Kubernetes PV及PVC的使用

前提条件

  • 拥有Kubernetes集群环境，可参考：Kubernetes集群搭建
  • 理解Kubernetes部署知识，可参考：使用Kubernetes部署第一个应用 、Deloyment控制器
  • 拥有NFS服务，可参考：Linux环境搭建NFS服务

概述

  • Persistent Volume（持久卷，简称PV）：是 Kubernetes 中对存储资源的抽象，它独立于使用存储的 Pod。PV 是集群中的一块存储，可以由管理员预先配置或者通过存储类（Storage Class）动态分配。它类似于传统存储中的磁盘卷。
  • Persistent Volume Claim（持久卷声明，简称PVC）：是用户对存储的请求。Pod 通过 PVC 来请求所需的存储资源，而不是直接访问 PV，实现了Pod和PV的解耦。PVC 就像是用户向存储系统 “下单”，请求一定规格的存储，比如指定存储大小、访问模式等，一定规格的存储指的就是PV。

PV（持久卷）

  • 访问模式（Access Modes）：
    • ReadWriteOnce（RWO）：这种模式下，存储卷可以被单个节点以读写方式挂载。例如，一个有状态的应用（如 MySQL 数据库）可能需要这种模式，因为数据库文件需要在一个地方进行读写操作，以保证数据的一致性。
    • ReadOnlyMany（ROX）：存储卷可以被多个节点以只读方式挂载。适用于存储配置文件等只读数据，比如多个 Web 服务器节点可以同时挂载一个包含网站配置的存储卷，但只能读取其中的配置信息。
    • ReadWriteMany（RWX）：存储卷能够被多个节点以读写方式挂载。在一些分布式文件系统（如 CephFS）中可以支持这种模式，适用于多个节点需要同时读写共享数据的场景，比如集群中的共享存储。
  • 存储类型（Storage Class）：用于动态分配存储。不同的存储类型可能对应不同的后端存储系统，如网络文件系统（NFS）、网络附加存储（NAS）、云存储（如 AWS EBS、Azure Disk 等）或者分布式存储系统（如 GlusterFS、Ceph）。
  • 回收策略（Reclaim Policy）：
    • Recycle：（已弃用）旧版本的 Kubernetes 有回收策略，会对存储卷进行格式化后重新使用，但是由于安全和效率等问题已经不推荐使用。
    • Delete：当 PVC 被删除后，PV 及其数据也会被自动删除。这在一些临时存储场景下比较有用，比如用于存储临时测试数据的存储卷。
    • Retain：当 PVC 被删除后，PV 仍然保留数据，需要管理员手动清理。这种策略适用于数据很重要，不能轻易删除的情况。例如，存储了重要数据库备份的 PV，在 PVC 不再使用后，管理员可能需要先检查备份数据是否还需要，再决定是否删除 PV。
  • 生命周期管理
    • 静态分配：管理员手动创建 PV，并将其与后端存储系统（如物理磁盘、网络存储等）进行绑定。例如，在一个本地数据中心部署的 Kubernetes 集群中，管理员可以先将服务器上的一块硬盘格式化为合适的文件系统，然后创建一个 PV 来表示这块硬盘的存储空间，并且配置好容量、访问模式等属性。
    • 动态分配：通过存储类（Storage Class）来实现。存储类定义了存储的提供方、参数等信息。当用户创建一个 PVC 时，Kubernetes 会根据 PVC 的要求和存储类的定义，自动创建一个合适的 PV 来满足需求。比如，在一个云环境中的 Kubernetes 集群，使用云存储服务提供商的存储类，可以让集群自动分配云硬盘来满足 PVC 的存储请求。

创建PV对象

新建一个 PV 对象，使用NFS类型的后端存储（如果还没有NFS服务，需要先搭建NFS服务，可参考 ：Linux环境搭建NFS服务），1G 的存储空间，访问模式为 ReadWriteOnce，回收策略为 Recyle。

目录准备

[root@k8s-master01 test]# mkdir pvpvctest
[root@k8s-master01 test]# cd pvpvctest/
[root@k8s-master01 pvpvctest]#

创建

[root@k8s-master01 pvpvctest]# vi pv1-demo.yaml

内容如下

apiVersion: v1
kind: PersistentVolume
metadata:
  name:  pv1
spec:
  capacity: 
    storage: 1Gi
  accessModes:
  - ReadWriteOnce
  persistentVolumeReclaimPolicy: Recycle
  nfs:
    path: /data/k8s
    server: k8s-node02

Kubernetes 支持的 PV 类型有很多，比如常见的 Ceph、GlusterFs、NFS，甚至 HostPath也可以，不过 HostPath 我们之前也说过仅仅可以用于单机测试

创建PV及查看PV

[root@k8s-master01 pvpvctest]# kubectl create -f pv1-demo.yaml
Warning: spec.persistentVolumeReclaimPolicy: The Recycle reclaim policy is deprecated. Instead, the recommended approach is to use dynamic provisioning.
persistentvolume/pv1 created
​
[root@k8s-master01 pvpvctest]# kubectl get pv
NAME   CAPACITY   ACCESS MODES   RECLAIM POLICY   STATUS      CLAIM   STORAGECLASS   VOLUMEATTRIBUTESCLASS   REASON   AGE
pv1    1Gi        RWO            Recycle          Available                          <unset>                          66s
​

看到 pv1 已经创建成功了，状态是 Available，表示 pv1 就绪，可以被 PVC 申请。

一个 PV 的生命周期中，可能会处于4中不同的阶段：

  • Available（可用）：表示可用状态，还未被任何 PVC 绑定

  • Bound（已绑定）：表示 PVC 已经被 PVC 绑定

  • Released（已释放）：PVC 被删除，但是资源还未被集群重新声明

  • Failed（失败）： 表示该 PV 的自动回收失败

PVC（持久卷声明）

PV（Persistent Volume）是对存储资源的抽象，代表了一块存储，而 PVC（Persistent Volume Claim）是用户（通过 Pod）对存储资源的请求。PVC 用于从集群中获取合适的 PV，然后将获取到的存储挂载到 Pod 中，为 Pod 中的应用提供持久化存储服务。

创建PVC

创建yaml文件

[root@k8s-master01 pvpvctest]# vi pvc-nfs.yaml

内容如下

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

在新建 PVC 之前，查看之前创建的 PV 的状态：

[root@k8s-master01 pvpvctest]# kubectl get pv
NAME   CAPACITY   ACCESS MODES   RECLAIM POLICY   STATUS      CLAIM   STORAGECLASS   VOLUMEATTRIBUTESCLASS   REASON   AGE
pv1    1Gi        RWO            Recycle          Available                          <unset>                          14m

看到当前 pv-nfs 是在 Available 的一个状态，所以 PVC 可以和这个 PV 进行绑定

创建PVC

[root@k8s-master01 pvpvctest]# kubectl create -f pvc-nfs.yaml
persistentvolumeclaim/pvc-nfs created
[root@k8s-master01 pvpvctest]# kubectl get pvc
NAME      STATUS   VOLUME   CAPACITY   ACCESS MODES   STORAGECLASS   VOLUMEATTRIBUTESCLASS   AGE
pvc-nfs   Bound    pv1      1Gi        RWO                           <unset>                 10s

看到 pvc-nfs 创建成功了，状态是 Bound 状态了，此时再看 PV 的状态：

[root@k8s-master01 pvpvctest]# kubectl get pv
NAME   CAPACITY   ACCESS MODES   RECLAIM POLICY   STATUS   CLAIM             STORAGECLASS   VOLUMEATTRIBUTESCLASS   REASON   AGE
pv1    1Gi        RWO            Recycle          Bound    default/pvc-nfs                  <unset>                          15m

看到 PV 也是 Bound 状态了，对应的声明是 default/pvc-nfs，就是 default 命名空间下面的 pvc-nfs，证明刚刚新建的 pvc-nfs 和 pv-nfs 绑定成功了。

此前并没有在 PVC中指定PV，PVC和PV之间是系统自动匹配的，根据PVC的要求去查找处于 Available 状态的 PV，如果没有找到的话那么 PVC 就会一直处于 Pending 状态，找到会把当前的 PVC 和目标 PV 进行绑定，这个时候状态就会变成 Bound 状态了。

再新建一个 PVC验证，创建pvc2-nfs.yaml

[root@k8s-master01 pvpvctest]# vi pvc2-nfs.yaml

内容如下

kind: PersistentVolumeClaim
apiVersion: v1
metadata:
  name: pvc2-nfs
spec:
  accessModes:
    - ReadWriteOnce
  resources:
    requests:
      storage: 2Gi
  selector:
    matchLabels:
      app: nfs

先查看下当前系统的所有 PV：

[root@k8s-master01 pvpvctest]# kubectl get pv
NAME   CAPACITY   ACCESS MODES   RECLAIM POLICY   STATUS   CLAIM             STORAGECLASS   VOLUMEATTRIBUTESCLASS   REASON   AGE
pv1    1Gi        RWO            Recycle          Bound    default/pvc-nfs                  <unset>                          21m

查到的pv为 Bound 状态，并没有 Available 状态的 PV

创建PVC：

[root@k8s-master01 pvpvctest]# kubectl create -f pvc2-nfs.yaml
persistentvolumeclaim/pvc2-nfs created
​
[root@k8s-master01 pvpvctest]# kubectl get pvc
NAME       STATUS    VOLUME   CAPACITY   ACCESS MODES   STORAGECLASS   VOLUMEATTRIBUTESCLASS   AGE
pvc-nfs    Bound     pv1      1Gi        RWO                           <unset>                 7m56s
pvc2-nfs   Pending                                                     <unset>                 25s
​

名为pvc2-nfs的PVC状态是 Pending ，因为没有合适的 PV 给PVC绑定。

接下来新建一个 PV，让PVC 有合适的 PV 使用

创建pv2-nfs.yaml

vi pv2-nfs.yaml

内容如下

apiVersion: v1
kind: PersistentVolume
metadata:
  name: pv2-nfs
  labels:
    app: nfs
spec:
  capacity:
    storage: 2Gi
  accessModes:
  - ReadWriteOnce
  persistentVolumeReclaimPolicy: Recycle
  nfs:
    server: k8s-node02
    path: /data/k8s

新建PV及查看PV状态：

[root@k8s-master01 pvpvctest]# kubectl create -f pv2-nfs.yaml
Warning: spec.persistentVolumeReclaimPolicy: The Recycle reclaim policy is deprecated. Instead, the recommended approach is to use dynamic provisioning.
persistentvolume/pv2-nfs created
​
[root@k8s-master01 pvpvctest]# kubectl get pv
NAME      CAPACITY   ACCESS MODES   RECLAIM POLICY   STATUS   CLAIM              STORAGECLASS   VOLUMEATTRIBUTESCLASS   REASON   AGE
pv1       1Gi        RWO            Recycle          Bound    default/pvc-nfs                   <unset>                          25m
pv2-nfs   2Gi        RWO            Recycle          Bound    default/pvc2-nfs                  <unset>                          12s
​

创建完 pv2-nfs 后，就发现该 PV 是 Bound 状态了，对应的 PVC 是 default/pvc2-nfs，证明 pvc2-nfs 终于找到合适的 PV 绑定上

查看PVC状态也是Bound状态了

[root@k8s-master01 pvpvctest]# kubectl get pvc
NAME       STATUS   VOLUME    CAPACITY   ACCESS MODES   STORAGECLASS   VOLUMEATTRIBUTESCLASS   AGE
pvc-nfs    Bound    pv1       1Gi        RWO                           <unset>                 10m
pvc2-nfs   Bound    pv2-nfs   2Gi        RWO                           <unset>                 3m14s

注意：PV 的容量必须大于等于 PVC 请求的容量，例如：PVC的容量为1Gi， 而PV的容量为2Gi，PVC和PV是可以的绑定成功，但查到PVC的容量不是1Gi而是2Gi（可自行验证）。

使用 PVC

创建yaml

[root@k8s-master01 pvpvctest]# vi nfs-pvc-deploy.yaml

内容如下

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: nfs-pvc
spec:
  replicas: 3
  selector:
    matchLabels:
      app: nfs-pvc
  template:
    metadata:
      labels:
        app: nfs-pvc
    spec:
      containers:
      - name: nginx
        image: nginx:1.16.1
        imagePullPolicy: IfNotPresent
        ports:
        - containerPort: 80
          name: web
        volumeMounts:
        - name: www
          mountPath: /usr/share/nginx/html
      volumes:
      - name: www
        persistentVolumeClaim:
          claimName: pvc2-nfs

---
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: nfs-pvc
  labels:
    app: nfs-pvc
spec:
  type: NodePort
  ports:
  - port: 80
    targetPort: web
  selector:
    app: nfs-pvc

将容器的 /usr/share/nginx/html 目录通过 volume 挂载到名为 pvc2-nfs 的 PVC 上面，然后创建一个 NodePort 类型的 Service 来暴露服务：

[root@k8s-master01 pvpvctest]# kubectl create -f nfs-pvc-deploy.yaml
deployment.apps/nfs-pvc created
service/nfs-pvc created
​
[root@k8s-master01 pvpvctest]# kubectl get pods
NAME                       READY   STATUS    RESTARTS   AGE
nfs-pvc-5b4d9797d6-9pk2b   1/1     Running   0          21s
nfs-pvc-5b4d9797d6-tbqgl   1/1     Running   0          21s
nfs-pvc-5b4d9797d6-vx4k6   1/1     Running   0          21s
​
[root@k8s-master01 pvpvctest]# kubectl get svc
NAME         TYPE        CLUSTER-IP      EXTERNAL-IP   PORT(S)        AGE
kubernetes   ClusterIP   10.0.0.1        <none>        443/TCP        82d
nfs-pvc      NodePort    10.15.179.232   <none>        80:30444/TCP   46s
​

上面命令查看到nfs-pvc service的节点端口为30444，通过任意节点的 IP:30444 端口来访问的 Nginx 服务了，但是这个时候访问会出现403

这是为什么？在nfs服务端查看/data/k8s目录

[root@k8s-node02 ~]# ls /data/k8s
test.txt

发现没有index.html文件，因为把容器目录/user/share/nginx/html和挂载到了pvc2-nfs PVC 上， PVC 就是对应着的 nfs 的共享数据目录的，但该目录下面还没有任何数据，所以访问就出现了403

接下来在/data/k8s目录下面新建一个 index.html 的文件：

[root@k8s-node02 ~]# echo "<h1>Hello Kubernetes~</h1>" >> /data/k8s/index.html
[root@k8s-node02 ~]# ls /data/k8s
index.html  test.txt

访问下服务，任一节点IP:30444：

现在看到数据了nds index.html的数据。

但是容器中的数据是直接放到共享数据目录根目录下面的，如果以后有一个新的 nginx 容器也做了数据目录的挂载，就不太好区分了，这个时候可以在 Pod 中使用一个新的属性：subPath，该属性可以来解决这个问题，只需要更改上面的 Pod 的 YAML 文件即可：

[root@k8s-master01 pvpvctest]# vi nfs-pvc-deploy.yaml

添加subPath: nginxpvc-test语句，作为nfs的子目录，部分yaml内容如下

...
volumeMounts:
- name: www
  subPath: nginxpvc-test
  mountPath: /usr/share/nginx/html
...

更改完 YAML 文件后，我们重新更新即可：

$ kubectl apply -f nfs-pvc-deploy.yaml
Warning: kubectl apply should be used on resource created by either kubectl create --save-config or kubectl apply
deployment.extensions "nfs-pvc" configured
Warning: kubectl apply should be used on resource created by either kubectl create --save-config or kubectl apply
service "nfs-pvc" configured
​
[root@k8s-master01 pvpvctest]# kubectl apply -f nfs-pvc-deploy.yaml
Warning: resource deployments/nfs-pvc is missing the kubectl.kubernetes.io/last-applied-configuration annotation which is required by kubectl apply. kubectl apply should only be used on resources created declaratively by either kubectl create --save-config or kubectl apply. The missing annotation will be patched automatically.
deployment.apps/nfs-pvc configured
Warning: resource services/nfs-pvc is missing the kubectl.kubernetes.io/last-applied-configuration annotation which is required by kubectl apply. kubectl apply should only be used on resources created declaratively by either kubectl create --save-config or kubectl apply. The missing annotation will be patched automatically.
service/nfs-pvc configured
​

刷新浏览器，访问到403

更新完后，再去看看 nfs 的数据共享目录：

# 查看/data/k8s目录，多了一个目录nginxpvc-test，这就是之前yaml文件添加的subPath
[root@k8s-node02 ~]# ls /data/k8s/
index.html  nginxpvc-test  test.txt
​
# 查看nginxpvc-test目录，没有index.html内容所以浏览器访问不到
[root@k8s-node02 ~]# ls /data/k8s/nginxpvc-test/
​
# 将index.html移动到nginxpvc-test目录
[root@k8s-node02 ~]# mv /data/k8s/index.html /data/k8s/nginxpvc-test/
​
# 查看nginxpvc-test目录，看到index.html
[root@k8s-node02 ~]# ls /data/k8s/nginxpvc-test/
index.html
​

刷新浏览器，又看到数据了

 

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