当创建pvc后，kubernetes组件如何协作
本文分享自华为云社区《当创建一个pvc后，kubernetes会发生什么？》，作者：可以交个朋友。
一、背景
外部存储接入 Kubernetes 的方式主要有两种：In-Tree 和 Out-of-Tree：
- In-Tree 是指存储驱动的源码都在 Kubernetes 代码库中，与 Kubernetes 一起发布、迭代、管理，这种方式灵活性较差，且门槛较高。
- Out-of-Tree 是指存储插件由第三方编写、发布、管理，作为一种扩展与 Kubernetes 配合使用。Out-of-Tree 主要有 FlexVolume 和 CSI 两种实现方式，其中，FlexVolume 因为其命令式的特点，不易维护和管理，从 Kubernetes v1.23 版本开始已被弃用。因此 CSI 已经成为 Kubernetes 存储扩展（ Out-of-Tree ）的唯一方式。
外部存储最终的效果是将存储（磁盘、obs、nas盘等）挂载到容器中被业务使用，所以一般包括存在两个过程：
- attach 是将存储介质在指定虚拟机上绑盘，部分存储介质才需要attach操作，比如容器中使用块存储，大致流程是1）需要先调用openstack接口，将某块evs绑到某个虚拟机上，成为虚拟机设备；2）在将存储设备挂载到容器目录上
- mount 将某个存储挂载到对应文件系统上，是操作系统层面的行为，所有的存储介质挂载到容器中都需要mount阶段，比如容器中使用nas或者obs，本质上就是执行nfs命令将网络存储挂载到容器目录上
二、CSI 架构解读
kubernetes CSI存储插件的关键组件与推荐的容器化部署架构
三、动态创建 Volume 执行过程
以块类型存储为例，从声明pvc到pod挂载卷成功时序图：
1、涉及组件解读
-
PV Controller：负责处理集群中的pvc/pv对象，对pvc/pv对象进行状态转换，并根据需求进行数据卷的 Provision/Delete 操作（注：Static pv不会触发provisioner、Dynamic pv才会触发provisioner）
-
AD Controller：负责VolumeAttachement的生命周期管理，并通过external-attacher将设备挂载到目标节点或从目标节点卸载。VolumeAttachement是控制块存储设备的 Attach/Detach 操作的逻辑对象。（注：可通过kubelet配置文件开关控制节点是否由AD Controller管理）。
-
kubelet主要包含与存储相关的两个插件：:1）Volume Manager：管理存储卷的 Mount/Unmount 操作、卷设备的格式化等操作（注：如果当前节点并没有交给AD Controller管理，那么就是volumeManager负责管理VolumeAttachement的生命周期）；2）Volume Plugin：K8S平台为存储提供商提供存储接入的插件接口，其中包含in-tree的多种存储插件和out-tree的两种存储插件。通过该插件机制进而为容器应用提供各种类型的存储。社区推荐的是CSI架构的扩展插件
2、涉及资源解读
PV：PersistentVolume，集群级别的资源，由集群管理员 or External Provisioner创建。PV 的生命周期独立于使用 PV 的 Pod，PV 的 .Spec 中保存了存储设备的详细信息。
kind: PersistentVolume
apiVersion: v1
metadata:
name: pv-test
labels:
failure-domain.beta.kubernetes.io/region: cn-north-4
failure-domain.beta.kubernetes.io/zone: cn-north-4a
annotations:
pv.kubernetes.io/provisioned-by: xxxx-provisioner #存储提供者
spec:
capacity:
storage: 10Gi
csi:
driver: disk.csi.everest.io
volumeHandle: 698a99d8-xxx-xxxx-xxxx-ab80b1ecbf #使用的存储设备信息
volumeAttributes:
everest.io/disk-mode: SCSI
everest.io/disk-volume-type: ESSD
storage.kubernetes.io/csiProvisionerIdentity: xxxx-provisioner
accessModes:
- ReadWriteOnce
# 引用对象, 该pv由哪个pvc创建
claimRef:
kind: PersistentVolumeClaim
namespace: test
name: pvc-test
uid: xxxx-xxxx-xxxx-22bf9101f0ce
apiVersion: v1
persistentVolumeReclaimPolicy: Delete
storageClassName: csi-disk
volumeMode: Filesystem
nodeAffinity:
required:
nodeSelectorTerms:
- matchExpressions:
- key: failure-domain.beta.kubernetes.io/zone
operator: In
values:
- cn-north-4a
status:
phase: Bound
# available : 表示当前的pv没有被绑定
# bound: 已经被pvc挂载
# released: pvc没有在使用pv, 需要管理员手工释放pv
# failed： 资源回收失败
-
PVC：PersistentVolumeClaim，命名空间（namespace）级别的资源，由用户 or StatefulSet 控制器（根据VolumeClaimTemplate）创建。PVC 类似于 Pod，Pod 消耗 Node 资源，PVC 消耗 PV 资源。Pod 可以请求特定级别的资源（CPU 和内存），而 PVC 可以请求特定存储卷的大小及访问模式（Access Mode）。
kind: PersistentVolumeClaim
apiVersion: v1
metadata:
name: pvc-evs-test
namespace: test
uid: xxxx-xxxx-xxxx-22bf9101f0ce
labels:
failure-domain.beta.kubernetes.io/region: cn-north-4
failure-domain.beta.kubernetes.io/zone: cn-north-4a
annotations:
volume.kubernetes.io/selected-node: xxx.xxx.xxx.186
everest.io/disk-volume-type: ESSD
volume.kubernetes.io/storage-provisioner: xxxx-provisioner
spec:
# ReadWriteOnce:被单个节点mount为读写rw模式
# ReadOnlyMany 被多个节点mount为只读ro模式
# ReadWriteMany 被多个节点mount为读写rw模式
accessModes:
- ReadWriteOnce
resources:
requests:
storage: 10Gi
volumeName: pv-test #绑定的pv name
# 使用的sc类型
storageClassName: csi-disk
# 存储模式,包含Filesystem(文件系统)和Block（块设备）
volumeMode: Filesystem
status:
# Pending：pvc刚创建还未与pv绑定
# Bound： pvc与pv完成绑定
# Lost：对应的pv被删除
phase: Bound
accessModes:
- ReadWriteOnce
-
SC：StorageClass 是集群级别的资源，由集群管理员创建。SC 为管理员提供了一种动态提供存储卷的“类”模板，SC 中的 .Spec 中详细定义了存储卷 PV 的不同服务质量级别、备份策略等等。
apiVersion: storage.k8s.io/v1 kind: StorageClass metadata: name: csi-disk parameters: csi.storage.k8s.io/csi-driver-name: disk.csi.everest.io csi.storage.k8s.io/fstype: ext4 everest.io/disk-volume-type: SATA everest.io/passthrough: "true" provisioner: xxxx-provisioner # 回收策略, pvc和pv解绑,删除了pvc, pv里面的数据是否还保留 # Retain: 保留数据, 需要手工删除 # delete: pv删除 reclaimPolicy: Delete # Immediate: pv创建好之后立马将pvc和pv进行绑定 # WaitForFirstConsumer: 延迟绑定，直到使用pvc的pod被调度到节点上 volumeBindingMode: Immediate allowVolumeExpansion: true #是否允许扩容
3、涉及 CSI API 对象
CSINode
- 判断外部 CSI 插件是否注册成功。在 Node Driver Registrar 组件向 Kubelet 注册完毕后，Kubelet 会创建该资源，故不需要显式创建 CSINode 资源
- 将 Kubernetes 中 Node 资源名称与三方存储系统中节点名称（nodeID）一一对应。此处 Kubelet 会调用外部 CSI 插件 NodeServer 的 GetNodeInfo 函数获取 nodeID。
- 显示卷拓扑信息。CSINode 中 topologyKeys 用来表示存储节点的拓扑信息，卷拓扑信息会使得 Scheduler 在 Pod 调度时选择合适的存储节点。
apiVersion: storage.k8s.io/v1
kind: CSINode
metadata:
annotations:
everest.io/node.localvolume.capacity: "null"
name: xxx.xxx.xxx.186
ownerReferences:
- apiVersion: v1
kind: Node
name: xxx.xxx.xxx.186
uid: 091cc415-b8bb-4173-8312-5f6318d4383f
uid: fea2c180-99b8-4195-a966-3953b8bab16a
spec:
# 节点上有哪些driver
drivers:
- allocatable:
count: 58
name: disk.csi.everest.io
nodeID: 7d279bf8-c70f-4179-842e-5e501d591d17
topologyKeys:
- failure-domain.beta.kubernetes.io/zone
- name: proxy.csi.everest.io
nodeID: 7d279bf8-c70f-4179-842e-5e501d591d17
topologyKeys: null
- name: sfsturbo.csi.everest.io
nodeID: 7d279bf8-c70f-4179-842e-5e501d591d17
topologyKeys: null
- name: nas.csi.everest.io
nodeID: 7d279bf8-c70f-4179-842e-5e501d591d17
topologyKeys: null
...
apiVersion: storage.k8s.io/v1
kind: CSINode
metadata:
annotations:
everest.io/node.localvolume.capacity: "null"
name: xxx.xxx.xxx.186
ownerReferences:
- apiVersion: v1
kind: Node
name: xxx.xxx.xxx.186
uid: 091cc415-b8bb-4173-8312-5f6318d4383f
uid: fea2c180-99b8-4195-a966-3953b8bab16a
spec:
# 节点上有哪些driver
drivers:
- allocatable:
count: 58
name: disk.csi.everest.io
nodeID: 7d279bf8-c70f-4179-842e-5e501d591d17
topologyKeys:
- failure-domain.beta.kubernetes.io/zone
- name: proxy.csi.everest.io
nodeID: 7d279bf8-c70f-4179-842e-5e501d591d17
topologyKeys: null
- name: sfsturbo.csi.everest.io
nodeID: 7d279bf8-c70f-4179-842e-5e501d591d17
topologyKeys: null
- name: nas.csi.everest.io
nodeID: 7d279bf8-c70f-4179-842e-5e501d591d17
topologyKeys: null
...
CSIDriver
- 简化外部 CSI 插件的发现。由集群管理员创建，通过 kubectl get csidriver 即可得知环境上有哪些 CSI 插件。
- 自定义Kubernetes 行为，如一些外部 CSI 插件不需要执行卷挂接（VolumeAttach）操作，则可以设置 .spec.attachRequired 为 false。
apiVersion: storage.k8s.io/v1 kind: CSIDriver metadata: name: disk.csi.everest.io uid: 5d33a29b-4bf1-4ab8-815f-e97b207b991e spec: # 是否需要attache和mount，只有evs需要attach attachRequired: true podInfoOnMount: true requiresRepublish: false storageCapacity: false volumeLifecycleModes: - Persistent #volume生命周期，持久模式
VolumeAttachment
AD Controller 创建一个 VolumeAttachment，而 External-attacher 则通过观察该 VolumeAttachment，根据其状态属性来进行存储的挂载和卸载操作。
apiVersion: storage.k8s.io/v1
kind: VolumeAttachment
metadata:
annotations:
csi.alpha.kubernetes.io/node-id: xxxx-xxxx-xxxx-5e501d591d17
finalizers:
- everest-csi-attacher/disk-csi-everest-io
name: csi-d10b9f7e4dde469fa2b7f3461fcfef7862260883196647d6b7ae7bb17bc0e226
uid: 665b740f-a544-4f3e-9953-00b8d186c548
spec:
attacher: disk.csi.everest.io
nodeName:xxx.xxx.xxx.186
source:
persistentVolumeName: pv-test
status:
# 标记是否attached到节点上，attache后才能mount
attached: true
attachmentMetadata: #attach的设备信息
bus: scsi
device: /dev/sdg
四、存储拓展-延迟绑定
kubernetes里面有两个绑定：
- kube-schedule将pod和node绑定
- Pvc controller将pvc和pv绑定。正常情况下，kube-schedule绑定pod和node时候，如果pod有pvc,会等待pvc和pv绑定完成后根据pv所在的az选择node过滤一部分不满足节点，然后再完成绑定pod和node。延迟绑定场景，kube-schedule 先不等待PVC和PV绑定，先预调度node，然后把预调度结果写到PVC注解中，pvc控制接获取到预调度az信息后，再完成pv创建和pv绑定。所以，延迟绑定时延迟了pvc和pv绑定阶段。
stroageclass延迟绑定作用字段：VolumeBindingMode
- Immediate ：表示一旦创建了 PersistentVolumeClaim 也就完成了卷绑定和动态制备（不参与调度）。 对于由于拓扑限制而非集群所有节点可达的存储后端，PersistentVolume 会在不知道 Pod 调度要求的情况下绑定或者制备。
- WaitForFirstConsumer ：该模式将延迟 PersistentVolume 的绑定和制备，直到使用该 PersistentVolumeClaim 的 Pod 被创建。 PersistentVolume 会根据 Pod 调度约束指定的拓扑来选择或制备。 这些包括但不限于资源需求、 节点筛选器、 Pod 亲和性和互斥性、 以及污点和容忍度。
