Kubernetes 有状态集群服务部署与管理

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本期主题
Kubernetes 有状态集群服务部署与管理

嘉宾介绍

张寿红，从事软件研发工作十余年，目前从事基于Docker和Kubernetes的企业级容器云平台研发工作，主要包括容器服务、存储服务、CI/CD和镜像服务等。在加入时速云之前，先后在CA Technologies和Symantec担任Tech Lead和Principal Software Engineer。参与研发的软件产品有：企业数据保护软件、云平台上的服务管理系统、企业客户服务平台等。

摘要：
在容器化时代，除了无状态的容器服务，比如Web服务器，用户也越来越多地使用容器部署有状态的应用，比如MySQL、Redis、Cassandra等。这些Pets（运行有状态服务的容器，需要特殊处理）就带来了新的需求，包括更长的生命周期，配置依赖，有状态的故障转移等。

张寿红讲师深入介绍Kubernetes如何满足有状态集群服务对容器编排系统提出的新需求，包括如何使用Kubernetes的动态存储请求与分配机制来实现服务状态的持久化存储，以及与高效部署和运行有状态集群服务相关的Kubernetes新特性，如Init Container、PetSet （StatefulSet）等。最后通过一个MySQL集群实例详解在Kubernetes中如何轻松部署一个高可用的有状态集群服务并实现自动化管理。

大纲：
· Kubernetes简介和运行有状态集群服务的挑战
· Kubernetes存储系统
· Kubernetes有状态集群服务相关特性
· 实战：在Kubernetes上部署和管理MySQL集群

大家晚上好，我是来自时速云的张寿红，很高兴有机会和大家做这次有关容器云的技术分享。

在容器化时代，除了无状态的容器服务，比如Web服务器，用户也越来越多地使用容器部署有状态的应用，这就对容器编排系统提出了新的需求。

我今天要和大家分享的主题就是如何在目前主流的容器云平台Kubernetes 上部署和管理有状态集群服务。这次分享的关键词有两个：一个是Kubernetes， 另一个是有状态集群服务。

我们会在第一部分了解一下什么是 Kubernetes，以及运行有状态集群服务面临的一些挑战。接下来的两部分我们会重点介绍 Kubernetes 是如何应对这些挑战，以及通过哪些特性来解决有状态集群服务所特有的一些问题。最后一部分是实战，通过一个MySQL集群的例子来展示如何在Kubernetes上轻松地部署和管理一个有状态集群服务。

什么是Kubernetes？

简单一句话来说，Kubernetes是一个运行和管理容器的平台。它在Docker、rkt等容器运行时之上，实现了容器的集群化和高可用。

Kubernetes简称K8S，来自Google，支持多种云计算环境，并且100% 开源，是云原生计算基金会的一部分，用Go语言开发的。

Kubernetes的一些基本概念：

其中最核心的一个概念是Pod，它是Kubernetes对容器进行的封装，是Kubernetes管理的最小单位。Pod通过Deployment来部署，Deployment会创建一个Replica Set 来保证Pod的个数始终是一个指定的值 。Pod一般不直接对外提供服务，而是通过Service对外提供一个稳定的访问接口，一个Service后面可以挂多个Pod实例 。

Service是如何找到它匹配的Pod呢？靠的是Label。Label是联系各个K8S资源的纽带。Replica Set 和它管理的Pod之间也是通过 Label 来关联的。如果Pod里的容器运行的是有状态服务，如数据库与缓存等，还需要挂载存储卷，用于存储服务状态。

讲完原理，我们来看一个实例：

这是一个在K8S集群里运行的容器化应用案例，这个应用有自己的Web 客户端，同时还从Twitter采集数据，处理完后存储到自己的DB。

可以看到容器里跑的服务有两类，无状态和有状态。像Web服务器，流处理器等无状态服务出现问题后，直接杀掉，新建一个，管理起来非常简单。

但是对有状态服务，像数据库，它要求有更长的生命周期。在一个集群的情况下，集群成员之间如何能保持稳定的成员关系？这都对容器编排系统提出了新的挑战。

K8S是如何应对这些挑战的呢？

K8S运行的服务，从简单到复杂可以分成三类：无状态服务、普通有状态服务和有状态集群服务。下面分别来看K8S是如何运行这三类服务的。

无状态服务，K8S使用RC（或更新的ReplicaSet）来保证一个服务的实例数量。通过Service来对外提供一个稳定的访问接口。
普通有状态服务，它多了状态保存的需求。Kubernetes提供了以Volume和Persistent Volume为基础的存储系统，可以实现服务的状态保存。

状态集群服务，它又多了集群管理的需求。K8S为此开发了一套以Pet Set为核心的全新特性，方便了有状态集群服务在K8S上的部署和管理。

下面我们来看Kubernetes如何满足“状态保存”的需求。

K8S的存储系统大致分为三个层次：普通Volume，Persistent Volume 和动态存储供应。

普通Volume
普通Volume，最简单的一种是“单节点存储卷”。它和Docker的存储卷类似，使用的是Pod所在K8S节点的本地目录。

具体有两种，一种是 emptyDir，是一个匿名的空目录，由Kubernetes在创建Pod时创建，删除Pod时删除。

另外一种是 hostPath，与emptyDir的区别是，它在Pod之外独立存在，由用户指定路径名。

这类和节点绑定的存储卷在Pod迁移到其它节点后数据就会丢失，所以只能用于存储临时数据或用于在同一个Pod里的容器之间共享数据。

普通Volume，第二种类型是“跨节点存储卷”。这种存储卷不和某个具体的K8S节点绑定，而是独立于K8S节点存在的 。

跨节点存储卷由于可以在任何一个Kubernetes 节点上都能够被访问到，比较灵活，所以应用比较广泛。Kubernetes上的Volume是通过插件方式来实现的，所以可扩展性很强。

目前来说几乎所有主流的存储在Kubernetes上都有相应的插件来支持。如果已有的存储不能满足要求，还可以开发自己的volume插件。
persistent volume，它和普通volume的区别是什么呢？

普通Volume和使用它的Pod之间是一种静态绑定关系，我们无法单独创建一个普通volume，因为它不是一个独立的K8S资源对象。

而Persistent Volume 简称PV是一个K8S资源对象，所以我们可以单独创建。它不和Pod直接发生关系，而是通过Persistent Volume Claim，简称PVC来实现动态绑定。

动态绑定过程是怎样的？

这是PV的生命周期，首先是Provision，即创建PV，这里创建PV有两种方式，静态和动态。

静态方式是管理员手动创建一堆PV，组成一个PV池，供PVC来绑定。动态方式是通过一个叫 storage class的对象由存储系统根据PVC的要求自动创建。

一个PV创建完后状态会变成Available，等待被PVC绑定。一旦被PVC邦定，PV的状态会变成Bound，就可以被相应的Pod使用。Pod使用完后会释放PV，PV的状态变成Released。

变成Released的PV会根据定义的回收策略做相应的回收工作。有三种回收策略，Retain、Delete 和Recycle。

Retain就是保留现场，K8S什么也不做。Delete 策略，K8S会自动删除该PV及里面的数据。Recycle方式，K8S会将PV里的数据删除，然后把PV的状态变成Available，又可以被新的PVC绑定使用。

动态方式是通过StorageClass来完成的，这是一种新的存储供应方式。

使用StorageClass有什么好处呢？除了由存储系统动态创建，节省了管理员的时间，还有一个好处是可以封装不同类型的存储供PVC选用。

比如这里就有两个StorageClass，它们都是用谷歌的存储系统，但是一个使用的是普通磁盘，名字为slow。另一个使用的是SSD，名字为fast。

在PVC里通过annotation指定了storageclass的名字为fast，这样这个PVC就会绑定一个SSD，而不会绑定一个普通的磁盘。

好，到这里Kubernetes的整个存储系统就都介绍完了。

下面进入Kubernetes与有状态集群服务相关的两个新特性：Init Container 和Pet Set。

什么是Init Container？

从名字来看就是做初始化工作的容器。可以有一个或多个，这些 Init Container 按照定义的顺序依次执行，只有所有的InitContainer 执行完后，主容器才启动。由于一个Pod里的存储卷是共享的，所以 Init Container 里产生的数据可以被主容器使用到。

Init Container的一个使用样例

这个例子创建一个Pod，这个Pod里跑的是一个nginx容器，Pod里有一个叫workdir的存储卷，访问nginx容器服务的时候，就会显示这个存储卷里的index.html 文件。而这个index.html 文件就是通过一个 busybox的初始化容器获得的。
介绍完Init Container，千呼万唤始出来，该今天的主角Pet Set出场了。
什么是Pet Set？

顾名思义是Pet的集合，那什么是Pet呢？它是一种需要特殊照顾的Pod。它有状态、有身份、当然也比普通的Pod要复杂一些。具体来说，一个Pet有三个特征：

一是有稳定的存储，这是通过我们前面介绍的PV/PVC 来实现的。

二是稳定的网络身份，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 。
三是序号命名规则， 比如 Pet Set 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。

好，与有状态服集群服务相关的K8S特性就介绍到这里。理论讲完了，下面进入实战，以Galera MySQL集群为例子，介绍如何在 Kubernetes如何上部署和管理一个有状态集群服务。

首先大致了解一下Galera MySQL：

![图片上传中...]

它不是那种主从式的集群，而是多Master集群，通过 Galera Replication 把多个MySQL实例关联起来组成一个集群。由Galera Replication 负责节点间的数据同步。

用户访问时可以连接到任何一个节点进行读写操作。每次写入的数据会被Galera Replication同步到整个集群，才算写入成功。节点之间没有数据延迟，在某个节点失效后，直接退出集群即可，无需失效转移。

如何在Kubernetes上部署和运行它？这是整体结构图：

左边的Headless Service用于为每个MySQL Pet实例提供一个DNS名字，右边的PV池为MySQL提供存储。

这里有两个初始化容器，第一个用于安装需要的文件，第二个做MySQL的初始化工作 。

一个Pet Set里有多个Pet，每个Pet对应MySQL集群里的一个节点。通过Pet Set可以管理整个MySQL集群。

部署MySQL集群具体的YAML文件
右边是一个Headless Service，名字是galera，左边是Pet Set，它用到了右边的Headless service。Replicas的数目为3，会创建3个Pet。
Pet Set 的annotation里定义了两个初始化容器：

Install容器安装的文件可以被bootstrap容器使用到；同时bootstrap容器生成的MySQL配置文件会放到config存储卷里，供后面的MySQL 容器使用。

主容器 Galera MySQL 的定义
除了常规的3306端口外，它还暴露了其它一些端口，用于集群内部的数据同步和状态转移等操作。这里MySQL启动参数里用到的文件，是在初始化容器里生成的，通过共享存储卷传递过来。

数据存储卷的定义
这里定义了三个存储卷，其中config、workdir就是简单的本地目录，而 datadir是一个PVC，它可以去绑定PV来存储MySQL数据库的数据 。

所以部署一个集群总共就需要两个YAML文件就可以了，一个Headless Service，一个 Pet Set。其中Pet Set里定义了初始化容器和存储卷。

用上面的方式部署完MySQL集群后，后面的运维工作是比较简单的。

假如某个集群节点由于某种原因Crash掉了，Kubernetes 会自动创建一个新的Pet来替代，实现自动恢复。如果要扩容或缩容，也是一条命令、指定一下这个Pet Set 的Replicas的数目就行了。

如果要升级，只需要修改Pet Set 定义里 podTemplate 的image值，然后把老的Pet删除，新创建的Pet，就是最新版本的了。

对于在Kubernetes上部署有状态集群服务，我们补充两点：

第一点是在最新发布的Kubernetes 1.5 里 PetSet 重新命名为StatefulSet。所以根据你使用的K8S版本不同，可能看到的名字也不一样。

第二点是简单介绍一下时速云提供的有状态集群服务：数据库与缓存。
务的创建工作，用户不再需要了解我们前面介绍的所有技术术语，只需要指定一下副本数目，存储的大小就可以了。
最后以下面这张图做为今天分享内容的总结：

有状态集群服务的两个需求：一个是存储需求，另一个是集群需求。
对存储需求，Kubernetes的解决方案是：Volume、Persistent Volume 。对PV，除了手动创建PV池外，还可以通过Storage Class来让存储系统自动创建。

对集群需求，Kubernetes的解决方案是Pet Set。Pet Set 又通过Init Container来做集群初始化，通过Headless Service来为集群成员提供稳定 的网络身份。

最后我们以MySQL集群为例，说明了如何在Kubernetes上部署和运行一个有状态集群服务。

目前有状态集群服务在Kubernetes上的部署还不是正式版，但完全可用。如果您的项目中有容器化的需求，可以尝试。

Q&A
Q1：容器内的数据该保存在镜像里还是宿主机中？
A1：通常数据是保存在独立的存储设备中，容器通过Volume挂载使用。简单的存储也可以用宿主机的目录。

Q2：k8s Resource 监控怎么做？
A2：有专门的容器监控工具，如Prometheus

Q3：Kubernetes和Mesos有啥区别，如何选择?
A3：Kubernetes为容器集群而生，Mesos除了容器集群，传统集群也能用。如果是纯容器云环境，推荐使用K8S。

Q4：在什么样的业务量下适合用Kubernetes？
A4： K8S 来自Google，经历了Google内部海量生产环境的检验，普通公司的业务量不是问题。

Q5：实际生产环境中对比k8s 和swarm 各有什么优劣，如何正确选型？
A5：swarm 是docker原生的容器管理系统，但相对K8S而言还比较新，不是很成熟。生产环境目前还是推荐用K8S。

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