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Kubernetes-深入理解 StatefulSet

背景

无状态应用

一个应用的所有 Pod，是完全一样的。它们互相之间没有顺序，也无所谓运行在哪台宿主机上。需要的时候，Deployment 就可以通过 Pod 模板创建新的 Pod；不需要的时候，Deployment 就可以“杀掉”任意一个 Pod。这种情况就被称为 “无状态应用”（Stateless Application）

有状态应用

在分布式应用中，它的多个实例之间，往往有依赖关系，比如：主从关系、主备关系。

还有就是数据存储类应用，它的多个实例，往往都会在本地磁盘上保存一份数据。而这些实例一旦被杀掉，即便重建出来，实例与数据之间的对应关系也已经丢失，从而导致应用失败。

这种实例之间有不对等关系，以及实例对外部数据有依赖关系的应用，就被称为“有状态应用”（Stateful Application）。

编排工具StatefulSet简介

容器技术诞生后，大家很快发现，它用来封装“无状态应用”（Stateless Application），尤其是 Web 服务，非常好用。但是，一旦你想要用容器运行“有状态应用”（Stateful Application），其困难程度就会直线上升。而且，这个问题解决起来，单纯依靠容器技术本身已经无能为力，这也就导致了很长一段时间内，“有状态应用”几乎成了容器技术圈子的“忌讳”，大家一听到这个词，就纷纷摇头。

得益于“控制器模式”的设计思想，Kubernetes 项目很早就在 Deployment 的基础上，扩展出了对“有状态应用”的初步支持。这个编排功能，就是：StatefulSet。StatefulSet 其实可以认为是对 Deployment 的改良。

StatefulSet 的设计其实非常容易理解。它把真实世界里的应用状态，抽象为了两种情况：

拓扑状态。

应用的多个实例之间不是完全对等的关系。这些应用实例，必须按照某些顺序启动，比如应用的主节点 A 要先于从节点 B 启动。而如果你把 A 和 B 两个 Pod 删除掉，它们再次被创建出来时也必须严格按照这个顺序才行。并且，新创建出来的 Pod，必须和原来 Pod 的网络标识一样，这样原先的访问者才能使用同样的方法，访问到这个新 Pod。

存储状态。

应用的多个实例分别绑定了不同的存储数据。对于这些应用实例来说，Pod A 第一次读取到的数据，和隔了十分钟之后再次读取到的数据，应该是同一份，哪怕在此期间 Pod A 被重新创建过。这种情况最典型的例子，就是一个数据库应用的多个存储实例。

StatefulSet 的核心功能，就是通过某种方式记录这些状态，然后在 Pod 被重新创建时，能够为新 Pod 恢复这些状态。

Headless Service介绍

在开始掌握 StatefulSet 的工作原理之前，就必须先了解一个 Kubernetes 项目中非常实用的概念：Headless Service。

Service 是 Kubernetes 项目中用来将一组 Pod 暴露给外界访问的一种机制。比如，一个 Deployment 有 3 个 Pod，那么我就可以定义一个 Service。然后，用户只要能访问到这个 Service，它就能访问到某个具体的 Pod。

Service的访问方式

Virtual IP(虚拟 IP)

第一种方式，是以 Service 的 VIP（Virtual IP，即：虚拟 IP）方式。当访问 10.0.23.1 这个 Service 的 IP 地址时，10.0.23.1 其实就是一个 VIP，它会把请求转发到该 Service 所代理的某一个 Pod 上。

Service DNS

第二种方式，就是以 Service 的 DNS 方式。只要访问“my-svc.my-namespace.svc.cluster.local”这条 DNS 记录，就可以访问到名叫 my-svc 的 Service 所代理的某一个 Pod。

在 Service DNS 的方式下，具体还可以分为两种处理方法：

Normal Service

在这种情况下，你访问“my-svc.my-namespace.svc.cluster.local”解析到的，正是 my-svc 这个 Service 的 VIP，后面的流程就跟 VIP 方式一致了。

Headless Service

在这种情况下，你访问“my-svc.my-namespace.svc.cluster.local”解析到的，直接就是 my-svc 代理的某一个 Pod 的 IP 地址。可以看到，这里的区别在于，Headless Service 不需要分配一个 VIP，而是可以直接以 DNS 记录的方式解析出被代理 Pod 的 IP 地址。

Headless Service生成DNS记录

从 Headless Service 的定义方式来分析一下。

下面是一个标准的 Headless Service 对应的 YAML 文件：svc.yaml

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apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: nginx
  labels:
    app: nginx
spec:
  ports:
  - port: 80
    name: web
  clusterIP: None
  selector:
    app: nginx

可以看到，所谓的 Headless Service，其实仍是一个标准 Service 的 YAML 文件。只不过，它的 clusterIP 字段的值是：None，即：这个 Service，没有一个 VIP 作为“头”。这也就是 Headless 的含义。所以，这个 Service 被创建后并不会被分配一个 VIP，而是会以 DNS 记录的方式暴露出它所代理的 Pod。

而它所代理的 Pod，依然是采用 Label Selector 机制选择出来的，即：所有携带了 app=nginx 标签的 Pod，都会被这个 Service 代理起来。

当你按照这样的方式创建了一个 Headless Service 之后，它所代理的所有 Pod 的 IP 地址，都会被绑定一个这样格式的 DNS 记录，如下所示：

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<pod-name>.<svc-name>.<namespace>.svc.cluster.local

这个 DNS 记录，正是 Kubernetes 项目为 Pod 分配的唯一的“可解析身份”（Resolvable Identity）。

有了这个“可解析身份”，只要你知道了一个 Pod 的名字，以及它对应的 Service 的名字，你就可以非常确定地通过这条 DNS 记录访问到 Pod 的 IP 地址。

StatefulSet维持 Pod 的拓扑状态

StatefulSet 是使用这个 DNS 记录来维持 Pod 的拓扑状态的，具体流程如下：

先来编写一个 StatefulSet 的 YAML 文件，如下所示：statefulset.yaml

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apiVersion: apps/v1
kind: StatefulSet
metadata:
  name: web
spec:
  serviceName: "nginx"
  replicas: 2
  selector:
    matchLabels:
      app: nginx
  template:
    metadata:
      labels:
        app: nginx
    spec:
      containers:
      - name: nginx
        image: nginx:1.9.1
        ports:
        - containerPort: 80
          name: web

这个 YAML 文件，和之前用到的 nginx-deployment 的唯一区别，就是多了一个 serviceName=nginx 字段。

这个字段的作用，就是告诉 StatefulSet 控制器，在执行控制循环（Control Loop）的时候，请使用 nginx 这个 Headless Service 来保证 Pod 的“可解析身份”。

所以，当通过 kubectl create 创建了上面这个 Service 和 StatefulSet 之后，就会看到如下两个对象：

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$ kubectl create -f svc.yaml
$ kubectl get service nginx
NAME      TYPE         CLUSTER-IP   EXTERNAL-IP   PORT(S)   AGE
nginx     ClusterIP    None         <none>        80/TCP    10s

$ kubectl create -f statefulset.yaml
$ kubectl get statefulset web
NAME      DESIRED   CURRENT   AGE
web       2         1         19s

可以通过 kubectl 的 -w 参数，即：Watch 功能，实时查看 StatefulSet 创建两个有状态实例的过程：

备注：如果手不够快的话，Pod 很快就创建完了。不过，依然可以通过这个 StatefulSet 的 Events 看到这些信息。

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$ kubectl get pods -w -l app=nginx
NAME      READY     STATUS    RESTARTS   AGE
web-0     0/1       Pending   0          0s
web-0     0/1       Pending   0         0s
web-0     0/1       ContainerCreating   0         0s
web-0     1/1       Running   0         19s
web-1     0/1       Pending   0         0s
web-1     0/1       Pending   0         0s
web-1     0/1       ContainerCreating   0         0s
web-1     1/1       Running   0         20s

通过上面这个 Pod 的创建过程，可以看到，StatefulSet 给它所管理的所有 Pod 的名字，进行了编号，编号规则是：StatefulSet的名字+—+index。

而且这些编号都是从 0 开始累加，与 StatefulSet 的每个 Pod 实例一一对应，绝不重复。

更重要的是，这些 Pod 的创建，也是严格按照编号顺序进行的。比如，在 web-0 进入到 Running 状态、并且细分状态（Conditions）成为 Ready 之前，web-1 会一直处于 Pending 状态。

备注：Ready 状态再一次提醒了我们，为 Pod 设置 livenessProbe 和 readinessProbe 的重要性。

当这两个 Pod 都进入了 Running 状态之后，就可以查看到它们各自唯一的“网络身份”了。

使用 kubectl exec 命令进入到容器中查看它们的 hostname：

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$ kubectl exec web-0 -- sh -c 'hostname'
web-0
$ kubectl exec web-1 -- sh -c 'hostname'
web-1

可以看到，这两个 Pod 的 hostname 与 Pod 名字是一致的，都被分配了对应的编号。接下来，我们再试着以 DNS 的方式，访问一下这个 Headless Service：

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$ kubectl run -i --tty --image busybox:1.28.4 dns-test --restart=Never --rm /bin/sh

通过这条命令，启动了一个一次性的 Pod，因为–rm 意味着 Pod 退出后就会被删除掉。然后，在这个 Pod 的容器里面，尝试用 nslookup 命令，解析一下 Pod 对应的 Headless Service：

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$ kubectl run -i --tty --image busybox:1.28.4 dns-test --restart=Never --rm /bin/sh
$ nslookup web-0.nginx
Server:    10.0.0.10
Address 1: 10.0.0.10 kube-dns.kube-system.svc.cluster.local

Name:      web-0.nginx
Address 1: 10.244.1.7

$ nslookup web-1.nginx
Server:    10.0.0.10
Address 1: 10.0.0.10 kube-dns.kube-system.svc.cluster.local

Name:      web-1.nginx
Address 1: 10.244.2.7

从 nslookup 命令的输出结果中，我们可以看到，在访问 web-0.nginx 的时候，最后解析到的，正是 web-0 这个 Pod 的 IP 地址；而当访问 web-1.nginx 的时候，解析到的则是 web-1 的 IP 地址。

这时候，如果在另外一个 Terminal 里把这两个“有状态应用”的 Pod 删掉：

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$ kubectl delete pod -l app=nginx
pod "web-0" deleted
pod "web-1" deleted

然后，再在当前 Terminal 里 Watch 一下这两个 Pod 的状态变化，就会发现一个有趣的现象：

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$ kubectl get pod -w -l app=nginx
NAME      READY     STATUS              RESTARTS   AGE
web-0     0/1       ContainerCreating   0          0s
NAME      READY     STATUS    RESTARTS   AGE
web-0     1/1       Running   0          2s
web-1     0/1       Pending   0         0s
web-1     0/1       ContainerCreating   0         0s
web-1     1/1       Running   0         32s

可以看到，当我们把这两个 Pod 删除之后，Kubernetes 会按照原先编号的顺序，创建出了两个新的 Pod。并且，Kubernetes 依然为它们分配了与原来相同的“网络身份”：web-0.nginx 和 web-1.nginx。

通过这种严格的对应规则，StatefulSet 就保证了 Pod 网络标识的稳定性。

比如，如果 web-0 是一个需要先启动的主节点，web-1 是一个后启动的从节点，那么只要这个 StatefulSet 不被删除，你访问 web-0.nginx 时始终都会落在主节点上，访问 web-1.nginx 时，则始终都会落在从节点上，这个关系绝对不会发生任何变化。

所以，如果我们再用 nslookup 命令，查看一下这个新 Pod 对应的 Headless Service 的话：

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$ kubectl run -i --tty --image busybox dns-test --restart=Never --rm /bin/sh 
$ nslookup web-0.nginx
Server:    10.0.0.10
Address 1: 10.0.0.10 kube-dns.kube-system.svc.cluster.local

Name:      web-0.nginx
Address 1: 10.244.1.8

$ nslookup web-1.nginx
Server:    10.0.0.10
Address 1: 10.0.0.10 kube-dns.kube-system.svc.cluster.local

Name:      web-1.nginx
Address 1: 10.244.2.8

我们可以看到，在这个 StatefulSet 中，这两个新 Pod 的“网络标识”（比如：web-0.nginx 和 web-1.nginx），再次解析到了正确的 IP 地址（比如：web-0 Pod 的 IP 地址 10.244.1.8）。

通过这种方法，Kubernetes 就成功地将 Pod 的拓扑状态（比如：哪个节点先启动，哪个节点后启动），按照 Pod 的“名字 + 编号”的方式固定了下来。此外，Kubernetes 还为每一个 Pod 提供了一个固定并且唯一的访问入口，即：这个 Pod 对应的 DNS 记录。

这些状态，在 StatefulSet 的整个生命周期里都会保持不变，绝不会因为对应 Pod 的删除或者重新创建而失效。

不过，相信你也已经注意到了，尽管 web-0.nginx 这条记录本身不会变，但它解析到的 Pod 的 IP 地址，并不是固定的。这就意味着，对于“有状态应用”实例的访问，你必须使用 DNS 记录或者 hostname 的方式，而绝不应该直接访问这些 Pod 的 IP 地址。

StatefulSet维持 Pod 的存储状态

Kubernetes 项目引入了一组叫作 Persistent Volume Claim（PVC）和 Persistent Volume（PV）的 API 对象，大大降低了用户声明和使用持久化 Volume 的门槛。

要使用一个 Volume，只需要简单的两步即可：

  1. 定义一个 PVC

这个 PVC 对象里，不需要任何关于 Volume 细节的字段，只有描述性的属性和定义

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kind: PersistentVolumeClaim
apiVersion: v1
metadata:
  name: pv-claim
spec:
  accessModes:
  # 挂载方式是可读写,并且只能被挂载在一个节点上而非被多个节点共享
  - ReadWriteOnce
  resources:
    requests:
      # Volume 大小至少是 1 GiB
      storage: 1Gi
  1. 在应用的 Pod 中，声明使用这个 PVC：
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apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: pv-pod
spec:
  containers:
    - name: pv-container
      image: nginx
      ports:
        - containerPort: 80
          name: "http-server"
      volumeMounts:
        - mountPath: "/usr/share/nginx/html"
          name: pv-storage
  volumes:
    - name: pv-storage
     # 声明Volumes的类型是 persistentVolumeClaim
      persistentVolumeClaim:
        # 指定 PVC 的名字
        claimName: pv-claim

只要创建这个 PVC 对象，Kubernetes 就会自动为它绑定一个符合条件的 PV（Persistent Volume）对象

常见的 PV 对象的 YAML 文件：

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kind: PersistentVolume
apiVersion: v1
metadata:
  name: pv-volume
  labels:
    type: local
spec:
  capacity:
    storage: 10Gi
  accessModes:
    - ReadWriteOnce
  rbd:
    monitors:
    # 使用 kubectl get pods -n rook-ceph 查看 rook-ceph-mon- 开头的 POD IP 即可得下面的列表
    - '10.16.154.78:6789'
    - '10.16.154.82:6789'
    - '10.16.154.83:6789'
    pool: kube
    image: foo
    fsType: ext4
    readOnly: true
    user: admin
    keyring: /etc/ceph/keyring

Kubernetes 中 PVC 和 PV 的设计，实际上类似于“接口”和“实现”的思想。开发者只要知道并会使用“接口”，即：PVC；而运维人员则负责给“接口”绑定具体的实现，即：PV。

拓扑状态和存储状态联合使用

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apiVersion: apps/v1
kind: StatefulSet
metadata:
  name: web
spec:
  serviceName: "nginx"
  replicas: 2
  selector:
    matchLabels:
      app: nginx
  template:
    metadata:
      labels:
        app: nginx
    spec:
      containers:
      - name: nginx
        image: nginx:1.9.1
        ports:
        - containerPort: 80
          name: web
        volumeMounts:
        - name: www
          mountPath: /usr/share/nginx/html
  volumeClaimTemplates:
  - metadata:
      name: www
    spec:
      accessModes:
      - ReadWriteOnce
      resources:
        requests:
          storage: 1Gi

为这个 StatefulSet 额外添加了一个 volumeClaimTemplates 字段。从名字就可以看出来，它跟 Deployment 里 Pod 模板（PodTemplate）的作用类似。也就是说，凡是被这个 StatefulSet 管理的 Pod，都会声明一个对应的 PVC；而这个 PVC 的定义，就来自于 volumeClaimTemplates 这个模板字段。更重要的是，这个 PVC 的名字，会被分配一个与这个 Pod 完全一致的编号。

这个自动创建的 PVC，与 PV 绑定成功后，就会进入 Bound 状态，这就意味着这个 Pod 可以挂载并使用这个 PV 了。

如果还是不太理解 PVC 的话，可以先记住这样一个结论：PVC 其实就是一种特殊的 Volume。只不过一个 PVC 具体是什么类型的 Volume，要在跟某个 PV 绑定之后才知道。

当然，PVC 与 PV 的绑定得以实现的前提是，运维人员已经在系统里创建好了符合条件的 PV（比如，我们在前面用到的 pv-volume）；或者，你的 Kubernetes 集群运行在公有云上，这样 Kubernetes 就会通过 Dynamic Provisioning 的方式，自动为你创建与 PVC 匹配的 PV。

所以，在使用 kubectl create 创建了 StatefulSet 之后，就会看到 Kubernetes 集群里出现了两个 PVC：

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$ kubectl create -f statefulset.yaml
$ kubectl get pvc -l app=nginx
NAME        STATUS    VOLUME                                     CAPACITY   ACCESSMODES   AGE
www-web-0   Bound     pvc-15c268c7-b507-11e6-932f-42010a800002   1Gi        RWO           48s
www-web-1   Bound     pvc-15c79307-b507-11e6-932f-42010a800002   1Gi        RWO           48s

可以看到，这些 PVC，都以“<PVC 名字 >-<StatefulSet 名字 >-< 编号 >”的方式命名，并且处于 Bound 状态。

这个 StatefulSet 创建出来的所有 Pod，都会声明使用编号的 PVC。比如，在名叫 web-0 的 Pod 的 volumes 字段，它会声明使用名叫 www-web-0 的 PVC，从而挂载到这个 PVC 所绑定的 PV。

所以，就可以使用如下所示的指令，在 Pod 的 Volume 目录里写入一个文件，来验证一下上述 Volume 的分配情况：

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$ for i in 0 1; do kubectl exec web-$i -- sh -c 'echo hello $(hostname) > /usr/share/nginx/html/index.html'; done

如上所示，通过 kubectl exec 指令，在每个 Pod 的 Volume 目录里，写入了一个 index.html 文件。这个文件的内容，正是 Pod 的 hostname。比如，在 web-0 的 index.html 里写入的内容就是”hello web-0”。

此时，如果你在这个 Pod 容器里访问“http://localhost”，你实际访问到的就是 Pod 里 Nginx 服务器进程，而它会为你返回 /usr/share/nginx/html/index.html 里的内容。这个操作的执行方法如下所示：

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$ for i in 0 1; do kubectl exec -it web-$i -- curl localhost; done
hello web-0
hello web-1

如果你使用 kubectl delete 命令删除这两个 Pod，这些 Volume 里的文件也不会丢失。也就是说，原先与名叫 web-0 的 Pod 绑定的 PV，在这个 Pod 被重新创建之后，依然同新的名叫 web-0 的 Pod 绑定在了一起。对于 Pod web-1 来说，也是完全一样的情况。

保持存储状态的原理：

首先，当你把一个 Pod，比如 web-0，删除之后，这个 Pod 对应的 PVC 和 PV，并不会被删除，而这个 Volume 里已经写入的数据，也依然会保存在远程存储服务里（比如，我们在这个例子里用到的 Ceph 服务器）。

此时，StatefulSet 控制器发现，一个名叫 web-0 的 Pod 消失了。所以，控制器就会重新创建一个新的、名字还是叫作 web-0 的 Pod 来，“纠正”这个不一致的情况。

需要注意的是，在这个新的 Pod 对象的定义里，它声明使用的 PVC 的名字，还是叫作：www-web-0。这个 PVC 的定义，还是来自于 PVC 模板（volumeClaimTemplates），这是 StatefulSet 创建 Pod 的标准流程。

所以，在这个新的 web-0 Pod 被创建出来之后，Kubernetes 为它查找名叫 www-web-0 的 PVC 时，就会直接找到旧 Pod 遗留下来的同名的 PVC，进而找到跟这个 PVC 绑定在一起的 PV。

这样，新的 Pod 就可以挂载到旧 Pod 对应的那个 Volume，并且获取到保存在 Volume 里的数据。

StatefulSet 的工作原理

首先，StatefulSet 的控制器直接管理的是 Pod。这是因为，StatefulSet 里的不同 Pod 实例，不再像 ReplicaSet 中那样都是完全一样的，而是有了细微区别的。比如，每个 Pod 的 hostname、名字等都是不同的、携带了编号的。而 StatefulSet 区分这些实例的方式，就是通过在 Pod 的名字里加上事先约定好的编号。

其次，Kubernetes 通过 Headless Service，为这些有编号的 Pod，在 DNS 服务器中生成带有同样编号的 DNS 记录。只要 StatefulSet 能够保证这些 Pod 名字里的编号不变，那么 Service 里类似于 web-0.nginx.default.svc.cluster.local 这样的 DNS 记录也就不会变，而这条记录解析出来的 Pod 的 IP 地址，则会随着后端 Pod 的删除和再创建而自动更新。这当然是 Service 机制本身的能力，不需要 StatefulSet 操心。

最后，StatefulSet 还为每一个 Pod 分配并创建一个同样编号的 PVC。这样，Kubernetes 就可以通过 Persistent Volume 机制为这个 PVC 绑定上对应的 PV，从而保证了每一个 Pod 都拥有一个独立的 Volume。

在这种情况下，即使 Pod 被删除，它所对应的 PVC 和 PV 依然会保留下来。所以当这个 Pod 被重新创建出来之后，Kubernetes 会为它找到同样编号的 PVC，挂载这个 PVC 对应的 Volume，从而获取到以前保存在 Volume 里的数据。

Kubernetes-深入理解 StatefulSet

https://blog.buubiu.com/Kubernetes-深入理解-StatefulSet/

作者

buubiu

发布于

2021-05-30

更新于

2024-01-25

许可协议

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