k8s之StatefulSet

StatefulSet（状态集）

1，什么是StatefulSet ？
StatefulSet又叫PetSet（之前的名称），它和RS,RC,Deployment等一样，都是pod控制器。
StatefulSet是为了解决有状态服务的问题（对应于deoloyment和RS，RC，ReplicaSet都是为无状态服务而设计的）。

什么是无状态服务？
在生产环境中，pod的名称是随机的，扩缩容的是时候没有规律，每一个pod都可以被新生成的pod代替。

2，StatefulSet的应用场景包括：

• 稳定的持久化存储：即pod重新调度后还是能够访问到相同的持久化数据，基于PVC来实现。
• 稳定的网络标志：即pod重新调度后其pod名称和host名称不变，基于Headless Service（即没有cluster ip的service）来实现。
• 有序部署，有序扩展：即pod是由顺序的，在部署或者扩展的时候要依据定义的顺序依次进行（即从0到N-1， 在下一个Pod运行之前所有之前的Pod必须都是Running和Ready状态），基于init containers来实现。
• 有序收缩,有序删除：（即N-1到0）

从上面的引用场景可以发现，statefulset由以下几个部分组成：
1）headless Service：无头服务。用来定义pod的网络标识的（域名解析）。
2）statefulSet：定义具体的应用
3）volumeClaimTemplate：该模板自动为每一个pod创建pvc。

对比无状态服务，总结StatefulSet特点：pod的名称不变，每个副本启停有顺序，持久化存储，每个pod中的数据不同，根据定义的模板自动创建pvc。

3，接下来通过例子来实践statefulset资源的使用
部署nginx服务，通过storage class和statefulset实现有状态服务的数据持久化及其他操作。

操作流程如下：
1）通过nfs服务部署storage class（创建pv）
2）创建statefulset资源对象（创建pvc）
3）测试数据持久化
4）replicas扩容与缩容
5）分区更新

1）通过nfs部署storage class
以下直接进行部署，具体信息及参数解释请参考上章博文 k8s之StorageClass
#开启nfs：

[root@master yaml]# yum -y install nfs-utils
[root@master yaml]# vim /etc/exports
/nfsdata *(rw,sync,no_root_squash)
[root@master yaml]# mkdir /nfsdata
[root@master yaml]# systemctl start rpcbind
[root@master yaml]# systemctl start nfs-server
[root@master yaml]# systemctl enable nfs-server
[root@master yaml]# showmount -e
Export list for master:
/nfsdata *

#创建rbac权限：

[root@master yaml]# vim rbac-rolebind.yaml 
apiVersion: v1
kind: ServiceAccount
metadata:
  name: nfs-provisioner
  namespace: default
---
apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1
kind: ClusterRole
metadata:
  name: nfs-provisioner-runner
  namespace: default
rules:
   -  apiGroups: [""]
      resources: ["persistentvolumes"]
      verbs: ["get", "list", "watch", "create", "delete"]
   -  apiGroups: [""]
      resources: ["persistentvolumeclaims"]
      verbs: ["get", "list", "watch", "update"]
   -  apiGroups: ["storage.k8s.io"]
      resources: ["storageclasses"]
      verbs: ["get", "list", "watch"]
   -  apiGroups: [""]
      resources: ["events"]
      verbs: ["watch", "create", "update", "patch"]
   -  apiGroups: [""]
      resources: ["services", "endpoints"]
      verbs: ["get","create","list", "watch","update"]
   -  apiGroups: ["extensions"]
      resources: ["podsecuritypolicies"]
      resourceNames: ["nfs-provisioner"]
      verbs: ["use"]
---
kind: ClusterRoleBinding
apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1
metadata:
  name: run-nfs-provisioner
subjects:
  - kind: ServiceAccount
    name: nfs-provisioner
    namespace: default
roleRef:
  kind: ClusterRole
  name: nfs-provisioner-runner
  apiGroup: rbac.authorization.k8s.io

运行yaml文件。
#创建nfs-Deployment：

[root@master yaml]# vim nfs-deployment.yaml
apiVersion: extensions/v1beta1
kind: Deployment
metadata:
  name: nfs-client-provisioner
  namespace: default
spec:
  replicas: 1
  strategy:
    type: Recreate
  template:
    metadata:
      labels:
        app: nfs-client-provisioner
    spec:
      serviceAccount: nfs-provisioner
      containers:
        - name: nfs-client-provisioner
          image: registry.cn-hangzhou.aliyuncs.com/open-ali/nfs-client-provisioner
          volumeMounts:
            - name: nfs-client-root
              mountPath:  /persistentvolumes
          env:
            - name: PROVISIONER_NAME
              value: nfs-deploy    #供给方的名称（自定义）
            - name: NFS_SERVER
              value: 172.16.1.30     #nfs服务器的ip地址
            - name: NFS_PATH
              value: /nfsdata      #nfs共享的目录
      volumes:  
        - name: nfs-client-root
          nfs:
            server: 172.16.1.30
            path: /nfsdata

#创建storage class：

[root@master yaml]# vim sc.yaml
apiVersion: storage.k8s.io/v1
kind: StorageClass
metadata:
  name: statefu-nfs
  namespace: default
provisioner: nfs-deploy  
reclaimPolicy: Retain

//运行yaml文件后，查看sc的信息：
[root@master yaml]# kubectl  get sc
NAME          PROVISIONER   AGE
statefu-nfs   nfs-deploy    48s

2)创建statefulset资源：

[root@master yaml]# vim statefulset.yaml
apiVersion: v1
kind: Service   
metadata:
  name: headless-svc   #定义无头服务，需要定义标签
  labels:
    app: headless-svc
spec:
  ports:
  - name: testweb
    port: 80
  clusterIP: None    #需要将cluster ip定义为none
  selector:
    app: nginx  #此处指定的标签需要在后边进行定义
---
apiVersion: apps/v1
kind: StatefulSet   
metadata:
  name: sfs-web  
spec:
  serviceName: headless-svc  #此处选择的服务名为上边定义的无头服务名
  replicas: 3
  selector:
    matchLabels:
      app: nginx    #选择标签 
  template:
    metadata:
      labels:
        app: nginx   #定义标签
    spec:
      containers:
      - name: nginx
        image: nginx
        ports:
        - containerPort: 80
        volumeMounts:   #定义数据持久化
        - name: test-nginx
          mountPath: /usr/share/nginx/html  #挂载到容器内的路径
  volumeClaimTemplates:  #通过该字段（模板）为每个pod创建pvc
  - metadata:
      name: test-nginx
      annotations:  
        volume.beta.kubernetes.io/storage-class: statefu-nfs #此处选择之前创建的storage class，名称要一致
    spec:
      accessModes:
        - ReadWriteOnce   #采用ReadWriteOnce的访问模式
      resources:
        requests:
          storage: 100Mi   #请求100M的空间

[root@master yaml]# kubectl apply -f statefulset.yaml 
service/headless-svc unchanged
statefulset.apps/sfs-web created

//运行成功后，查看创建的headless service和statefulset的状态:


//查看svc的详细信息：

//查看创建的pod：（确保正常运行）

可以看到每个pod都是有序的，它们的名称（域名）会以0,1,2....依次排序。

#根据上面我们说到的，通过sc会创建pv，以及通过sts中的模板会自动创建pvc，我们进行查看集群中的pv和pvc：

我们可以看到pv和pvc创建成功，状态已经是Bound了，访问模式是RWO(在sc中定义的模式)，回收策略Delete ，都是通过sc和sts动态创建的，而并不是我们手动创建。

3）测试数据持久化
#查看挂载到nfs服务器上是否会生成每个pvc的共享目录：

#进入某个pod目录下创建测试网页文件：

[root@master yaml]# cd /nfsdata/default-test-nginx-sfs-web-0-pvc-4ef5e77e-1198-4ccc-81a7-db48d8a75023/
[root@master default-test-nginx-sfs-web-0-pvc-4ef5e77e-1198-4ccc-81a7-db48d8a75023]# echo "<h2>hello world</h2>" > index.html
[root@master default-test-nginx-sfs-web-0-pvc-4ef5e77e-1198-4ccc-81a7-db48d8a75023]# ll
total 4
-rw-r--r-- 1 root root 21 Jan 12 17:13 index.html

#我们进入到pod中，查看文件是否挂载成功：

#接下来我们将该pod删除掉：

验证重新生成的pod是否被替换，数据是否丢失？

通过上面的测试结果，我们可以得知有状态的服务不同于无状态服务，重新生成的pod名称不会发生改变，即便删除后也不会被新生成的pod覆盖，且原有pod中的数据也一并会存在。

4）replicas的扩容与缩容：
（1）扩容操作：
[root@master yaml]# vim statefulset.yaml

//重新运行yaml文件，查看新生成的pod：

（2）缩容操作：（以倒序的方式依次缩减）

//重新运行服务，查看pod状态：

通过上面的扩缩容操作，我们可以得知statefulset资源在生产环境中能够实现有序部署，即有序扩展，有序收缩，且pod的启停都是有一定顺序的。

5）分区更新操作：
分区更新的主要目的是为pod进行一个分区，为了使我们对某个应用所有pod中的某一部分或者有选择性的pod进行更新操作。

#在更新之前，我们先来查看更新的参数：

[root@master yaml]#  kubectl  explain  sts.spec.updateStrategy.rollingUpdate 
KIND:     StatefulSet
VERSION:  apps/v1

RESOURCE: rollingUpdate <Object>

DESCRIPTION:
     RollingUpdate is used to communicate parameters when Type is
     RollingUpdateStatefulSetStrategyType.

     RollingUpdateStatefulSetStrategy is used to communicate parameter for
     RollingUpdateStatefulSetStrategyType.

FIELDS:
   partition    <integer>
     Partition indicates the ordinal at which the StatefulSet should be
     partitioned. Default value is 0.

#根据以上参数，我们对pod进行分区，并且对指定分区的pod进行版本升级：

我们将replicas的数量设置为8个，且定义分区更新，表示从第四个pod(分区)开始（包括第四个分区）进行更新，之前的pod是不会进行更新操作的。
注意：如果不指定分区，则默认分区从0开始。

#版本升级就不进行测试了，只需将镜像更改为新的nginx版本，重新运行服务后，可以看到从第四个pod开始（包括第四个）之后的pod镜像版本将会进行升级，而之前分区的pod，版本不会发生改变。

4，StatefulSet限制

1）该资源对象还在beta（测试）状态，需要kubernetes v1.5版本以上才支持。
2）所有pod的volume必须使用pv或者是管理员事先创建好的。
3）为了保证数据安全，删除statefulset时不会删除volume。
4）statefulset需要一个Headless Service服务来定义DNS domin，需要在statefulset之前创建好。
5）目前statefulset功能还尚未完善，比如上面的更新操作还需要手动解决。

以上就是statefulset资源的理解与实践，如果应用程序不需要任何稳定的标识符，有序部署，删除和scale，则使用Deployment或RS等无状态控制器来部署。反之在生产中使用statefulset控制器为保证pod与volume的关系不会断开，即使pod挂了后还能使用之前挂载的磁盘