Kubernetes(k8s)控制器(五)：有状态应用StatefulSet

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目录
  • 一.系统环境
  • 二.前言
  • 三.StatefulSet简介
  • 四.有状态应用和无状态应用区别
  • 五.StatefulSet

    • 5.1 创建StatefulSet
    • 5.2 scale扩展副本数
    • 5.3 创建无头服务headless service
    • 5.4 通过无头服务headless service访问StatefulSet
  • 六.总结

一.系统环境

本文主要基于Kubernetes1.21.9和Linux操作系统CentOS7.4。

服务器版本 docker软件版本 Kubernetes(k8s)集群版本 CPU架构
CentOS Linux release 7.4.1708 (Core) Docker version 20.10.12 v1.21.9 x86_64

Kubernetes集群架构：k8scloude1作为master节点，k8scloude2，k8scloude3作为worker节点。

服务器 操作系统版本 CPU架构 进程 功能描述
k8scloude1/192.168.110.130 CentOS Linux release 7.4.1708 (Core) x86_64 docker，kube-apiserver，etcd，kube-scheduler，kube-controller-manager，kubelet，kube-proxy，coredns，calico k8s master节点
k8scloude2/192.168.110.129 CentOS Linux release 7.4.1708 (Core) x86_64 docker，kubelet，kube-proxy，calico k8s worker节点
k8scloude3/192.168.110.128 CentOS Linux release 7.4.1708 (Core) x86_64 docker，kubelet，kube-proxy，calico k8s worker节点

二.前言

在Kubernetes集群中部署和管理有状态应用是一项复杂的任务。有状态应用(Stateful Applications)通常要求持久化存储、唯一网络标识和有序的启动顺序。为了解决这些需求，Kubernetes提供了一个强大的控制器——StatefulSet。

使用StatefulSet的前提是已经有一套可以正常运行的Kubernetes集群，关于Kubernetes(k8s)集群的安装部署，可以查看博客《Centos7 安装部署Kubernetes(k8s)集群》https://www.cnblogs.com/renshengdezheli/p/16686769.html。

三.StatefulSet简介

StatefulSet是Kubernetes的一个核心控制器，用于管理有状态应用的部署和伸缩。它为每个Pod分配一个唯一的标识符，确保有状态应用的稳定性和可扩展性。StatefulSet还可以自动处理Pod的创建、删除和更新，确保有状态应用的高可用性。

相比于Deployment等控制器，StatefulSet提供了以下特性：

  • 稳定的网络标识符：每个Pod都会被分配一个稳定的主机名和网络标识符，使得有状态应用能够方便地进行服务发现和通信。
  • 有序的部署和扩展：StatefulSet确保有状态应用的Pod按照指定的顺序进行部署和扩展，保证有序启动和关闭。
  • 持久化存储：StatefulSet支持将持久化存储卷(Persistent Volume)与Pod绑定，使得有状态应用能够保留数据。

StatefulSet简写为sts，deployment控制器创建出来的pod都是一样的，更适合用于对外提供服务的pod，但是有一些应用，只适用于公

司内部，并不想对外提供服务，比如一个数据库有1个master节点和3个slave节点，master提供写，slave提供读，master通过日志把数

据拷贝给slave，slave节点有自己的存储，slave1读slave1的存储，slave2读slave2的存储，以此类推，slave节点不共享存储，这种情况

不适合使用deployment来创建pod，这种情况就需要使用statefulset控制器。

StatefulSet常用的属性包括：

  • serviceName：指定与StatefulSet关联的Service的名称。这个Service将用于提供稳定的网络标识符，供其他应用访问StatefulSet中的Pod。
  • volumeClaimTemplates：定义了每个Pod所需的持久化存储卷(Claim)模板。可以在这里指定存储类、存储大小等参数，以满足有状态应用对持久化存储的需求。
  • podManagementPolicy：指定Pod管理策略，可以是OrderedReady或Parallel。OrderedReady表示按顺序启动和终止Pod，保证有序性和稳定性；Parallel表示可以并行启动和终止Pod，适用于无依赖关系的应用场景。

四.有状态应用和无状态应用区别

在Kubernetes中，应用可以分为有状态应用和无状态应用。有状态应用是指需要保留数据或状态的应用，而无状态应用则不需要。

有状态应用与无状态应用之间的主要区别如下：

  • 网络标识符：有状态应用需要稳定的网络标识符，使得其他服务能够准确地访问它们。而无状态应用通常使用Service来提供负载均衡和服务发现，不直接依赖于特定的网络标识符。
  • 数据持久化：有状态应用需要将数据保存在持久化存储中，并且能够在Pod重新启动时恢复数据。无状态应用通常将数据保存在外部数据库或缓存中，不依赖于Pod的生命周期。
  • 有序启动和关闭：有状态应用通常需要按照特定的顺序启动和关闭，以确保数据的一致性。无状态应用则可以并行启动和关闭，不需要保证顺序。

五.StatefulSet

5.1 创建StatefulSet

创建存放yaml文件的目录。

[root@k8scloude1 ~]# mkdir statefulset

[root@k8scloude1 ~]# cd statefulset/

创建命名空间。

[root@k8scloude1 statefulset]# kubectl create ns statefulset
namespace/statefulset created

切换命名空间。

[root@k8scloude1 statefulset]# kubens statefulset
Context "kubernetes-admin@kubernetes" modified.
Active namespace is "statefulset".

现在还没有pod。

[root@k8scloude1 statefulset]# kubectl get pod
No resources found in statefulset namespace.

查看存储类storageclass，managed-nfs-storage是我们前面章节创建的storageclass，关于存储类storageclass的详细信息，请查看博客《Kubernetes(k8s)存储管理之数据卷volumes(五)：动态制备-存储类StorageClass》。

[root@k8scloude1 statefulset]# cd sts/

[root@k8scloude1 sts]# kubectl get sc
NAME                  PROVISIONER      RECLAIMPOLICY   VOLUMEBINDINGMODE   ALLOWVOLUMEEXPANSION   AGE
managed-nfs-storage   fuseim.pri/ifs   Delete          Immediate           false                  71d

查看managed-nfs-storage 的描述信息。

[root@k8scloude1 sts]# kubectl describe sc managed-nfs-storage 
Name:            managed-nfs-storage
IsDefaultClass:  No
Annotations:     kubectl.kubernetes.io/last-applied-configuration={"apiVersion":"storage.k8s.io/v1","kind":"StorageClass","metadata":{"annotations":{},"name":"managed-nfs-storage"},"parameters":{"archiveOnDelete":"false"},"provisioner":"fuseim.pri/ifs"}

Provisioner:           fuseim.pri/ifs
Parameters:            archiveOnDelete=false
AllowVolumeExpansion:  
MountOptions:          
ReclaimPolicy:         Delete
VolumeBindingMode:     Immediate
Events:

StatefulSet的yaml文件如下，功能为：创建一个StatefulSet，其中包含一个Pod运行着Nginx容器，并且有一个挂载了持久化存储卷的文件系统。这个StatefulSet通过Service提供稳定的网络标识符，可以被其他应用访问。

[root@k8scloude1 sts]# vim sts.yaml 

[root@k8scloude1 sts]# cat sts.yaml 
apiVersion: apps/v1
kind: StatefulSet
metadata:
  name: web
spec:
  selector:
    #matchLabels：设置了一个标签选择器，选择具有app: nginx标签的Pod。
    matchLabels:
      app: nginx 
  #serviceName: "nginx"：指定了与StatefulSet关联的Service的名称为"nginx"。该Service将提供稳定的网络标识符供其他应用访问StatefulSet中的Pod。    
  serviceName: "nginx"
  #replicas: 1：定义了StatefulSet的副本数量为1，即只创建一个Pod。
  replicas: 1
  template:
    metadata:
      labels:
        app: nginx 
    spec:
      #当需要关闭容器时，立即杀死容器而不等待默认的30秒优雅停机时长。
      terminationGracePeriodSeconds: 0
      containers:
      - name: nginx
        image: nginx
        #imagePullPolicy: IfNotPresent：表示如果本地已经存在该镜像，则不重新下载；否则从远程 Docker Hub 下载该镜像
        imagePullPolicy: IfNotPresent
        #把www卷挂载到容器内的路径为"/usr/share/nginx/html"
        volumeMounts:
        - name: www
          mountPath: /usr/share/nginx/html
  #volumeClaimTemplates：定义了持久化存储卷(Claim)模板，用于创建Pod所需的持久化存储。        
  volumeClaimTemplates: 
  - metadata:
      #name: www：指定了卷模板的名称为"www"。
      name: www
    spec:
      #accessModes: [ "ReadWriteOnce" ]：设置了卷的访问模式为"ReadWriteOnce"，即可以被一个节点以读写方式挂载。
      accessModes: [ "ReadWriteOnce" ]
      #storageClassName: "managed-nfs-storage"：指定了存储类的名称为"managed-nfs-storage"，用于创建持久化存储卷。
      storageClassName: "managed-nfs-storage" 
      resources:
        requests:
          #requests：设置了卷的请求资源，即要求1Gi的存储空间。
          storage: 1Gi

现在还没有PVC。关于PV，PVC的详细内容，请查看博客《Kubernetes(k8s)存储管理之数据卷volumes(四)：持久卷Persistent Volume 》。

[root@k8scloude1 sts]# kubectl get pvc
No resources found in statefulset namespace.

创建statefulset。

[root@k8scloude1 sts]# kubectl apply -f sts.yaml 
statefulset.apps/web created

创建statefulset之后，pod和PVC都有了。

[root@k8scloude1 sts]# kubectl get pod
NAME    READY   STATUS    RESTARTS   AGE
web-0   1/1     Running   0          8s

[root@k8scloude1 sts]# kubectl get pvc
NAME        STATUS   VOLUME                                     CAPACITY   ACCESS MODES   STORAGECLASS          AGE
www-web-0   Bound    pvc-3b58a17b-acbd-4eb6-a1e4-a2bd2cf331ac   1Gi        RWO            managed-nfs-storage   37s

查看statefulset。

[root@k8scloude1 sts]# kubectl get statefulset -o wide
NAME   READY   AGE    CONTAINERS   IMAGES
web    1/1     111s   nginx        nginx

[root@k8scloude1 sts]# kubectl get sts -o wide
NAME   READY   AGE     CONTAINERS   IMAGES
web    1/1     2m11s   nginx        nginx

5.2 scale扩展副本数

把statefulset的副本数扩展为2。

[root@k8scloude1 sts]# kubectl scale sts web --replicas=2
statefulset.apps/web scaled

查看statefulset。

[root@k8scloude1 sts]# kubectl get sts -o wide
NAME   READY   AGE   CONTAINERS   IMAGES
web    2/2     3m    nginx        nginx

pod变为2个了。

[root@k8scloude1 sts]# kubectl get pod -o wide
NAME    READY   STATUS    RESTARTS   AGE     IP               NODE         NOMINATED NODE   READINESS GATES
web-0   1/1     Running   0          3m27s   10.244.251.230   k8scloude3              
web-1   1/1     Running   0          37s     10.244.251.219   k8scloude3

把statefulset的副本数扩展为3。

[root@k8scloude1 sts]# kubectl scale sts web --replicas=3
statefulset.apps/web scaled

pod变为3个了。

[root@k8scloude1 sts]# kubectl get pod
NAME    READY   STATUS    RESTARTS   AGE
web-0   1/1     Running   0          4m43s
web-1   1/1     Running   0          113s
web-2   1/1     Running   0          13s

查看statefulset。

[root@k8scloude1 sts]# kubectl get sts
NAME   READY   AGE
web    3/3     5m9s

pvc也变为了3个。

[root@k8scloude1 sts]# kubectl get pvc
NAME        STATUS   VOLUME                                     CAPACITY   ACCESS MODES   STORAGECLASS          AGE
www-web-0   Bound    pvc-3b58a17b-acbd-4eb6-a1e4-a2bd2cf331ac   1Gi        RWO            managed-nfs-storage   5m54s
www-web-1   Bound    pvc-689e6b63-9ca8-413b-b240-5e2fae467a12   1Gi        RWO            managed-nfs-storage   3m4s
www-web-2   Bound    pvc-565f137f-9e4b-44a1-8953-2b71e393a409   1Gi        RWO            managed-nfs-storage   84s

在每个pod里写入不同的内容。

[root@k8scloude1 sts]# kubectl exec -it web-0 -- sh -c "echo web-0 > /usr/share/nginx/html/index.html"

[root@k8scloude1 sts]# kubectl exec -it web-1 -- sh -c "echo web-1 > /usr/share/nginx/html/index.html"

[root@k8scloude1 sts]# kubectl exec -it web-2 -- sh -c "echo web-2 > /usr/share/nginx/html/index.html"

把statefulset的副本数扩展为0，所有pod都被删除了。

[root@k8scloude1 sts]# kubectl scale sts web --replicas=0
statefulset.apps/web scaled

[root@k8scloude1 sts]# kubectl get pod
No resources found in statefulset namespace.

把statefulset的副本数扩展为3。

[root@k8scloude1 sts]# kubectl scale sts web --replicas=3
statefulset.apps/web scaled

pod变为3个了。

[root@k8scloude1 sts]# kubectl get pod
NAME    READY   STATUS              RESTARTS   AGE
web-0   1/1     Running             0          3s
web-1   0/1     ContainerCreating   0          1s

[root@k8scloude1 sts]# kubectl get pod
NAME    READY   STATUS    RESTARTS   AGE
web-0   1/1     Running   0          8s
web-1   1/1     Running   0          6s
web-2   1/1     Running   0          4s

可以发现，把pod删除之后，又创建3个pod，新的3个pod名字没变，并且web-0的存储还是www-web-0，web-1的存储还是www-web-1，web-2的存储还是www-web-2，pod对应的存储不会错乱，每个pod里面的内容也没有变化。

[root@k8scloude1 sts]# kubectl get pod -o wide
NAME    READY   STATUS    RESTARTS   AGE     IP               NODE         NOMINATED NODE   READINESS GATES
web-0   1/1     Running   0          5m41s   10.244.251.225   k8scloude3              
web-1   1/1     Running   0          5m39s   10.244.251.226   k8scloude3              
web-2   1/1     Running   0          5m37s   10.244.251.218   k8scloude3              

[root@k8scloude1 sts]# kubectl exec -it web-0 -- sh -c "cat /usr/share/nginx/html/index.html"
web-0

[root@k8scloude1 sts]# kubectl exec -it web-1 -- sh -c "cat /usr/share/nginx/html/index.html"
web-1

[root@k8scloude1 sts]# kubectl exec -it web-2 -- sh -c "cat /usr/share/nginx/html/index.html"
web-2

手动删除web-1这个pod。

[root@k8scloude1 sts]# kubectl delete pod web-1
pod "web-1" deleted

statefulset自动创建了一个一模一样的web-1。

[root@k8scloude1 sts]# kubectl get pod -o wide
NAME    READY   STATUS    RESTARTS   AGE    IP               NODE         NOMINATED NODE   READINESS GATES
web-0   1/1     Running   0          3h7m   10.244.251.225   k8scloude3              
web-1   1/1     Running   0          3s     10.244.251.221   k8scloude3              
web-2   1/1     Running   0          3h7m   10.244.251.218   k8scloude3

5.3 创建无头服务headless service

删除其中一个pod，statefulset很快又会生成一个同名的pod，但是IP地址发生变化，不适合直接使用pod的IP地址访问，使用svc访问更

好，但是创建svc有一定问题，svc具有负载均衡的作用，你访问svc，可能给你后端转发到web-0，也可能后端转发到web-1，后端pod又

都有自己专属的存储，所以svc也不合适，这时就需要无头服务(headless service)了。关于svc的详细内容，请查看博客《Kubernetes(k8s)服务service：service的发现和service的发布》。

现在没有svc。

[root@k8scloude1 sts]# kubectl get svc
No resources found in statefulset namespace.

如下是无头服务headless service的yaml文件，功能为：创建一个名为”nginx”的Service，它与具有app: nginx标签的Pod关联。该Service通过暴露在80端口上，并且没有Cluster IP地址。

无头服务headless service和service的区别是：无头服务headless service的 clusterIP为None。

[root@k8scloude1 sts]# cat svc.yaml 
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: nginx
  #设置了一个标签app: nginx，与其他相关资源进行关联。
  labels:
    app: nginx
spec:
  ports:
  #port: 80：将Service的端口设置为80。
  - port: 80
    #name: web：为该端口指定名称为"web"。
    name: web
  #clusterIP: None：将Service的Cluster IP设置为"None"，表示该Service是一个Headless Service，没有集群内部的虚拟IP地址。  
  clusterIP: None
  selector:
    #app: nginx：设置了一个标签选择器，选择具有app: nginx标签的Pod。
    app: nginx

创建无头服务headless service。

[root@k8scloude1 sts]# kubectl apply -f svc.yaml 
service/nginx created

查看无头服务headless service，CLUSTER-IP为None。

[root@k8scloude1 sts]# kubectl get svc -o wide
NAME    TYPE        CLUSTER-IP   EXTERNAL-IP   PORT(S)   AGE   SELECTOR
nginx   ClusterIP   None                 80/TCP    12s   app=nginx

5.4 通过无头服务headless service访问StatefulSet

查看pod的标签。

[root@k8scloude1 sts]# kubectl get pod -o wide --show-labels
NAME    READY   STATUS    RESTARTS   AGE     IP               NODE         NOMINATED NODE   READINESS GATES   LABELS
web-0   1/1     Running   0          3h20m   10.244.251.225   k8scloude3                          app=nginx,controller-revision-hash=web-748c7c878b,statefulset.kubernetes.io/pod-name=web-0
web-1   1/1     Running   0          13m     10.244.251.221   k8scloude3                          app=nginx,controller-revision-hash=web-748c7c878b,statefulset.kubernetes.io/pod-name=web-1
web-2   1/1     Running   0          3h20m   10.244.251.218   k8scloude3                          app=nginx,controller-revision-hash=web-748c7c878b,statefulset.kubernetes.io/pod-name=web-2

因为无头服务headless service的CLUSTER-IP为None，所以访问方式为：pod名.svc名 来访问pod，statefulset创建的pod，pod名字是不变的。

[root@k8scloude1 sts]# curl web-0.nginx
curl: (6) Could not resolve host: web-0.nginx; 未知的名称或服务

容器外无法访问。

[root@k8scloude1 sts]# curl http://web-0.nginx
curl: (6) Could not resolve host: web-0.nginx; 未知的名称或服务

创建一个临时容器podclient作为客户端，来访问pod，–rm表示创建临时容器。

[root@k8scloude1 sts]# kubectl run -it podclient --image=yauritux/busybox-curl:latest --rm --image-pull-policy=IfNotPresent -- sh
If you don't see a command prompt, try pressing enter.

#访问成功
/home # curl web-0.nginx
web-0

/home # curl web-1.nginx
web-1

/home # curl web-2.nginx
web-2

/home # exit
Session ended, resume using 'kubectl attach podclient -c podclient -i -t' command when the pod is running
pod "podclient" deleted

可以发现，StatefulSet只适合内部访问，不适合外部访问。

[root@k8scloude1 sts]# kubectl get sts
NAME   READY   AGE
web    3/3     3h43m

删除StatefulSet。

[root@k8scloude1 sts]# kubectl delete sts web
statefulset.apps "web" deleted

[root@k8scloude1 sts]# kubectl get sts
No resources found in statefulset namespace.

[root@k8scloude1 sts]# kubectl get pod
No resources found in statefulset namespace.

六.总结

本文介绍了Kubernetes中的一个重要控制器——StatefulSet，用于管理有状态应用的部署和伸缩。通过为每个Pod分配唯一的标识符和稳定的网络标识，StatefulSet确保了有状态应用的稳定性、可扩展性和数据持久性。相比于无状态应用，有状态应用需要更多的关注持久化存储和有序性启动等问题。

使用StatefulSet可以轻松地部署和管理有状态应用，使其能够充分发挥Kubernetes的优势。通过深入理解StatefulSet的概念和特性，我们可以更好地构建和管理复杂的有状态应用。

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