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【K8S系列】深入解析有状态服务

序言

在你想要放弃的时候,想想是什么让你当初坚持走到了这里。

Kubernetes (k8s) 是一个容器编排平台,允许在容器中运行应用程序和服务。今天学习一下有状态服务。

有状态服务是一种特殊类型的服务,它们需要保持数据的状态,以确保可靠性和一致性。在 Kubernetes 中,有状态服务通常是指需要持久化数据存储的服务,如数据库服务。

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1 基本介绍

在 Kubernetes 中,有状态服务可以使用 StatefulSet 来进行部署和管理。

StatefulSet 可以确保有状态服务的有序部署和缩放,并在节点失败时自动重新启动实例。

与 Deployment 不同,StatefulSet 提供了稳定的网络标识符和稳定的存储卷名称,以确保有状态服务在重新调度后仍能够保持其身份和数据。

以下是有状态服务在 Kubernetes 中的一些重要概念和实践:

  1. Headless Service:Headless Service 是一种没有 Cluster IP 的 Service,它提供了一个稳定的 DNS 记录,以便有状态服务可以通过 DNS 查找彼此。Headless Service 通常与 StatefulSet 配合使用,以确保每个 Pod 都有唯一的 DNS 记录和稳定的网络标识符。
  2. PersistentVolume:PersistentVolume 是一种 Kubernetes 资源,它表示一个持久化存储卷。有状态服务通常使用 PersistentVolume 来持久化存储数据。
  3. StatefulSet:StatefulSet 是一种 Kubernetes 资源,用于部署有状态服务。StatefulSet 可以确保有序部署和缩放,并在节点故障时自动重新启动实例。StatefulSet 还提供了稳定的网络标识符和稳定的存储卷名称,以确保有状态服务在重新调度后仍能够保持其身份和数据。
  4. Init Containers:Init Containers 是一种特殊类型的容器,它们在应用程序容器启动之前运行,并可以执行一些初始化任务,例如创建数据库或检查数据完整性。有状态服务通常使用 Init Containers 来进行一些必要的初始化操作。

总之,在 Kubernetes 中管理有状态服务需要使用一些特定的概念和实践,例如 Headless Service、PersistentVolume、StatefulSet 和 Init Containers。

这些工具和实践可以确保有状态服务的可靠性和一致性,并使其在节点故障和重新调度时能够正确地恢复和保持状态。

2 使用介绍

2.1 Headless Service

Headless Service 是 Kubernetes 中的一种服务类型,它不会分配 Cluster IP,并且不会进行负载均衡。

相反,它返回与服务中的每个端点相对应的 DNS 记录,这些记录可以用于直接访问这些端点。

Headless Service 通常用于需要直接与 Pod 进行通信的情况,例如 StatefulSet。

下面是一个使用 Headless Service 的示例代码:

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: my-headless-service # 
spec:
  clusterIP: None
  selector:
    app: my-app
  ports:
    - name: http
      port: 80
      targetPort: 8080
---
apiVersion: apps/v1
kind: StatefulSet
metadata:
  name: my-statefulset
spec:
  serviceName: my-headless-service
  replicas: 3
  selector:
    matchLabels:
      app: my-app
  template:
    metadata:
      labels:
        app: my-app
    spec:
      containers:
        - name: my-container
          image: my-image
          ports:
            - containerPort: 8080
          env:
            - name: MY_POD_NAME
              valueFrom:
                fieldRef:
                  fieldPath: metadata.name
  1. 在上述示例中,定义了一个 Headless Service,名为 my-headless-service,并将其设置为 clusterIP: None,这样它就不会分配 Cluster IP。
  2. 然后,定义了一个 StatefulSet,名为 my-statefulset,并指定了 serviceName: my-headless-service,这意味着 StatefulSet 将使用我们定义的 Headless Service。
  3. 还指定了 replicas: 3,这意味着我们将有三个 Pod。每个 Pod 包含一个名为 my-container 的容器,该容器使用名为 my-image 的映像,并公开端口 8080。
  4. 还将 MY_POD_NAME 环境变量设置为 Pod 的名称,以便容器可以使用该名称来识别自己。
  5. 这是一个基本的 Headless Service 示例,当访问服务时,它将返回每个 Pod 的 DNS 记录,可以使用这些记录来直接访问每个 Pod。

2.2 PersistentVolume

PersistentVolume (PV)是 Kubernetes 中的一种资源对象,用于将存储系统的抽象层提升到Kubernetes平台上

它提供了一种独立于 Pod 的方式来管理和使用存储资源,以使应用程序在不同的节点上运行时能够使用相同的存储资源,使得 Pod 可以在多个节点之间移动而不会丢失数据。

以下是一个使用 PersistentVolume 的示例:

PersistentVolume提供了一种抽象机制,用于将存储资源分配给应用程序,而无需关心底层存储系统的细节。

下面是一个PersistentVolume的示例:

apiVersion: v1
kind: PersistentVolume #资源类型
metadata:
  name: pv-nfs
spec:
  storageClassName: nfs-storage
  capacity:
    storage: 10Gi
  accessModes:
    - ReadWriteMany
  nfs:
    path: /mnt/data
    server: nfs.example.com

在这个示例中,创建了一个名为pv-nfs的PersistentVolume对象,它使用了nfs-storage存储类。

它有一个10GB的存储容量,可以同时被多个节点以读写方式访问。底层存储是一个NFS服务器,挂载点为/mnt/data。

接下来是一个使用PersistentVolume的示例Deployment:

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment #资源类型
metadata:
  name: nginx-deployment
spec:
  replicas: 3
  selector:
    matchLabels:
      app: nginx
  template:
    metadata:
      labels:
        app: nginx
    spec:
      volumes:
        - name: nginx-persistent-storage
          persistentVolumeClaim:
            claimName: nginx-pvc
      containers:
        - name: nginx
          image: nginx:latest
          ports:
            - containerPort: 80
          volumeMounts:
            - name: nginx-persistent-storage
              mountPath: /usr/share/nginx/html

在这个示例中,创建了一个名为nginx-deployment的Deployment对象,它有三个副本。

这个Deployment对象使用了一个名为nginx-pvc的PersistentVolumeClaim对象。

Deployment中的Pod可以通过名为nginx-persistent-storage的卷来访问该PersistentVolumeClaim。Pod中的容器使用了这个卷,并将它挂载到容器的/usr/share/nginx/html目录中。

最后,下面是一个PersistentVolumeClaim的示例:

apiVersion: v1
kind: PersistentVolumeClaim #资源类型
metadata:
  name: nginx-pvc
spec:
  storageClassName: nfs-storage
  accessModes:
    - ReadWriteMany
  resources:
    requests:
      storage: 10Gi

在这个示例中,创建了一个名为nginx-pvc的PersistentVolumeClaim对象,它使用了nfs-storage存储类。它请求10GB的存储空间,并且可以同时被多个节点以读写方式访问。

以上是PersistentVolume的示例和使用方式,通过这些示例,你可以了解到如何在Kubernetes中使用PersistentVolume资源对象。

2.3 StatefulSet

StatefulSet是Kubernetes中的一种资源对象,用于管理有状态应用程序的部署。与Deployment等其他部署对象不同,StatefulSet提供了有状态应用程序所需的唯一标识符和稳定的网络标识符。

以下是一个StatefulSet的示例,用于运行一个具有持久化存储的MySQL数据库。

apiVersion: apps/v1
kind: StatefulSet #资源类型
metadata:
  name: mysql
spec:
  serviceName: mysql
  replicas: 3
  selector:
    matchLabels:
      app: mysql
  template:
    metadata:
      labels:
        app: mysql
    spec:
      containers:
      - name: mysql
        image: mysql:5.7
        env:
        - name: MYSQL_ROOT_PASSWORD
          value: "password"
        ports:
        - containerPort: 3306
        volumeMounts:
        - name: mysql-persistent-storage
          mountPath: /var/lib/mysql
  volumeClaimTemplates:
  - metadata:
      name: mysql-persistent-storage
    spec:
      accessModes: [ "ReadWriteOnce" ]
      resources:
        requests:
          storage: 10Gi

让我们逐个解释上面的代码:

  • apiVersion:指定使用的Kubernetes API版本。
  • kind:指定要创建的资源类型。
  • metadata.name:为StatefulSet指定唯一的名称。
  • spec.serviceName:为StatefulSet中所有Pods指定唯一的服务名称,以便其他应用程序可以通过DNS解析器访问它们。
  • spec.replicas:指定要创建的Pod副本数。
  • spec.selector:指定要部署的Pod的标签。
  • spec.template:为要部署的Pod定义一个模板。
  • spec.template.metadata.labels:为Pod定义标签,这些标签将用于将Pod与StatefulSet相关联。
  • spec.template.spec.containers:为要部署的容器定义一个列表。
  • spec.template.spec.containers.name:为容器指定一个名称。
  • spec.template.spec.containers.image:指定要使用的容器映像。
  • spec.template.spec.containers.env:定义容器的环境变量。
  • spec.template.spec.containers.ports:为容器指定要公开的端口。
  • spec.template.spec.containers.volumeMounts:定义要将持久卷挂载到容器的路径。
  • volumeClaimTemplates:为每个Pod创建一个持久卷声明,这些声明将指向上面定义的PersistentVolumeClaim(PVC)。

总的来说,以上示例中定义了一个MySQL StatefulSet,它包括3个Pods,每个Pod都挂载了一个10GB的持久卷,用于存储MySQL数据库。这些Pods具有唯一的名称(例如,mysql-0,mysql-1,mysql-2),并具有稳定的网络标识符(例如,mysql-0.mysql,mysql-1.mysql,mysql-2.mysql),使它们可以轻松地与其他应用程序进行通信。

2.4 Init Containers

Kubernetes (k8s) Init Containers是一种特殊类型的容器,它们用于在Pod中的主容器启动之前执行一些初始化任务。这些初始化任务可以包括预装软件、下载数据、初始化数据库等操作。

Init Containers会按照定义的顺序运行,并且只有在每个Init容器完成其任务后才会继续启动主容器。

这使得Kubernetes可以更好地控制和管理容器应用程序的生命周期和依赖关系。

下面是一个Init容器的示例定义:

apiVersion: v1
kind: Pod #资源类型
metadata:
  name: mypod
spec:
  containers:
    - name: main-container
      image: nginx:latest
  initContainers:
    - name: init-myservice
      image: busybox:latest
      command: ['sh', '-c', 'until nslookup myservice; do echo waiting for myservice; sleep 2; done;']

在这个示例中,定义了一个Pod,其中包含一个名为

main-container

的容器和一个名为

init-myservice

的Init容器。

Init容器使用busybox镜像,并使用命令

nslookup

检查名为

myservice

的服务是否可以解析。

如果它无法解析,它将等待2秒钟并重试,直到成功为止。一旦Init容器完成它的任务,Kubernetes将继续启动主容器。

Init容器的代码示例如下:

apiVersion: v1
kind: Pod #资源类型
metadata:
  name: mypod
spec:
  initContainers:
    - name: init-myservice
      image: busybox:latest
      command: ['sh', '-c', 'until nslookup myservice; do echo waiting for myservice; sleep 2; done;']
    - name: init-mydbservice
      image: busybox:latest
      command: ['sh', '-c', 'until nc -zv mydb 3306; do echo waiting for mydb; sleep 2; done;']
  containers:
    - name: main-container
      image: nginx:latest

在这个示例中,定义了两个Init容器:

init-myservice

init-mydbservice

  • 第一个容器检查是否可以解析myservice服务,
  • 第二个容器检查是否可以连接到mydb数据库的3306端口。

一旦两个Init容器都完成它们的任务,Kubernetes将继续启动主容器。

3 问题

思考一下这几个问题:

  1. 什么是有状态服务?如何与无状态服务区分开来?
  2. 有哪些常见的有状态服务?它们的特点是什么?
  3. 如何在 Kubernetes 中管理有状态服务?
  4. 如何进行有状态服务的伸缩?
  5. 如何实现有状态服务的高可用性?
  6. 如何进行有状态服务的备份和恢复?
  7. 如何进行有状态服务的数据持久化?
  8. 如何进行有状态服务的版本控制和滚动升级?
  9. 如何进行有状态服务的监控和故障排查?
  10. 有没有使用过 StatefulSet,能介绍一下它的特点和用法?

下篇文章,会解答这几个问题。

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本文转载自: https://blog.csdn.net/weixin_36755535/article/details/129786843
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