的StatefulSet

StatefulSet 原理

StatefulSet由Service和volumeClaimTemplates组成。Service中的多个Pod将会被分别编号，并挂载volumeClaimTemplates中声明的PV。

注意： 官方提示StatefulSets在1.9中是稳定的

案例：K8s企业实践使用storageclass实现动态存储

StatefulSet 除了要与PV卷捆绑使用以存储Pod的状态数据,还要与Headless Service配合使用,在每个StatfulSet的定义中要声明它属于哪个Headless Service.Headless Service 与普通Service的关键区别在于, Headless Service它没有Cluster IP,如果解析Headless Service的DNS域名,则返回的是该Service对应的全部Pod的Endpoint列表。

StatefulSet在Headless Service的基础上又为StatefulSet控制的每个Pod实力创建了一个DNS域名,这个域名的格式为： ${podname}.${headless service name}

比如一个3节点的Kafka的StatefulSet集群,对应的Headless Service的名字为kafka,StatefulSet的名字为kafka,则StatefulSet 里面的3个Pod的DNS分别为kafka-0.kafka、kafka-1.kafka、kafka-3.kafka,这些DNS名称可以直接在集群的配置文件中固定下来。

简单点说：没有部署HeadlessService的话，PetSet/StatefulSet下的pod，无法通过域名进行访问。

实例演示

官方演示地址 首先使用以下示例创建StatefulSet以一个简单的nginx服务web.yaml为例

StatefulSet注意事项

• 还在beta状态，需要kubernetes v1.5版本以上才支持
• 所有Pod的Volume必须使用PersistentVolume或者是管理员事先创建好
• 为了保证数据安全，删除StatefulSet时不会删除Volume
• StatefulSet需要一个Headless Service来定义DNS domain，需要在StatefulSet之前创建好
• 目前StatefulSet还没有feature complete，比如更新操作还需要手动patch。

案例开始

application/web/web.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:
  serviceName: "nginx"
  replicas: 2
  selector:
    matchLabels:
      app: nginx
  template:
    metadata:
      labels:
        app: nginx
    spec:
      containers:
      - name: nginx
        image: k8s.gcr.io/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

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

# 查看创建的headless service和statefulset
$ kubectl get service nginx
NAME      CLUSTER-IP   EXTERNAL-IP   PORT(S)   AGE
nginx     None         <none>        80/TCP    1m
$ kubectl get statefulset web
NAME      DESIRED   CURRENT   AGE
web       2         2         2m

# 根据volumeClaimTemplates自动创建PVC（在GCE中会自动创建kubernetes.io/gce-pd类型的volume）
$ kubectl get pvc
NAME        STATUS    VOLUME                                     CAPACITY   ACCESSMODES   AGE
www-web-0   Bound     pvc-d064a004-d8d4-11e6-b521-42010a800002   1Gi        RWO           16s
www-web-1   Bound     pvc-d06a3946-d8d4-11e6-b521-42010a800002   1Gi        RWO           16s

# 查看创建的Pod，他们都是有序的
$ kubectl get pods -l app=nginx
NAME      READY     STATUS    RESTARTS   AGE
web-0     1/1       Running   0          5m
web-1     1/1       Running   0          4m

# 使用nslookup查看这些Pod的DNS
$ 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: 10.244.2.10
/ # 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: 10.244.3.12
/ # nslookup web-0.nginx.default.svc.cluster.local
Server:    10.0.0.10
Address 1: 10.0.0.10 kube-dns.kube-system.svc.cluster.local

Name:      web-0.nginx.default.svc.cluster.local
Address 1: 10.244.2.10

Statefulset 扩容与缩容

# 扩容
$ kubectl scale statefulset web --replicas=5

# 缩容
$ kubectl patch statefulset web -p '{"spec":{"replicas":3}}'

# 镜像更新（目前还不支持直接更新image，需要patch来间接实现）
$ kubectl patch statefulset web --type='json' -p='[{"op": "replace", "path": "/spec/template/spec/containers/0/image", "value":"gcr.io/google_containers/nginx-slim:0.7"}]'

# 删除StatefulSet和Headless Service
$ kubectl delete statefulset web
$ kubectl delete service nginx

# StatefulSet删除后PVC还会保留着，数据不再使用的话也需要删除
$ kubectl delete pvc www-web-0 www-web-1