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kubernetes工作负载资源StatefulSet

著作：行癫 <盗版必究>

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一：StatefulSet

​ StatefulSet 是用来管理有状态应用的工作负载 API 对象；StatefulSet 用来管理某 Pod 集合的部署和扩缩， 并为这些 Pod 提供持久存储和持久标识符；和 Deployment 类似， StatefulSet 管理基于相同容器规约的一组 Pod。但不同的是， StatefulSet 为它们的每个 Pod 维护了一个有粘性的 ID。这些 Pod 是基于相同的规约来创建的， 但是不能相互替换：无论怎么调度，每个 Pod 都有一个永久不变的 ID。

​ 使用存储卷为工作负载提供持久存储，可以使用 StatefulSet 作为解决方案的一部分。 尽管 StatefulSet 中的单个 Pod 仍可能出现故障， 但持久的 Pod 标识符使得将现有卷与替换已失败 Pod 的新 Pod 相匹配变得更加容易。

1.特点

StatefulSets 对于需要满足以下一个或多个需求的应用程序很有价值：

​ 稳定的、唯一的网络标识符

​ 稳定的、持久的存储

​ 有序的、优雅的部署和缩放

​ 有序的、自动的滚动更新

​ 稳定的意味着 Pod 调度或重调度的整个过程是有持久性的。 如果应用程序不需要任何稳定的标识符或有序的部署、删除或伸缩，则应该使用 由一组无状态的副本控制器提供的工作负载来部署应用程序，比如Deployment或者ReplicaSet 可能更适用于你的无状态应用部署需要。

2.限制

​ 给定 Pod 的存储必须由 PersistentVolume 驱动 基于所请求的 storage class 来提供，或者由管理员预先提供

​ 删除或者收缩 StatefulSet 并不会删除它关联的存储卷。 这样做是为了保证数据安全

​ StatefulSet 当前需要无头服务来负责 Pod 的网络标识。你需要负责创建此服务

​ 当删除 StatefulSets 时，StatefulSet 不提供任何终止 Pod 的保证

​ 为了实现 StatefulSet 中的 Pod 可以有序地且体面地终止，可以在删除之前将 StatefulSet 缩放为 0

注意：

无头服务（Headless Services）：

​ 有时不需要或不想要负载均衡，以及单独的 Service IP。 遇到这种情况，可以通过指定 Cluster IP（spec.clusterIP）的值为 "None" 来创建 Headless Service。

​ 使用无头 Service 与其他服务发现机制进行接口，而不必与 Kubernetes 的实现捆绑在一起

​ 无头 Service 并不会分配 Cluster IP，kube-proxy 不会处理它们， 而且平台也不会为它们进行负载均衡和路由。 DNS 如何实现自动配置，依赖于 Service 是否定义了选择算符。

3.创建StatefulSet

[root@master xingdian]# cat Statefulset.yaml
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: nginx
  labels:
    app: nginx
spec:
  type: NodePort
  ports:
  - port: 80
    name: web
    targetPort: 80
    nodePort: 30010
  selector:
    app: nginx
---
apiVersion: storage.k8s.io/v1
kind: StorageClass
metadata:
  name: xingdian
provisioner: example.com/external-nfs
parameters:
  server: 10.0.0.230
  path: /kubernetes-1
  readOnly: "false"
---
apiVersion: v1
kind: PersistentVolume
metadata:
  name: xingdian-1
spec:
  capacity:
    storage: 1Gi
  volumeMode: Filesystem
  accessModes:
    - ReadWriteOnce
  storageClassName: xingdian
  nfs:
    path: /kubernetes-1
    server: 10.0.0.230
---
apiVersion: v1
kind: PersistentVolume
metadata:
  name: xingdian-2
spec:
  capacity:
    storage: 1Gi
  volumeMode: Filesystem
  accessModes:
    - ReadWriteOnce
  storageClassName: xingdian
  nfs:
    path: /kubernetes-1
    server: 10.0.0.230
---
apiVersion: apps/v1
kind: StatefulSet
metadata:
  name: web
spec:
  selector:
    matchLabels:
      app: nginx
  serviceName: "nginx"
  replicas: 2
  template:
    metadata:
      labels:
        app: nginx
    spec:
      terminationGracePeriodSeconds: 10
      containers:
      - name: nginx
        image: nginx:1.20.1
        ports:
        - containerPort: 80
          name: web
        volumeMounts:
        - name: www
          mountPath: /usr/share/nginx/html
  volumeClaimTemplates:
  - metadata:
      name: www
    spec:
      accessModes: [ "ReadWriteOnce" ]
      storageClassName: "xingdian"
      resources:
        requests:
          storage: 1Gi

​ 名为 nginx 的 Headless Service 用来控制网络域名

​ 名为 web 的 StatefulSet 有一个 Spec，它表明将在独立的2个 Pod 副本中启动 nginx 容器

​ volumeClaimTemplates 将通过 PersistentVolumes 驱动提供的 PersistentVolumes 来提供稳定的存储

4.Pod 选择算符

​ 你必须设置 StatefulSet 的 .spec.selector 字段，使之匹配其在 .spec.template.metadata.labels 中设置的标签。在 Kubernetes 1.8 版本之前， 被忽略 .spec.selector 字段会获得默认设置值。 在 1.8 和以后的版本中，未指定匹配的 Pod 选择器将在创建 StatefulSet 期间导致验证错误。

5.Pod 标识

​ StatefulSet Pod 具有唯一的标识，该标识包括顺序标识、稳定的网络标识和稳定的存储。 该标识和 Pod 是绑定的，不管它被调度在哪个节点上。

6.有序索引

​ 对于具有 N 个副本的 StatefulSet，StatefulSet 中的每个 Pod 将被分配一个整数序号， 从 0 到 N-1，该序号在 StatefulSet 上是唯一的。

7.稳定的网络 ID

​ StatefulSet 中的每个 Pod 根据 StatefulSet 的名称和 Pod 的序号派生出它的主机名。 组合主机名的格式为$(StatefulSet 名称)-$(序号)。 上例将会创建三个名称分别为 web-0、web-1、web-2 的 Pod。

​ StatefulSet 可以使用无头服务 控制它的 Pod 的网络域。管理域的这个服务的格式为： $(服务名称).$(命名空间).svc.cluster.local，其中 cluster.local 是集群域。 一旦每个 Pod 创建成功，就会得到一个匹配的 DNS 子域，格式为： $(pod 名称).$(所属服务的 DNS 域名)，其中所属服务由 StatefulSet 的 serviceName 域来设定。

​ 取决于集群域内部 DNS 的配置，有可能无法查询一个刚刚启动的 Pod 的 DNS 命名。 当集群内其他客户端在 Pod 创建完成前发出 Pod 主机名查询时，就会发生这种情况。 负缓存 (在 DNS 中较为常见) 意味着之前失败的查询结果会被记录和重用至少若干秒钟， 即使 Pod 已经正常运行了也是如此。

如果需要在 Pod 被创建之后及时发现它们，有以下选项：

​ 直接查询 Kubernetes API（比如，利用 watch 机制）而不是依赖于 DNS 查询

​ 缩短 Kubernetes DNS 驱动的缓存时长（通常这意味着修改 CoreDNS 的 ConfigMap，目前缓存时长为 30 秒）

集群域名	服务（名字空间/名字）	StatefulSet（名字空间/名字）	StatefulSet 域名	Pod DNS	Pod 主机名
cluster.local	default/nginx	default/web	nginx.default.svc.cluster.local	web-{0..N-1}.nginx.default.svc.cluster.local	web-{0..N-1}
cluster.local	foo/nginx	foo/web	nginx.foo.svc.cluster.local	web-{0..N-1}.nginx.foo.svc.cluster.local	web-{0..N-1}
kube.local	foo/nginx	foo/web	nginx.foo.svc.kube.local	web-{0..N-1}.nginx.foo.svc.kube.local	web-{0..N-1}

8.稳定的存储

​ 对于 StatefulSet 中定义的每个 VolumeClaimTemplate，每个 Pod 接收到一个 PersistentVolumeClaim。在上面的 nginx 示例中，每个 Pod 将会得到基于 StorageClass my-storage-class 提供的 1 Gib 的 PersistentVolume。 如果没有声明 StorageClass，就会使用默认的 StorageClass。 当一个 Pod 被调度（重新调度）到节点上时，它的 volumeMounts 会挂载与其 PersistentVolumeClaims 相关联的 PersistentVolume。 请注意，当 Pod 或者 StatefulSet 被删除时，与 PersistentVolumeClaims 相关联的 PersistentVolume 并不会被删除。要删除它必须通过手动方式来完成。

9.部署和扩缩保证

​ 对于包含 N 个 副本的 StatefulSet，当部署 Pod 时，它们是依次创建的，顺序为 0..N-1

​ 当删除 Pod 时，它们是逆序终止的，顺序为 N-1..0

​ 在将缩放操作应用到 Pod 之前，它前面的所有 Pod 必须是 Running 和 Ready 状态

​ 在 Pod 终止之前，所有的继任者必须完全关闭

注意：

​ StatefulSet 不应将 pod.Spec.TerminationGracePeriodSeconds 设置为 0。 这种做法是不安全的，要强烈阻止。

​ 在上面的 nginx 示例被创建后，会按照 web-0、web-1 的顺序部署2个 Pod。 在 web-0 进入Running 和 Ready状态前不会部署 web-1。要等到 web-0 部署完成并进入 Running 和 Ready 状态后，才会部署 web-1。

​ 如果用户想将示例中的 StatefulSet 收缩为 replicas=1，首先被终止的是 web-1。 在 web-1没有被完全停止和删除前，如果在此期间发生 web-0 运行失败， 那么就不会终止 web-1，必须等到 web-0 进入 Running 和 Ready 状态后才会终止 web-1。