【云原生|K8S系列】StatefulSet特性解读与案例实操

一、概述

Kubernetes（简称K8s）是一个开源的容器编排引擎，用于自动化应用程序的部署、扩展和管理。在Kubernetes中，StatefulSet是一种用于管理有状态应用的控制器，与无状态应用的Deployment不同，它确保了每个Pod都有一个唯一的标识和稳定的存储。

二、工作原理

StatefulSet的设计目标是支持有状态应用程序的部署和扩展。它主要有以下几个核心特点：

1. 稳定的网络标识：每个Pod在StatefulSet中的名字是稳定的，即使重启也不会改变。Pod的名字格式为<statefulset name>-<ordinal>，例如mysql-0、mysql-1。

2. 稳定的存储：每个Pod都可以有一个或多个PVC（Persistent Volume Claim），这些PVC在Pod重启或重新调度时依然保持不变。

3. 有序部署和缩放：StatefulSet按照顺序创建和删除Pod，例如，只有在mysql-0成功创建并运行后，才会创建mysql-1。同样，当缩减时，mysql-2会先被删除，接着是mysql-1。

4. 有序更新：在进行滚动更新时，StatefulSet会按顺序更新Pod，确保每个Pod都更新并稳定运行后再更新下一个。

三、应用场景

StatefulSet适用于需要以下特性的应用程序：

1. 有状态服务：如数据库（MySQL、PostgreSQL）、分布式文件系统（HDFS、GlusterFS）等。

2. 分布式系统：如Zookeeper、Kafka、Elasticsearch等。

3. 需要稳定标识和存储的应用：如需持久化数据并且需要保证Pod在重启后可以恢复到之前状态的应用。

四、实际案例

案例：部署MySQL集群

在Kubernetes中，通过StatefulSet来部署一个MySQL集群是一个典型的应用场景。下面是一个简单的配置示例：

apiVersion: apps/v1
kind: StatefulSet
metadata:
  name: mysql
spec:
  serviceName: "mysql"
  replicas: 3
  selector:
    matchLabels:
      app: mysql
  template:
    metadata:
      labels:
        app: mysql
    spec:
      containers:
      - name: mysql
        image: mysql:5.7
        ports:
        - containerPort: 3306
          name: mysql
        env:
        - name: MYSQL_ROOT_PASSWORD
          value: "password"
        volumeMounts:
        - name: mysql-persistent-storage
          mountPath: /var/lib/mysql
  volumeClaimTemplates:
  - metadata:
      name: mysql-persistent-storage
    spec:
      accessModes: [ "ReadWriteOnce" ]
      storageClassName: "nfs-client"  #存储类名，改为集群中已存在的
      resources:
        requests:
          storage: 1Gi

其中storageClassName可以通过kubectl get sc获取。如下图：

上述配置将创建一个MySQL集群，其中包含3个实例，每个实例都有一个独立的持久存储卷。每个Pod在集群中有一个唯一的名字，如mysql-0、mysql-1和mysql-2，并且这些名字在Pod重启时保持不变。

小插曲

等了十几分钟这个StatefulSet还没部署完，通过查看Pod的日志文件，发现镜像拉取成功，如下图：

通过上述事件信息发现，是后端存储的问题，于是，通过kubectl logs -f pods/mysql-0查看其中一个Pod的日志信息，如下：

通过上述的日志信息，可以发现是没有权限导致启动MySQL服务器失败，由于我后端存储采用的是NFS。

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• rw ：客户端对共享的目录可读写

• ro：客户端对共享的目录只读不可写

• sync：同步模式，也就是把内存的数据实时写入硬盘，但这样会降低磁盘效率

• async ：非同步模式，也就是每隔一段时间才会把内存的数据写入硬盘，能保证磁盘效率，但当异常宕机/断电时，会丢失内存里的数据

• no_root_squash：客户端挂载NFS共享目录后，客户端上的root用户不受这些挂载选项的限制，权限很大

• root_squash ：跟no_root_squash相反，客户端上的root用户受到这些挂载选项的限制，被当成普通用户

• all_squash：客户端上的所有用户在使用NFS共享目录时都被限定为一个普通用户

• anonuid：上面的几个squash用于把客户端的用户限定为普通用户，而anouid用于限定这个普通用户的uid，这个uid与服务端的/etc/passwd文件相对应。

修改后重启NFS服务器，重启部署StatefulSet服务，结果如下：

五、DaemonSet和StatefulSet区别

虽然StatefulSet和DaemonSet都是Kubernetes中的控制器，但它们用于不同的场景并具有不同的特性：

• StatefulSet：主要用于管理有状态应用，确保Pod有稳定的网络标识和存储，并且按照顺序部署和更新。

• DaemonSet：用于在每个节点上运行一个Pod，适合需要全局运行在所有节点上的系统服务和守护进程。

选择哪种控制器取决于具体应用的需求。例如，如果需要在每个节点上运行一个日志收集器，则应该使用DaemonSet；如果需要管理一个有状态的数据库集群，则应使用StatefulSet。

六、结论

StatefulSet为在Kubernetes上管理有状态应用程序提供了强大的支持。通过提供稳定的网络标识和持久化存储，StatefulSet可以确保应用程序在扩展、更新和重启时保持数据的一致性和持久性。无论是部署数据库、分布式系统还是其他需要稳定标识和存储的应用，StatefulSet都能为其提供可靠的解决方案。通过实际案例，我们可以看到StatefulSet在生产环境中的应用和优势，为开发者和运维人员提供了有力的工具。