LVM数据卷 - 容器服务Kubernetes版

背景信息

使用HostPath和LocalVolume都可以实现Pod对主机存储空间的访问，但均具有其局限性：

Kubernetes没有提供上述本地存储卷的生命周期管理能力，需要管理员手动管理、运维存储卷。
多个Pod共享一个本地存储的时候，需要共享存储目录或者分别使用其子目录，无法做到容量隔离。
多个Pod共享一个本地存储的时候，IOPS、吞吐等指标共享了整个存储空间，无法进行限制。
新建Pod使用本地存储时，不知道各个节点存储空间余量，不能进行合理的存储卷调度。

为此ACK提供了LVM数据卷方案，以解决上述问题。

功能介绍

LVM数据卷生命周期管理：卷自动创建、删除、挂载、卸载。
LVM数据卷扩容功能。
LVM卷的监控能力。
LVM卷的IOPS限制。
节点本地存储管理：自动运维VolumeGroup。
LVM卷的集群容量感知能力。

注意事项

LVM为本地存储类型，不适用于高可用数据场景。
VolumeGroup运维、本地存储容量感知为可选项（暂缓提供）。

实现架构

基础的LVM功能（卷的生命周期管理、扩容、挂载、格式化等）由CSI-Provisioner和CSI-Plugin实现。


单元	详情
存储管理器	节点本地存储（VolumeGroup）的运维管理以及容量统计。可以不用该组件，由Worker管理运维VolumeGroup。
存储信息中心	保存节点本地存储信息，包括容量、VolumeGroup等信息。
本地存储调度器	实现新建PVC对集群存储容量感知功能。

插件部署

LVM CSI插件分为2个组件：Plugin（负责挂载、卸载LVM卷）和Provisioner（负责创建LVM卷和PV对象）。

部署LVM CSI-Plugin 部署LVM CSI-Provisioner

apiVersion: storage.k8s.io/v1beta1
kind: CSIDriver
metadata:
  name: localplugin.csi.alibabacloud.com
spec:
  attachRequired: false
  podInfoOnMount: true
---
apiVersion: apps/v1
kind: DaemonSet
metadata:
  labels:
    app: csi-local-plugin
  name: csi-local-plugin
  namespace: kube-system
spec:
  selector:
    matchLabels:
      app: csi-local-plugin
  template:
    metadata:
      labels:
        app: csi-local-plugin
    spec:
      containers:
      - args:
        - --v=5
        - --csi-address=/csi/csi.sock
        - --kubelet-registration-path=/var/lib/kubelet/csi-plugins/localplugin.csi.alibabacloud.com/csi.sock
        env:
        - name: KUBE_NODE_NAME
          valueFrom:
            fieldRef:
              apiVersion: v1
              fieldPath: spec.nodeName
        image: registry.cn-hangzhou.aliyuncs.com/acs/csi-node-driver-registrar:v1.2.0
        imagePullPolicy: Always
        name: driver-registrar
        volumeMounts:
        - mountPath: /csi
          name: plugin-dir
        - mountPath: /registration
          name: registration-dir
      - args:
        - --endpoint=$(CSI_ENDPOINT)
        - --v=5
        - --nodeid=$(KUBE_NODE_NAME)
        - --driver=localplugin.csi.alibabacloud.com
        env:
        - name: KUBE_NODE_NAME
          valueFrom:
            fieldRef:
              apiVersion: v1
              fieldPath: spec.nodeName
        - name: SERVICE_PORT
          value: "11290"
        - name: CSI_ENDPOINT
          value: unix://var/lib/kubelet/csi-plugins/localplugin.csi.alibabacloud.com/csi.sock
        image: registry.cn-hangzhou.aliyuncs.com/acs/csi-plugin:v1.18.8.45-1c5d2cd1-aliyun
        imagePullPolicy: Always
        name: csi-localplugin
        securityContext:
          allowPrivilegeEscalation: true
          capabilities:
            add:
            - SYS_ADMIN
          privileged: true
        volumeMounts:
        - mountPath: /var/lib/kubelet
          mountPropagation: Bidirectional
          name: pods-mount-dir
        - mountPath: /dev
          mountPropagation: HostToContainer
          name: host-dev
        - mountPath: /var/log/
          name: host-log
        - mountPath: /mnt
          mountPropagation: Bidirectional
          name: quota-path-dir
      hostNetwork: true
      hostPID: true
      serviceAccount: csi-admin
      tolerations:
      - operator: Exists
      volumes:
      - hostPath:
          path: /var/lib/kubelet/csi-plugins/localplugin.csi.alibabacloud.com
          type: DirectoryOrCreate
        name: plugin-dir
      - hostPath:
          path: /var/lib/kubelet/plugins_registry
          type: DirectoryOrCreate
        name: registration-dir
      - hostPath:
          path: /var/lib/kubelet
          type: Directory
        name: pods-mount-dir
      - hostPath:
          path: /dev
          type: ""
        name: host-dev
      - hostPath:
          path: /var/log/
          type: ""
        name: host-log
      - hostPath:
          path: /mnt
          type: Directory
        name: quota-path-dir
  updateStrategy:
    rollingUpdate:
      maxUnavailable: 10%
    type: RollingUpdate

apiVersion: extensions/v1beta1
kind: Deployment
metadata:
  labels:
    app: csi-local-provisioner
  name: csi-local-provisioner
  namespace: kube-system
spec:
  selector:
    matchLabels:
      app: csi-local-provisioner
  strategy:
    rollingUpdate:
      maxSurge: 25%
      maxUnavailable: 25%
    type: RollingUpdate
  template:
    metadata:
      labels:
        app: csi-local-provisioner
    spec:
      affinity:
        nodeAffinity:
          preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
          - preference:
              matchExpressions:
              - key: node-role.kubernetes.io/master
                operator: Exists
            weight: 1
      containers:
      - args:
        - --csi-address=$(ADDRESS)
        - --feature-gates=Topology=True
        - --volume-name-prefix=local
        - --strict-topology=true
        - --timeout=150s
        - --extra-create-metadata=true
        - --enable-leader-election=true
        - --leader-election-type=leases
        - --retry-interval-start=500ms
        - --v=5
        env:
        - name: ADDRESS
          value: /socketDir/csi.sock
        image: registry.cn-hangzhou.aliyuncs.com/acs/csi-provisioner:v1.6.0-b6f763a43-aliyun
        imagePullPolicy: Always
        name: external-local-provisioner
        volumeMounts:
        - mountPath: /socketDir
          name: socket-dir
      - args:
        - --v=5
        - --csi-address=$(ADDRESS)
        - --leader-election
        env:
        - name: ADDRESS
          value: /socketDir/csi.sock
        image: registry.cn-hangzhou.aliyuncs.com/acs/csi-resizer:v0.3.0
        imagePullPolicy: Always
        name: external-local-resizer
        volumeMounts:
        - mountPath: /socketDir/
          name: socket-dir
      hostNetwork: true
      serviceAccount: csi-admin
      tolerations:
      - effect: NoSchedule
        operator: Exists
        key: node-role.kubernetes.io/master
      - effect: NoSchedule
        operator: Exists
        key: node.cloudprovider.kubernetes.io/uninitialized
      volumes:
      - hostPath:
          path: /var/lib/kubelet/csi-plugins/localplugin.csi.alibabacloud.com
          type: DirectoryOrCreate
        name: socket-dir

使用LVM数据卷示例

使用CSI-Provisioner自动创建PV，有以下特点：

StorageClass中需要指定VolumeGroup名字。
如果期望创建的PV在某个节点，需要给PVC添加Label：volume.kubernetes.io/selected-node: nodeName。

使用以下模板创建StorageClass。

apiVersion: storage.k8s.io/v1
kind: StorageClass
metadata:
    name: csi-local
provisioner: localplugin.csi.alibabacloud.com
parameters:
    volumeType: LVM
    vgName: volumegroup1
    fsType: ext4
    lvmType: "striping"
reclaimPolicy: Delete
volumeBindingMode: WaitForFirstConsumer
allowVolumeExpansion: true


参数	描述
volumeType	表示本地存储类型为LVM（后续将支持其他类型本地存储）。
vgName	必选，VolumeGroup的名字。
lvmType	生成的LVM类型，支持linear（线性）、striping（条带化）。
fsType	格式文件系统类型。

使用以下模板创建PVC。

apiVersion: v1
kind: PersistentVolumeClaim
metadata:
  name: lvm-pvc
spec:
  accessModes:
  - ReadWriteOnce
  resources:
    requests:
      storage: 2Gi
  storageClassName: csi-local

使用以下模板创建应用。

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: deployment-lvm
  labels:
    app: nginx
spec:
  selector:
    matchLabels:
      app: nginx
  template:
    metadata:
      labels:
        app: nginx
    spec:
      containers:
      - name: nginx
        image: nginx:1.7.9
        volumeMounts:
          - name: lvm-pvc
            mountPath: "/data"
      volumes:
        - name: lvm-pvc
          persistentVolumeClaim:
            claimName: lvm-pvc

查看应用状态。

执行以下命令查看Pod信息。

kubectl get pod

返回结果如下：

NAME                             READY   STATUS    RESTARTS   AGE
deployment-lvm-9f798687c-mqfht   1/1     Running   0          9s

执行以下命令查看PVC信息。

kubectl get pvc

返回结果如下：

NAME      STATUS   VOLUME                                      CAPACITY   ACCESS MODES   STORAGECLASS   AGE
lvm-pvc   Bound    disk-afacf7a9-3d1a-45da-b443-24f8fb3599c1   2Gi        RWO            csi-local      16s

执行以下命令查看PV信息。

kubectl get pv

返回结果如下：

NAME                                        CAPACITY   ACCESS MODES   RECLAIM POLICY   STATUS   CLAIM             STORAGECLASS   REASON   AGE
disk-afacf7a9-3d1a-45da-b443-24f8fb3599c1   2Gi        RWO            Delete           Bound    default/lvm-pvc   csi-local               12s

执行以下命令查看Pod挂载详情。

kubectl exec -ti deployment-lvm-9f798687c-mqfht sh df /data

返回结果如下：

Filesystem                                                              1K-blocks  Used Available Use% Mounted on
/dev/mapper/volumegroup1-disk--afacf7a9--3d1a--45da--b443--24f8fb3599c1   1998672  6144   1976144   1% /data

执行以下命令列出/data下的目录。

ls /data

返回结果如下：

lost+found

执行以下命令在/data下新增test目录并查看。

touch /data/test
ls /data

返回结果如下：

lost+found  test

执行以下命令退出登录。

exit

执行以下命令删除Pod重建。

kubectl delete pod deployment-lvm-9f798687c-mqfht

返回结果如下：

pod "deployment-lvm-9f798687c-mqfht" deleted

执行以下命令查看Pod信息。

kubectl get pod

返回结果如下：

NAME                             READY   STATUS    RESTARTS   AGE
deployment-lvm-9f798687c-jsdnk   1/1     Running   0          2m19s

执行以下命令查看Pod挂载详情。

kubectl exec deployment-lvm-9f798687c-jsdnk ls /data

返回结果如下：

lost+found  
test

扩容LVM卷。

执行以下命令查看PVC信息。

kubectl get pvc

返回结果如下：

NAME      STATUS   VOLUME                                      CAPACITY   ACCESS MODES   STORAGECLASS   AGE
lvm-pvc   Bound    disk-afacf7a9-3d1a-45da-b443-24f8fb3599c1   2Gi        RWO            csi-local      6m50s

执行以下命令将PVC扩容到4 GiB。

kubectl patch pvc lvm-pvc -p '{"spec":{"resources":{"requests":{"storage":"4Gi"}}}}'

返回结果如下：

persistentvolumeclaim/lvm-pvc patched

执行以下命令查看PVC信息。

kubectl get pvc

返回结果如下：

NAME      STATUS   VOLUME                                      CAPACITY   ACCESS MODES   STORAGECLASS   AGE
lvm-pvc   Bound    disk-afacf7a9-3d1a-45da-b443-24f8fb3599c1   4Gi        RWO            csi-local      7m26s

执行以下命令查看LVM卷扩容到4 GiB。

kubectl exec deployment-lvm-9f798687c-jsdnk df /data

返回结果如下：

Filesystem                                                              1K-blocks  Used Available Use% Mounted on
/dev/mapper/volumegroup1-disk--afacf7a9--3d1a--45da--b443--24f8fb3599c1   4062912  8184   4038344   1% /data

执行以下命令监控LVM卷。

curl -s localhost:10255/metrics | grep lvm-pvc

返回结果如下：

kubelet_volume_stats_available_bytes{namespace="default",persistentvolumeclaim="lvm-pvc"} 1.917165568e+09
kubelet_volume_stats_capacity_bytes{namespace="default",persistentvolumeclaim="lvm-pvc"} 1.939816448e+09
kubelet_volume_stats_inodes{namespace="default",persistentvolumeclaim="lvm-pvc"} 122400
kubelet_volume_stats_inodes_free{namespace="default",persistentvolumeclaim="lvm-pvc"} 122389
kubelet_volume_stats_inodes_used{namespace="default",persistentvolumeclaim="lvm-pvc"} 11
kubelet_volume_stats_used_bytes{namespace="default",persistentvolumeclaim="lvm-pvc"} 5.873664e+06

可以将上述监控数据接入Prometheus并在前端展示。详情请参见开源Prometheus监控。