kubernetes中的local persistent volume

什么是Local Persistent Volumes

在kubernetes 1.14版本中， Local Persistent Volumes(以下简称LPV)已变为正式版本（GA），LPV的概念在1.7中被首次提出（alpha），并在1.10版本中升级到beat版本。现在用户终于可以在生产环境中使用LPV的功能和API了。

首先：Local Persistent Volumes代表了直接绑定在计算节点上的一块本地磁盘。

kubernetes提供了一套卷插件（volume plugin）标准，使得k8s集群的工作负载可以使用多种块存储和文件存储。大部分磁盘插件都使用了远程存储，这是为了让持久化的数据与计算节点彼此独立，但远程存储通常无法提供本地存储那么强的读写性能。有了LPV 插件，kubernetes负载现在可以用同样的volume api，在容器中使用本地磁盘。

这跟hostPath有什么区别

hostPath是一种volume，可以让pod挂载宿主机上的一个文件或目录（如果挂载路径不存在，则创建为目录或文件并挂载）。

最大的不同在于调度器是否能理解磁盘和node的对应关系，一个使用hostPath的pod，当他被重新调度时，很有可能被调度到与原先不同的node上，这就导致pod内数据丢失了。而使用LPV的pod，总会被调度到同一个node上（否则就调度失败）。

如何使用LPV

首先 需要创建StorageClass

kind: StorageClass
apiVersion: storage.k8s.io/v1
metadata:
  name: local-storage
provisioner: kubernetes.io/no-provisioner
volumeBindingMode: WaitForFirstConsumer

注意到这里volumeBindingMode字段的值是WaitForFirstConsumer。这种bindingmode意味着：

kubernetes的pv控制器会将这类pv的binding延迟，直到有一个使用了对应pvc的pod被创建出来且该pod被调度完毕。这时候才会将pv和pvc进行binding，并且这时候pv的选择会结合调度的node和pv的nodeaffinity。

接下来，提前准备好的provisioner会动态创建PV。

$ kubectl get pv
NAME                CAPACITY   ACCESS MODES   RECLAIM POLICY   STATUS      CLAIM  STORAGECLASS   REASON      AGE
local-pv-27c0f084   368Gi      RWO            Delete           Available          local-storage              8s
local-pv-3796b049   368Gi      RWO            Delete           Available          local-storage              7s
local-pv-3ddecaea   368Gi      RWO            Delete           Available          local-storage              7s

LPV的详细内容如下：

$ kubectl describe pv local-pv-ce05be60 
Name:        local-pv-ce05be60
Labels:        <none>
Annotations:    pv.kubernetes.io/provisioned-by=local-volume-provisioner-minikube-18f57fb2-a186-11e7-b543-080027d51893
StorageClass:    local-fast
Status:        Available
Claim:        
Reclaim Policy:    Delete
Access Modes:    RWO
Capacity:    1024220Ki
NodeAffinity:
  Required Terms:
      Term 0:  kubernetes.io/hostname in [my-node]
Message:    
Source:
    Type:    LocalVolume (a persistent volume backed by local storage on a node)
    Path:    /mnt/disks/vol1
Events:        <none>

当然，也可以不使用provisioner，而是手动创建PV。但是必须要注意的是，LPV必须要填写nodeAffinity。 （1.10前k8s是将nodeAffinity作为annotation记录到PV中，1.10起将其独立为一个字段）

apiVersion: v1
kind: PersistentVolume
metadata:
  name: example-pv
spec:
  capacity:
    storage: 100Gi
  # volumeMode field requires BlockVolume Alpha feature gate to be enabled.
  volumeMode: Filesystem
  accessModes:
  - ReadWriteOnce
  persistentVolumeReclaimPolicy: Delete
  storageClassName: local-storage
  local:
    path: /mnt/disks/ssd1
  nodeAffinity:
    required:
      nodeSelectorTerms:
      - matchExpressions:
        - key: kubernetes.io/hostname
          operator: In
          values:
          - example-node

接下来可以创建各种workload，记得要在workload的模板中声明volumeClaimTemplates。

apiVersion: apps/v1
kind: StatefulSet
metadata:
  name: local-test
spec:
  serviceName: "local-service"
  replicas: 3
  selector:
    matchLabels:
      app: local-test
  template:
    metadata:
      labels:
        app: local-test
    spec:
      containers:
      - name: test-container
        image: k8s.gcr.io/busybox
        command:
        - "/bin/sh"
        args:
        - "-c"
        - "sleep 100000"
        volumeMounts:
        - name: local-vol
          mountPath: /usr/test-pod
  volumeClaimTemplates:
  - metadata:
      name: local-vol
    spec:
      accessModes: [ "ReadWriteOnce" ]
      storageClassName: "local-storage"
      resources:
        requests:
          storage: 368Gi

注意到这里volumeClaimTemplates.spec.storageClassName是local-storage，即我们一开始创建的storageclass实例的名字。

使用LPV的pod的调度流程

上面这个statefulset创建后，控制器会为其创建对应的PVC，并且会为PVC查找符合条件的PV,但是由于我们在local-storage中配置了WaitForFirstConsumer，所以控制器不会处理pvc和pv的bind；

同时，调度器在调度该pod时，predicate算法中也会根据PVC的要求去找到可用的PV,并且会过滤掉“与LPV的affinity”不匹配的node。最终，调度器发现：

• pv：example-pv满足了pvc的要求；
• node:example-node满足了pv:example-pv的nodeAffinity要求。

于是乎调度器尝试将pv和pvc bind起来，并且对pod进行重新调度。

重新调度pod时调度器发现pod的pvc资源得到了满足（都bound了pv），且bound的pv的nodeAffinity与node：example-node匹配。于是将pod调度到node：example-node上。完成调度。

如何创建LPV

• 在机器上创建目录： mkdir -p /mnt/disks/ssd1
• 在机器上执行命令，将某个卷挂载到该目录：mount -t /dev/vdc /mnt/disks/ssd1
• 在集群中创建对应的storageClass. 参见上文。
• 手动创建本地卷的PV，或者通过provisioner去自动创建。手动创建的模板见上文。

如何删除LPV

对于已经被bind并被pod使用的LPV,删除一定要按照流程来 , 要不然会删除失败：

• 删除使用这个pv的pod
• 从node上移除这个磁盘(按照一个pv一块盘)
• 删除pvc
• 删除pv

LPV延迟绑定部分的代码解读

所有的关键在于volumeBinder这个结构，它继承了SchedulerVolumeBinder接口，包括：

type SchedulerVolumeBinder interface {
    FindPodVolumes(pod *v1.Pod, node *v1.Node) 
    AssumePodVolumes(assumedPod *v1.Pod, nodeName string) 
    BindPodVolumes(assumedPod *v1.Pod) error
    GetBindingsCache() PodBindingCache
}

FindPodVolumes

了解调度器原理的应该知道，调度器的predicate算法，在调度pod时，会逐个node的去进行predicate，以确认这个node是否可以调度。我们称之为预选阶段。

VolumeBindingChecker 是一个检查器，在调度器的算法工厂初始化的最后一步，会向工厂中注册检查算法，这样调度器在进行predicate时，最后一步会执行对volumeBinding的检查。我们看func (c *VolumeBindingChecker) predicate 方法就能看到，这里面执行了FindPodVolumes，并且判断返回的几个值是否为true，或err是否为空：

unboundSatisfied, boundSatisfied, err := c.binder.Binder.FindPodVolumes(pod, node)

boundSatisfied 为false表示pod绑定的pv 与当前计算的node亲和性不过关。
unboundSatisfied 为false表示pod中申明的未bound的pvc，在集群内的pv中找不到可以匹配的。

就这样，调度器会反复去重试调度，反复执行FindPodVolumes,直到我们（或者provisoner）创建出了PV，比如这时新建的PV，其nodeAffinity对应到了node A。这次调度，在对node A进行predicate计算时，发现pod中申明的、未bound的pvc，在集群中有合适的pv，且该pv的nodeAffinity就是node A，于是返回的unboundSatisfied为 true， 调度器最终找到了一个合适的node。

那么，调度器接下来要对pod执行assume，在对pod assume之前，调度器要先对pod中bind的volume进行assume。见func (sched *Scheduler) assumeAndBindVolumes(assumed *v1.Pod, host string) error 。这个函数里，我们调用了volumeBinder的AssumePodVolumes方法。

AssumePodVolumes

assume是假设的意思，顾名思义，这个方法会先在调度器的缓存中，假定pod已经调度到node A上，对缓存中的pv、pvc、binding等资源进行更新，看是否能成功，它会返回一些讯息：

allBound, bindingRequired, err := sched.config.VolumeBinder.Binder.AssumePodVolumes(assumed, host)

allBound 为true表示所有的pv、pvc，在缓存中已经是bind。如果为false，会最终导致本次调度失败。
bindingRequired 为true表示有一些pv需要和pvc bind起来。如果为true，调度器会向volumeBinder的BindQueue中写入一个用例。这个队列会被一个worker轮询，并进行对应的工作。

什么工作呢？ BindPodVolumes

BindPodVolumes

调度器在Run起来的时候，会启动一个协程，反复执行bindVolumesWorker。在这个worker中我们可以看到，他尝试从volumeBinder的BindQueue中取出任务，进行BindPodVolumes,成功则该任务Done，失败则报错重试。

阅读BindPodVolumes这个方法，很简单，从缓存中找到对应的pod、pv、pvc等内容，更新到APIserver中。

由于我们在AssumePodVolumes中已经更新了缓存，所以这里更新到apiserver的操作，会真正地将pv和pvc bind起来。

之后呢？

在worker中我们看到，如果BindPodVolumes成功，依然会构造一个pod调度失败的事件，并更新pod的状态为PodScheduled,这么做是为了将pod放回调度队列，让调度器再去调度一次。

我们假设pod中只申明了一个LPV,在刚刚描述的这次BindPodVolumes操作中已经在apiserver中对这个LPV，和pod中的pvc进行了bind。那么，下一次调度器调度pod时，在AssumePodVolumes时会发现已经allBound ,调度器会继续后续的操作，最终pod被成功地调度（创建出Binding资源，apiserver将pod的nodeName更新）。

pv控制器不管吗？

创建PVC后，pv控制器会有一个worker：syncUnboundClaim去管理未bind的pvc。这个worker中，对于spec.VolumeName不为空的pvc，会去进行bind操作，确保pv和pvc绑定起来；对于spec.VolumeName为空的pvc，会去检查是否延迟绑定，并查找集群中适合该pvc的pv（这里没有node的概念，所以在查找时更多地是根据selector和AccessModes去过滤）。可以在

func findMatchingVolume(
    claim *v1.PersistentVolumeClaim,
    volumes []*v1.PersistentVolume,
    node *v1.Node,
    excludedVolumes map[string]*v1.PersistentVolume,
    delayBinding bool) (*v1.PersistentVolume, error)

中找到过滤的逻辑。这里我们只要知道：对于延迟绑定的pvc，我们会过滤掉所有的pv，并最后发出一个WaitForFirstConsumer的event结束worker。

可见，pv控制器对于延迟调度的pvc放任自流了。我们在findMatchingVolume方法中也可以看到官方的一段注释：

if node == nil && delayBinding {
    // PV controller does not bind this claim.
    // Scheduler will handle binding unbound volumes
    // Scheduler path will have node != nil
    continue
}

总结本地盘的使用流程

待补充： pv控制器、CSI的工作机制