Kubernetes有状态应用管理——PetSet

目录贴：Kubernetes学习系列

1、介绍

　　在Kubernetes中，大多数的Pod管理都是基于无状态、一次性的理念。例如Replication Controller，它只是简单的保证可提供服务的Pod数量。如果一个Pod被认定为不健康的，Kubernetes就会以对待牲畜的态度对待这个Pod——删掉、重建。相比于牲畜应用，PetSet（宠物应用），是由一组有状态的Pod组成，每个Pod有自己特殊且不可改变的ID，且每个Pod中都有自己独一无二、不能删除的数据。

　　众所周知，相比于无状态应用的管理，有状态应用的管理是非常困难的。有状态的应用需要固定的ID、有自己内部可不见的通信逻辑、特别容器出现剧烈波动等。传统意义上，对有状态应用的管理一般思路都是：固定机器、静态IP、持久化存储等。Kubernetes利用PetSet这个资源，弱化有状态Pet与具体物理设施之间的关联。一个PetSet能够保证在任意时刻，都有固定数量的Pet在运行，且每个Pet都有自己唯一的身份。一个“有身份”的Pet指的是该Pet中的Pod包含如下特性：

　　　　1)        静态存储；

　　　　2)        有固定的主机名，且DNS可寻址（稳定的网络身份，这是通过一种叫 Headless Service 的特殊Service来实现的。 和普通Service相比，Headless Service没有Cluster IP，用于为一个集群内部的每个成员提供一个唯一的DNS名字，用于集群内部成员之间通信 。）;

　　　　3)        一个有序的index（比如PetSet的名字叫mysql，那么第一个启起来的Pet就叫mysql-0，第二个叫mysql-1，如此下去。当一个Pet down掉后，新创建的Pet会被赋予跟原来Pet一样的名字，通过这个名字就能匹配到原来的存储，实现状态保存。）

　　应用举例：

　　　　1)        数据库应用，如Mysql、PostgreSQL，需要一个固定的ID（用于数据同步）以及外挂一块NFS Volume（持久化存储）。

　　　　2)        集群软件，如zookeeper、Etcd，需要固定的成员关系。

2、使用限制

　　　　1)        1.4新加功能，1.3及之前版本不可用；

　　　　2)        DNS，要求使用1.4或1.4之后的DNS插件，1.4之前的插件只能解析Service对应的IP，无法解析Pod（HostName）对应的域名；

　　　　3)        日常运维，对于PetSet，唯一能够更改的就是replicas；

　　　　4)        需要持久化数据卷（PV，若为nfs这种无法通过调用API来创建存储的网络存储，数据卷要在创建PetSet之前静态创建；若为aws-ebs、vSphere、openstack Cinder这种可以通过API调用来动态创建存储的虚拟存储，数据卷除了可以通过静态的方式创建以外，还可以通过StorageClass进行动态创建。需要注意的是，动态创建出来的PV，默认的回收策略是delete，及在删除数据的同时，还会把虚拟存储卷删除）；

　　　　5)        删除或缩容PetSet不会删除对应的持久化数据卷，这么做是处于数据安全性的考虑；

　　　　6)        只能通过手动的方式升级PetSet。

3、PetSet示例

　　以下示例演示了创建两个PV，创建两个PetSet的过程。在PetSet创建完成之后，验证了其hostName及直接Pod访问。

3.1 创建PV

　　创建PV的时候，我两个PV选择了同一个NFS server，创建也是成功的。Kubernetes在创建PV的时候并不会校验NFS server是否存在，是否能够连接成功，也不会校验storage设置的大小是否真实。所以说，PV的创建需要管理员在一开始就设置好，依赖人为的校验。

[root@k8s-master pv]# cat nfs-pv.yaml
apiVersion: v1
kind: PersistentVolume
metadata:
  name: pv0001
spec:
  capacity:
    storage: 5Gi
  accessModes:
    - ReadWriteMany
  persistentVolumeReclaimPolicy: Recycle
  nfs:
    path: "/data/disk1"
    server: 192.168.20.47
    readOnly: false
[root@k8s-master pv]# cat nfs-pv2.yaml
apiVersion: v1
kind: PersistentVolume
metadata:
  name: pv0002
spec:
  capacity:
    storage: 5Gi
  accessModes:
    - ReadWriteMany
  persistentVolumeReclaimPolicy: Recycle
  nfs:
    path: "/data/disk1"
    server: 192.168.20.47
    readOnly: false
[root@k8s-master pv]# kubectl create -f nfs-pv.yaml
persistentvolume "pv0001" created
[root@k8s-master pv]# kubectl create -f nfs-pv2.yaml
persistentvolume "pv0002" created
[root@k8s-master pv]# kubectl get pv
NAME      CAPACITY   ACCESSMODES   RECLAIMPOLICY   STATUS      CLAIM     REASON    AGE
pv0001    5Gi        RWX           Recycle         Available                       8s
pv0002    5Gi        RWX           Recycle         Available                       5s

3.2 创建PetSet

　　创建PetSet的时候需要先创建一个“headless”的Service，即service显示的将ClusterIP设置为none。而用户可以通过直接访问PetSet中的Pod的IP（通过Pod的HostName解析得到），来访问后端的服务的。Kubernetes在1.4之后的dns插件之上才支持这种类型的DNS解析

[root@k8s-master pv]# cd ../petset/
[root@k8s-master petset]# cat test-petset.yaml
# A headless service to create DNS records
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: nginx
  labels:
    app: nginx
spec:
  ports:
  - port:
    name: web
  # *.nginx.default.svc.cluster.local
  clusterIP: None
  selector:
    app: nginx
---
apiVersion: apps/v1alpha1
kind: PetSet
metadata:
  name: web
spec:
  serviceName: "nginx"
  replicas:
  template:
    metadata:
      labels:
        app: nginx
      annotations:
        pod.alpha.kubernetes.io/initialized: "true"
    spec:
      terminationGracePeriodSeconds:
      containers:
      - name: nginx
        image: gcr.io/google_containers/nginx-slim:0.8
        ports:
        - containerPort:
          name: web
        volumeMounts:
        - name: www
          mountPath: /usr/share/nginx/html
  volumeClaimTemplates:
  - metadata:
      name: www
    spec:
      accessModes:
      - ReadWriteMany
      resources:
        requests:
          storage: 1Gi
[root@k8s-master petset]# kubectl create -f test-petset.yaml
service "nginx" created
petset "web" created
[root@k8s-master petset]# kubectl get petset
NAME      DESIRED   CURRENT   AGE
web                         11s
[root@k8s-master petset]# kubectl get pod
NAME      READY     STATUS    RESTARTS   AGE
web-       /       Running             16s
web-       /       Running             12s
[root@k8s-master petset]# kubectl get pv
NAME  CAPACITY  ACCESSMODES RECLAIMPOLICY STATUS CLAIM  REASON    AGE
pv0001    5Gi  RWX   Recycle  Bound     default/www-web-             1m
pv0002    5Gi  RWX   Recycle  Bound     default/www-web-             1m
[root@k8s-master petset]# kubectl get pvc
NAME        STATUS    VOLUME    CAPACITY   ACCESSMODES   AGE
www-web-   Bound     pv0001    5Gi        RWX           22s
www-web-   Bound     pv0002    5Gi        RWX           22s
[root@k8s-master petset]# kubectl exec -ti web- /bin/bash
root@web-:/# cd /usr/share/nginx/html
root@web-:/usr/share/nginx/html# ls
root@web-:/usr/share/nginx/html# touch .out
root@web-:/usr/share/nginx/html# exit
exit
[root@k8s-master petset]# ssh 192.168.20.47 #登录到NFS主机
root@192.168.20.47's password:
Last login: Tue Mar  ::  from 10.0.251.145
[root@localhost ~]# echo "">> /data/disk1/.out
[root@localhost ~]# exit
登出
Connection to 192.168.20.47 closed.
[root@k8s-master petset]# kubectl exec -ti web- /bin/bash
root@web-:/# cat /usr/share/nginx/html/.out 

root@web-:/# exit
exit
[root@k8s-master petset]# kubectl exec -ti web- /bin/bash
root@web-:/# cat /usr/share/nginx/html/.out 

root@web-:/# exit
exit
[root@k8s-master petset]#

3.3 验证域名解析

　　检查PetSet中的Pod的hostName

[root@k8s-master ~]# for i in  ; do kubectl exec web-$i -- sh -c 'hostname'; done
web-
web-

　　检查通过hostName解析IP

[root@k8s-master dns14]# kubectl get svc nginx
NAME      CLUSTER-IP   EXTERNAL-IP   PORT(S)   AGE
nginx     None         <none>        /TCP    5h
[root@k8s-master dns14]# kubectl describe svc nginx
Name:            nginx
Namespace:        default
Labels:            app=nginx
Selector:        app=nginx
Type:            ClusterIP
IP:            None
Port:            web    /TCP
Endpoints:        10.0.28.3:,10.0.82.6:
Session Affinity:    None
No events.
[root@k8s-master ~]# kubectl get pod -o wide
NAME     READY     STATUS    RESTARTS   AGE       IP          NODE
web-      /       Running             42m       10.0.28.3   k8s-node-
web-      /       Running             42m       10.0.82.6   k8s-node-
[root@k8s-master ~]# kubectl exec -i -t frontend-service--xuysd /bin/bash #进入集群中的一个pod
[root@frontend-service--xuysd /]# nslookup web-.nginx
Server:        10.254.10.2
Address:    10.254.10.2#

Name:    web-.nginx.default.svc.cluster.local
Address: 10.0.28.3

[root@frontend-service--xuysd /]# nslookup web-.nginx
Server:        10.254.10.2
Address:    10.254.10.2#

Name:    web-.nginx.default.svc.cluster.local
Address: 10.0.82.6

<-xuysd /]# nslookup web-.nginx.default.svc.cluster.local  #通常情况下，直接解析web-.nginx即可得到对应的IP，但再一些容器内发现只有解析全部的名称“web-.nginx.default.svc.cluster.local”才能得到IP，这个地方需要研究下区别在哪。
Server:        10.254.10.2
Address:    10.254.10.2#

Non-authoritative answer:
Name:    web-.nginx.default.svc.cluster.local
Address: 10.0.82.6

3.4 验证Pet重建

#为web-0添加一个index页面，内容为它自己的HostName，注意该目录我们将其外挂到了PV之上，是一个NFS路径
[root@k8s-master dns14]# kubectl exec web- -- sh -c 'echo $(hostname) > /usr/share/nginx/html/index.html'
#在其它Pod上获取web-0的欢迎页
[root@k8s-master dns14]# kubectl exec -it web- -- curl web-.nginx
web-
[root@k8s-master dns14]# kubectl exec -it web- -- curl web-.nginx
web-
#查询web-0的存活时间
[root@k8s-master dns14]# kubectl get pod | grep web
web-                               /       Running             5h
web-                               /       Running             5h
[root@k8s-master dns14]# kubectl delete pod web-  #删除web-
pod "web-0" deleted
[root@k8s-master dns14]# kubectl get pod | grep web  #可以看到，web-0被删除后几乎立即又被重建了
web-             /       Running             3s
web-             /       Running             5h
[root@k8s-master dns14]# kubectl get pod | grep web
web-            /       Running             5s
web-            /       Running             5h
#查看web-0中的欢迎页是否还在
[root@k8s-master dns14]# kubectl exec -it web- -- curl web-.nginx
web-
[root@k8s-master dns14]# kubectl exec -it web- -- curl web-.nginx
web-

4、运维

4.1 Pet互相发现

　　通常，Pets需要互相知道对方的存在，在之前的示例中，我们演示了操作员“告诉”一个Pet，它有多少个同伴，但这显然是不够的。一种方法是，在Pod内部调用Kubectl的api来获取该Pet对应的PetSet中的其他成员，但并不推荐这么做。这样做的话，就会使得你的Pod可以反过来操控外部的组件。另一种方法是通过DNS解析，利用工具nslookup工具可以将nginx（上文定义的headless service）中的所有endPoint都查找出来。具体见下：

# apt-get update && apt-get install -y dnsutils
...
#  nslookup -type=srv nginx
Server:        10.254.10.2
Address:    10.254.10.2#

nginx.default.svc.cluster.local    service =    web-.nginx.default.svc.cluster.local.
nginx.default.svc.cluster.local    service =    web-.nginx.default.svc.cluster.local.
# nslookup web-.nginx.default.svc.cluster.local
Server:        10.254.10.2
Address:    10.254.10.2#

Name:    web-.nginx.default.svc.cluster.local
Address: 10.0.82.6

# nslookup web-.nginx.default.svc.cluster.local
Server:        10.254.10.2
Address:    10.254.10.2#

Name:    web-.nginx.default.svc.cluster.local
Address: 10.0.28.3

4.2 更新及扩缩容

　　如之前使用限制（3）中讲的，对于PetSet，Kubernetes能帮我们自动做的仅有“replicas”，即副本数量。对于扩充副本数量来说，Kubernetes每次会按照顺序，一个个的创建Pod，且在前一个没有running或ready之前，不会创建下一个；对于缩减副本数量来说，Kubernetes每次会按照顺序，一个个的删除Pod。且在前一个没有真正的shutdown之前，不会删除下一个。

　　需要注意的是，缩容时，虽然删除了一些Pod，但Pod对于的持久化存储PVC—PV是不会被删除的。例如，我们一开始创建了3个Pet，pod-0、pod-1、pod-2，挂载了pvc-0——pv-0、pvc-1——pv-1、pvc-2——pv-2，在缩容到2个副本的时候，最后一个pod-2会被删除，但pvc-2——pv-2则不会被删除，里面的数据还是安全的。PV的最终删除就像它一开始创建一样，是由管理员统一管理的。

4.3 镜像更新

　　有时需要更新镜像到新的版本，那该如何操作呢？虽然Kubernetes没有给我们提供一些自动更新整个Pet集群的功能，但通过它提供的edit和set image功能也基本上够我们用的了。更新Pet中的镜像功能示例如下：

[root@k8s-master ~]# kubectl get po web- --template '{{range $i, $c := .spec.containers}}{{$c.image}}{{end}}'
gcr.io/google_containers/nginx-slim:0.8
[root@k8s-master ~]# kubectl exec -i -t frontend-service--xuysd /bin/bash #进入集群中的一个pod
[root@frontend-service--xuysd /]# nslookup web-.nginx
Server:        10.254.10.2
Address:    10.254.10.2#

Name:    web-.nginx.default.svc.cluster.local
Address: 10.0.28.3

[root@k8s-master ~]# kubectl edit petset/web  #执行之后就像打开一个vi界面，修改对应的镜像名称或版本，保存退出
petset "web" edited
#也可以用set image的方式进行更改
[root@k8s-master ~]#  kubectl set image petset/web nginx=gcr.io/google_containers/nginx-slim:0.7
petset "web" image updated
[root@k8s-master ~]# kubectl delete po web-  #手动删除第一个Pod，PetSet会自动给我们再起一个
pod "web-0" deleted
[root@k8s-master ~]# kubectl get po web- -o wide  #查看Pod的IP已经更改了
NAME      READY     STATUS    RESTARTS   AGE       IP          NODE
web-     /       Running             34s       10.0.62.4   k8s-node-
[root@k8s-master ~]# kubectl get po web- --template '{{range $i, $c := .spec.containers}}{{$c.image}}{{end}}'
gcr.io/google_containers/nginx-slim:0.7  #查看镜像版本信息，版本也已经更改了

之后可以一个个的将PetSet中的Pod删除，PetSet会自动按照新版本的镜像帮我们启动起来。

5、后续新功能

　　官方给出后续将会逐步推出的新功能如下：

　　　　1)        数据安全与本地数据存储（目前仅支持网络共享存储卷，在IO高的情况下网络存储卷可能会出现性能瓶颈，后续Kubernetes将会推出支持本地存储的PetSet）

　　　　2)        丰富通知实践

　　　　3)        公网的网络身份

　　　　4)        广域网集群发布（跨多个可用区、region、云服务提供商）

　　　　5)        更多的自动运维手段（包括镜像升级等）