kubernetes 儲存流程

daemon365發表於2024-05-03

PV 與 PVC

PVC (PersistentVolumeClaim)，名稱空間（namespace）級別的資源，由使用者 or StatefulSet 控制器（根據VolumeClaimTemplate）建立。PVC 類似於 Pod，Pod 消耗 Node 資源，PVC 消耗 PV 資源。Pod 可以請求特定級別的資源（CPU 和記憶體），而 PVC 可以請求特定儲存卷的大小及訪問模式（Access Mode
PV（PersistentVolume）是叢集中的一塊儲存資源，可以是 NFS、iSCSI、Ceph、GlusterFS 等儲存卷，PV 由叢集管理員建立，然後由開發者使用 PVC 來申請 PV，PVC 是對 PV 的申請，類似於 Pod 對 Node 的申請。

靜態建立儲存卷

也就是我們手動建立一個pv和pvc，然後將pv和pvc繫結，然後pod使用pvc，這樣就可以使用pv了。

建立一個 nfs 的 pv 以及對應的 pvc

apiVersion: v1
kind: PersistentVolume
metadata:
  name: nfs-pv
spec:
  capacity:
    storage: 10Gi
  accessModes:
    - ReadWriteOnce
  persistentVolumeReclaimPolicy: Delete
  nfs:
    server: 192.168.203.110
    path: /data/nfs

apiVersion: v1
kind: PersistentVolumeClaim
metadata:
  name: nfs-pvc
spec:
  accessModes:
  - ReadWriteOnce
  resources:
    requests:
      storage: 10Gi

檢視 pvc

$ kubectl get pvc
NAME      STATUS   VOLUME   CAPACITY   ACCESS MODES   STORAGECLASS   AGE
nfs-pvc   Bound    nfs-pv   10Gi       RWO                           101s

建立一個 pod 使用 pvc

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: test-nfs
spec:
  containers:
  - image: ubuntu:22.04
    name: ubuntu
    command:
    - /bin/sh
    - -c
    - sleep 10000
    volumeMounts:
    - mountPath: /data
      name: nfs-volume
  volumes:
  - name: nfs-volume
    persistentVolumeClaim:
      claimName: nfs-pvc

❯ kubectl exec -it test-nfs -- cat /data/nfs
192.168.203.110:/data/nfs

pvc pv 繫結流程

func (ctrl *PersistentVolumeController) syncUnboundClaim(ctx context.Context, claim *v1.PersistentVolumeClaim) error {
	logger := klog.FromContext(ctx)
	if claim.Spec.VolumeName == "" {
		// 是不是延遲繫結 也就是 VolumeBindingMode 為 WaitForFirstConsumer
		delayBinding, err := storagehelpers.IsDelayBindingMode(claim, ctrl.classLister)
		if err != nil {
			return err
		}
    // 透過 pvc 找到最合適的 pv
		volume, err := ctrl.volumes.findBestMatchForClaim(claim, delayBinding)
		if err != nil {
			logger.V(2).Info("Synchronizing unbound PersistentVolumeClaim, Error finding PV for claim", "PVC", klog.KObj(claim), "err", err)
			return fmt.Errorf("error finding PV for claim %q: %w", claimToClaimKey(claim), err)
		}
		if volume == nil {
			//// No PV found for this claim
		} else /* pv != nil */ {
			
			claimKey := claimToClaimKey(claim)
			logger.V(4).Info("Synchronizing unbound PersistentVolumeClaim, volume found", "PVC", klog.KObj(claim), "volumeName", volume.Name, "volumeStatus", getVolumeStatusForLogging(volume))
      // 繫結 pv 和 pvc
      // 這裡會處理 pvc 的 spec.volumeName status 和 pv 的 status
			if err = ctrl.bind(ctx, volume, claim); err != nil {
				return err
			}
			return nil
		}
	} else /* pvc.Spec.VolumeName != nil */ {
		/*
      ......
    */
	}
}

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

	var smallestVolume *v1.PersistentVolume
	var smallestVolumeQty resource.Quantity
	requestedQty := claim.Spec.Resources.Requests[v1.ResourceName(v1.ResourceStorage)]
	requestedClass := GetPersistentVolumeClaimClass(claim)

	var selector labels.Selector
	if claim.Spec.Selector != nil {
		internalSelector, err := metav1.LabelSelectorAsSelector(claim.Spec.Selector)
		if err != nil {
			return nil, fmt.Errorf("error creating internal label selector for claim: %v: %v", claimToClaimKey(claim), err)
		}
		selector = internalSelector
	}

	// Go through all available volumes with two goals:
	// - find a volume that is either pre-bound by user or dynamically
	//   provisioned for this claim. Because of this we need to loop through
	//   all volumes.
	// - find the smallest matching one if there is no volume pre-bound to
	//   the claim.
	for _, volume := range volumes {
		if _, ok := excludedVolumes[volume.Name]; ok {
			// Skip volumes in the excluded list
			continue
		}
		if volume.Spec.ClaimRef != nil && !IsVolumeBoundToClaim(volume, claim) {
			continue
		}

		volumeQty := volume.Spec.Capacity[v1.ResourceStorage]
		if volumeQty.Cmp(requestedQty) < 0 {
			continue
		}
		// filter out mismatching volumeModes
		if CheckVolumeModeMismatches(&claim.Spec, &volume.Spec) {
			continue
		}

		// check if PV's DeletionTimeStamp is set, if so, skip this volume.
		if volume.ObjectMeta.DeletionTimestamp != nil {
			continue
		}

		nodeAffinityValid := true
		if node != nil {
			// Scheduler path, check that the PV NodeAffinity
			// is satisfied by the node
			// CheckNodeAffinity is the most expensive call in this loop.
			// We should check cheaper conditions first or consider optimizing this function.
			err := CheckNodeAffinity(volume, node.Labels)
			if err != nil {
				nodeAffinityValid = false
			}
		}

		if IsVolumeBoundToClaim(volume, claim) {
			// If PV node affinity is invalid, return no match.
			// This means the prebound PV (and therefore PVC)
			// is not suitable for this node.
			if !nodeAffinityValid {
				return nil, nil
			}

			return volume, nil
		}

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

		// filter out:
		// - volumes in non-available phase
		// - volumes whose labels don't match the claim's selector, if specified
		// - volumes in Class that is not requested
		// - volumes whose NodeAffinity does not match the node
		if volume.Status.Phase != v1.VolumeAvailable {
			// We ignore volumes in non-available phase, because volumes that
			// satisfies matching criteria will be updated to available, binding
			// them now has high chance of encountering unnecessary failures
			// due to API conflicts.
			continue
		} else if selector != nil && !selector.Matches(labels.Set(volume.Labels)) {
			continue
		}
		if GetPersistentVolumeClass(volume) != requestedClass {
			continue
		}
		if !nodeAffinityValid {
			continue
		}

		if node != nil {
			// Scheduler path
			// Check that the access modes match
			if !CheckAccessModes(claim, volume) {
				continue
			}
		}

		if smallestVolume == nil || smallestVolumeQty.Cmp(volumeQty) > 0 {
			smallestVolume = volume
			smallestVolumeQty = volumeQty
		}
	}

	if smallestVolume != nil {
		// Found a matching volume
		return smallestVolume, nil
	}

	return nil, nil
}

kubelet 繫結

if err := os.MkdirAll(dir, 0750); err != nil {
		return err
}
source := fmt.Sprintf("%s:%s", nfsMounter.server, nfsMounter.exportPath)
options := []string{}
if nfsMounter.readOnly {
  options = append(options, "ro")
}
mountOptions := util.JoinMountOptions(nfsMounter.mountOptions, options)
err = nfsMounter.mounter.MountSensitiveWithoutSystemd(source, dir, "nfs", mountOptions, nil)

kubelet 就會在呼叫 sudo mount -t nfs ... 命令把 nfs 繫結到主機上繫結的目錄大概為 /var/lib/kubelet/pods/[POD-ID]/volumes/

StorageClass

StorageClass 是 Kubernetes 中用來定義儲存卷的型別的資源物件，StorageClass 用來定義儲存卷的型別，比如 NFS、iSCSI、Ceph、GlusterFS 等儲存卷。StorageClass 是叢集級別的資源，由叢集管理員建立，使用者可以使用 StorageClass 來動態建立 PV。

動態建立儲存卷

動態建立儲存卷相比靜態建立儲存卷，少了叢集管理員的干預，流程如下圖所示：

建立一個 StorageClass pvc pod

apiVersion: storage.k8s.io/v1
kind: StorageClass
metadata:
  name: local-storage
provisioner: rancher.io/local-path
reclaimPolicy: Delete
volumeBindingMode: WaitForFirstConsumer
---
apiVersion: v1
kind: PersistentVolumeClaim
metadata:
  name: my-local-pvc
spec:
  accessModes:
    - ReadWriteOnce
  resources:
    requests:
      storage: 128Mi
  storageClassName: local-storage
---
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: test
spec:
  containers:
  - image: ubuntu:22.04
    name: ubuntu
    command:
    - /bin/sh
    - -c
    - sleep 10000
    volumeMounts:
    - mountPath: /data
      name: my-local-pvc
  volumes:
  - name: my-local-pvc
    persistentVolumeClaim:
      claimName: my-local-pvc

檢視 pv

❯ kubectl get pv
NAME                                       CAPACITY   ACCESS MODES   RECLAIM POLICY   STATUS   CLAIM                  STORAGECLASS    REASON   AGE
pvc-9d257d8a-29a8-4abf-a1e2-c7e4953fc0ca   128Mi      RWO            Delete           Bound    default/my-local-pvc   local-storage            85s

StorageClass 建立 pv 流程

// 還是 syncUnboundClaim 中
// volume 為空，說明沒有找到合適的 pv 那麼去檢查 如果 pvc 的 storageClassName 不為空，那麼就會去找到對應的 storageClass
if volume == nil {

			switch {
			case delayBinding && !storagehelpers.IsDelayBindingProvisioning(claim):
        // ......
			case storagehelpers.GetPersistentVolumeClaimClass(claim) != "":
				// 如果 pvc 的 storageClassName 不為空，那麼就會去找到對應的 storageClass
				if err = ctrl.provisionClaim(ctx, claim); err != nil {
					return err
				}
				return nil
			default:
			}
			return nil
}

func (ctrl *PersistentVolumeController) provisionClaim(ctx context.Context, claim *v1.PersistentVolumeClaim) error {
	plugin, storageClass, err := ctrl.findProvisionablePlugin(claim)
	ctrl.scheduleOperation(logger, opName, func() error {
		var err error
		if plugin == nil {
      // 如果是外部的 provisioner 這裡我們就安裝了 rancher.io/local-path 這個外掛
      // 所以這裡會呼叫 provisionClaimOperationExternal
			_, err = ctrl.provisionClaimOperationExternal(ctx, claim, storageClass)
		} else {
      // 內部的 provisioner 直接處理
			_, err = ctrl.provisionClaimOperation(ctx, claim, plugin, storageClass)
		}
		return err
	})
	return nil
}

// 如果是外部的 provisioner 會在 pvc 的 annotations 加入 volume.beta.kubernetes.io/storage-provisioner: rancher.io/local-path 和 volume.kubernetes.io/storage-provisioner: rancher.io/local-path
func (ctrl *PersistentVolumeController) setClaimProvisioner(ctx context.Context, claim *v1.PersistentVolumeClaim, provisionerName string) (*v1.PersistentVolumeClaim, error) {
	if val, ok := claim.Annotations[storagehelpers.AnnStorageProvisioner]; ok && val == provisionerName {
		// annotation is already set, nothing to do
		return claim, nil
	}

	// The volume from method args can be pointing to watcher cache. We must not
	// modify these, therefore create a copy.
	claimClone := claim.DeepCopy()
	// TODO: remove the beta storage provisioner anno after the deprecation period
	logger := klog.FromContext(ctx)
	metav1.SetMetaDataAnnotation(&claimClone.ObjectMeta, storagehelpers.AnnBetaStorageProvisioner, provisionerName)
	metav1.SetMetaDataAnnotation(&claimClone.ObjectMeta, storagehelpers.AnnStorageProvisioner, provisionerName)
	updateMigrationAnnotations(logger, ctrl.csiMigratedPluginManager, ctrl.translator, claimClone.Annotations, true)
	newClaim, err := ctrl.kubeClient.CoreV1().PersistentVolumeClaims(claim.Namespace).Update(ctx, claimClone, metav1.UpdateOptions{})
	if err != nil {
		return newClaim, err
	}
	_, err = ctrl.storeClaimUpdate(logger, newClaim)
	if err != nil {
		return newClaim, err
	}
	return newClaim, nil
}

kubernetes external provisioner

kubernetes external provisioner 是一個獨立的程序，用來動態建立 PV，它透過監聽 StorageClass 的事件，當 StorageClass 的 ReclaimPolicy 為 Retain 時，會建立 PV。

在這裡我新建一個關於 nfs 的 external provisioner

package main

import (
	"context"
	"fmt"
	"path/filepath"

	"github.com/golang/glog"
	v1 "k8s.io/api/core/v1"
	metav1 "k8s.io/apimachinery/pkg/apis/meta/v1"
	"k8s.io/client-go/kubernetes"
	"k8s.io/client-go/tools/clientcmd"
	"k8s.io/client-go/util/homedir"
	"sigs.k8s.io/controller-runtime/pkg/log"
	"sigs.k8s.io/sig-storage-lib-external-provisioner/v10/controller"
)

const provisionerName = "provisioner.test.com/nfs"

var _ controller.Provisioner = &nfsProvisioner{}

type nfsProvisioner struct {
	client kubernetes.Interface
}

func (p *nfsProvisioner) Provision(ctx context.Context, options controller.ProvisionOptions) (*v1.PersistentVolume, controller.ProvisioningState, error) {
	if options.PVC.Spec.Selector != nil {
		return nil, controller.ProvisioningFinished, fmt.Errorf("claim Selector is not supported")
	}
	glog.V(4).Infof("nfs provisioner: VolumeOptions %v", options)

	pv := &v1.PersistentVolume{
		ObjectMeta: metav1.ObjectMeta{
			Name: options.PVName,
		},
		Spec: v1.PersistentVolumeSpec{
			PersistentVolumeReclaimPolicy: *options.StorageClass.ReclaimPolicy,
			AccessModes:                   options.PVC.Spec.AccessModes,
			MountOptions:                  options.StorageClass.MountOptions,
			Capacity: v1.ResourceList{
				v1.ResourceName(v1.ResourceStorage): options.PVC.Spec.Resources.Requests[v1.ResourceName(v1.ResourceStorage)],
			},
			PersistentVolumeSource: v1.PersistentVolumeSource{
				NFS: &v1.NFSVolumeSource{
					Server:   options.StorageClass.Parameters["server"],
					Path:     options.StorageClass.Parameters["path"],
					ReadOnly: options.StorageClass.Parameters["readOnly"] == "true",
				},
			},
		},
	}

	return pv, controller.ProvisioningFinished, nil
}

func (p *nfsProvisioner) Delete(ctx context.Context, volume *v1.PersistentVolume) error {
	// 因為是 nfs 沒有產生實際的資源，所以這裡不需要刪除
	// 如果在 provisioner 中建立了資源，那麼這裡需要刪除
	// 一般是呼叫 csi 建立/刪除資源
	return nil
}

func main() {
	l := log.FromContext(context.Background())
	config, err := clientcmd.BuildConfigFromFlags("", filepath.Join(homedir.HomeDir(), ".kube", "config"))
	if err != nil {
		glog.Fatalf("Failed to create kubeconfig: %v", err)
	}
	clientset, err := kubernetes.NewForConfig(config)
	if err != nil {
		glog.Fatalf("Failed to create client: %v", err)
	}

	clientNFSProvisioner := &nfsProvisioner{
		client: clientset,
	}

	pc := controller.NewProvisionController(l,
		clientset,
		provisionerName,
		clientNFSProvisioner,
		controller.LeaderElection(true),
	)
	glog.Info("Starting provision controller")
	pc.Run(context.Background())
}

建立一個 nfs 的 storageClass

apiVersion: storage.k8s.io/v1
kind: StorageClass
metadata:
  name: my-nfs
provisioner: provisioner.test.com/nfs
reclaimPolicy: Delete
volumeBindingMode: Immediate
parameters:
  server: "192.168.203.110"
  path: /data/nfs
  readOnly: "false"

apiVersion: v1
kind: PersistentVolumeClaim
metadata:
  name: my-nfs-pvc
spec:
  storageClassName: my-nfs
  accessModes:
  - ReadWriteOnce
  resources:
    requests:
      storage: 1Gi

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: test-nfs
spec:
  containers:
  - image: ubuntu:22.04
    name: ubuntu
    command:
    - /bin/sh
    - -c
    - sleep 10000
    volumeMounts:
    - mountPath: /data
      name: my-nfs-pvc
  volumes:
  - name: my-nfs-pvc
    persistentVolumeClaim:
      claimName: my-nfs-pvc

❯ kubectl exec -it test-nfs -- cat /data/nfs
192.168.203.110:/data/nfs

CSI 流程

持久化儲存流程圖如下：

Provisioner

當部署 csi-controller 時，會啟動一個伴生容器，專案地址為 https://github.com/kubernetes-csi/external-provisioner 這個專案是一個 csi 的 provisioner
它會監控屬於自己的pvc，當有新的pvc建立時，會呼叫 csi 的 createVolume 方法，建立一個 volume，然後建立一個 pv。當 pvc 刪除時，會呼叫 csi 的 deleteVolume 方法，然後刪除 volume 和 pv。

Attacher

external-attacher 也是 csi-controller 的伴生容器，專案地址為 https://github.com/kubernetes-csi/external-attacher 這個專案是一個 csi 的 attacher, 它會監控 AttachDetachController 資源，當有新的資源建立時，會呼叫 csi 的 controllerPublishVolume 方法，掛載 volume 到 node 上。當資源刪除時，會呼叫 csi 的 controllerUnpublishVolume 方法，解除安裝 volume。

Snapshotter

external-snapshotter 也是 csi-controller 的伴生容器，專案地址為 https://github.com/kubernetes-csi/external-snapshotter 這個專案是一個 csi 的 snapshotter, 它會監控 VolumeSnapshot 資源，當有新的資源建立時，會呼叫 csi 的 createSnapshot 方法，建立一個快照。當資源刪除時，會呼叫 csi 的 deleteSnapshot 方法，刪除快照。

csi-node

csi-node 是一個 kubelet 的外掛，所以它需要每個節點上都執行，當 pod 建立時，並且 VolumeAttachment 的 .spec.Attached 時，kubelet 會呼叫 csi 的 NodeStageVolume 函式，之後外掛（csiAttacher）呼叫內部 in-tree CSI 外掛（csiMountMgr）的 SetUp 函式，該函式內部會呼叫 csi 的 NodePublishVolume 函式，掛載 volume 到 pod 上。當 pod 刪除時，kubelet 觀察到包含 CSI 儲存卷的 Pod 被刪除，於是呼叫內部 in-tree CSI 外掛（csiMountMgr）的 TearDown 函式，該函式內部會透過 unix domain socket 呼叫外部 CSI 外掛的 NodeUnpublishVolume 函式。kubelet 呼叫內部 in-tree CSI 外掛（csiAttacher）的 UnmountDevice 函式，該函式內部會透過 unix domain socket 呼叫外部 CSI 外掛的 NodeUnstageVolume 函式。

csi-node-driver-registrar

這個是 csi-node 的伴生容器，專案地址為 https://github.com/kubernetes-csi/node-driver-registrar,
它的主要作用是向 kubelet 註冊 csi 外掛，kubelet 會呼叫 csi 外掛的 Probe 方法，如果返回成功，kubelet 會呼叫 csi 外掛的 NodeGetInfo 方法，獲取節點資訊。

csi-livenessprobe

這個是 csi-node 的伴生容器，專案地址為 https://github.com/kubernetes-csi/livenessprobe, 它的主要作用是給 kubernetes 的 livenessprobe 提供一個介面，用來檢查 csi 外掛是否正常執行。它在 /healthz 時，會呼叫 csi 的 Probe 方法，如果返回成功，返回 200，否則返回 500。

Reference

https://developer.aliyun.com/article/754434
https://developer.aliyun.com/article/783464

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