AEP非易失性数据卷概述 - 容器服务Kubernetes版

AEP介绍

近年来CPU技术发展迅速，单核CPU计算频率增加、多核CPU技术的出现让计算能力得到长足发展。相比之下，作为数据载体的存储介质，却没有跟上发展的速度：内存（DRAM）可以提供优异的访问性能，但掉电数据丢失，价格昂贵影响了对大容量内存使用场景，而非易失性存储（SSD、磁盘）在时延上无法满足极致性能计算的需求。为此业界一直在探索既能满足CPU计算性能要求、又能保证数据掉电不丢失属性的产品。

既兼顾非易失性存储，又接近内存的使用方式和速度的新型硬件Intel Optane DC Persistent Memory（Apache Pass - AEP ）的发布标志持久化内存Persistent Memory（PMEM）技术已经进入成熟阶段，并开始进入到各种数据加速领域。

下图为AEP的PMEM（Persistent Memory）在存储层次结构中的位置。 AEP

ACK中AEP非易失性存储卷的使用方式

目前ACK集群已经支持AEP设备的生命周期管理，通过Alibaba Cloud CSI Driver，您可以以声明式的方式对AEP资源进行分配、挂载、使用。

在ACK中，使用AEP非易失性存储卷的方式有以下两种：

PMEP-LVM方式（无侵入的块存储使用方式）
您无需修改应用，直接声明即可使用。此方案的原则是把节点上PMEM资源统一成VolumeGroup，然后通过声明PVC类型和容量，使用PMEP-LVM。对无服务器化应用，CICD短生命周期高速临时存储，以及低延迟高吞吐的数据类应用，无需修改应用，即可实现IO性能的2~10倍的提升。
PMEM-直接内存（Direct Memory）访问方式
为了达到极致的，可以媲美DRAM的访问性能，对应用的内存分配部分函数做有限的修改，可以实现对PMEM设备的直接访问。对内存数据库Redis、HANA等大内存低成本需求，同时满足对TB级别的DRAM和成本的诉求，降低了内存成本30%~50%。

说明

逻辑卷管理LVM方式：在ACK环境下，非易失性存储作为块存储或文件系统方式访问，无任何应用侵入和修改，读写性能相比SSD提升2~10倍。

直接内存方式：在ACK环境下，非易失性存储作为直接内存访问，需要修改应用适配PMEM SDK做内存分配的代码，达到接近内存访问的吞吐和时延。

表 1. PMEM和普通SSD对比
方式	碎片化	在线扩容	持久化	应用修改	时延 (4K/RW)	吞吐（4K/RW)	单盘最大容量（ecs.ebmre6p.26xlarge）
PMEM-LVM	无	支持	是	否	10 us	10W	1536GB
PMEM-Direct	是	否	否	是	1.2 us	56W	768GB
SSD	无	支持	是	否	100 us	1W	32TB

插件部署

ACK对非易失性内存支持方案的系统组件包含：

CSI-Plugin：实现PMEM设备初始化，卷的具体创建、删除操作，实现挂载、卸载操作。
CSI-Provisioner：感知并发起卷的创建、删除操作。
CSI-Scheduler：容量调度（ACK调度器内置）。

说明

在部署CSI-Plugin时，您需注意：

在节点加上标签pmem.csi.alibabacloud.com后才会启用AEP设备自运维。
pmem.csi.alibabacloud.com: lvm表示此节点使用LVM方式提供PV卷。
pmem.csi.alibabacloud.com: direct表示此节点使用内存访问方式提供PV卷。

创建ACK集群。
ACK集群中添加AEP的PMEM类型的ECS节点实例，例如：ecs.ebmre6p.26xlarge。有关创建集群的具体步骤请参见创建Kubernetes托管版集群。
配置AEP的PMEM节点类型。
您所添加的AEP节点需要配置上相应的标签，方可启用PMEM CSI的挂载能力。
给节点添加以下Label。
```
pmem.csi.alibabacloud.com/type: direct
```
或：
```
pmem.csi.alibabacloud.com/type: lvm
```

部署CSI PMEM插件。

a. 部署CSI-Plugin。

apiVersion: storage.k8s.io/v1beta1
kind: CSIDriver
metadata:
  name: localplugin.csi.alibabacloud.com
spec:
  attachRequired: false
  podInfoOnMount: true
---
kind: DaemonSet
apiVersion: apps/v1
metadata:
  name: csi-local-plugin
  namespace: kube-system
spec:
  selector:
    matchLabels:
      app: csi-local-plugin
  template:
    metadata:
      labels:
        app: csi-local-plugin
    spec:
      tolerations:
        - operator: Exists
      serviceAccount: admin
      priorityClassName: system-node-critical
      hostNetwork: true
      hostPID: true
      containers:
        - name: driver-registrar
          image: registry.cn-hangzhou.aliyuncs.com/acs/csi-node-driver-registrar:v1.1.0
          imagePullPolicy: Always
          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
          volumeMounts:
            - name: plugin-dir
              mountPath: /csi
            - name: registration-dir
              mountPath: /registration

        - name: csi-localplugin
          securityContext:
            privileged: true
            capabilities:
              add: ["SYS_ADMIN"]
            allowPrivilegeEscalation: true
          image: registry.cn-hangzhou.aliyuncs.com/acs/csi-plugin:v1.16.9.43-e89daa66-aliyun
          imagePullPolicy: "Always"
          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: CSI_ENDPOINT
              value: unix://var/lib/kubelet/csi-plugins/localplugin.csi.alibabacloud.com/csi.sock
          volumeMounts:
            - name: pods-mount-dir
              mountPath: /var/lib/kubelet
              mountPropagation: "Bidirectional"
            - mountPath: /dev
              mountPropagation: "HostToContainer"
              name: host-dev
            - mountPath: /var/log/
              name: host-log
      volumes:
        - name: plugin-dir
          hostPath:
            path: /var/lib/kubelet/csi-plugins/localplugin.csi.alibabacloud.com
            type: DirectoryOrCreate
        - name: registration-dir
          hostPath:
            path: /var/lib/kubelet/plugins_registry
            type: DirectoryOrCreate
        - name: pods-mount-dir
          hostPath:
            path: /var/lib/kubelet
            type: Directory
        - name: host-dev
          hostPath:
            path: /dev
        - name: host-log
          hostPath:
            path: /var/log/
  updateStrategy:
    rollingUpdate:
      maxUnavailable: 10%
    type: RollingUpdate

b. 部署CSI-Provisioner。

kind: Deployment
apiVersion: apps/v1
metadata:
  name: csi-local-provisioner
  namespace: kube-system
spec:
  selector:
    matchLabels:
      app: csi-local-provisioner
  replicas: 2
  template:
    metadata:
      labels:
        app: csi-local-provisioner
    spec:
      tolerations:
      - operator: "Exists"
      affinity:
        nodeAffinity:
          preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
          - weight: 1
            preference:
              matchExpressions:
              - key: node-role.kubernetes.io/master
                operator: Exists
      priorityClassName: system-node-critical
      serviceAccount: admin
      hostNetwork: true
      containers:
        - name: external-local-provisioner
          image: registry.cn-hangzhou.aliyuncs.com/acs/csi-provisioner:v1.6.0-b6f763a43-ack
          args:
            - "--csi-address=$(ADDRESS)"
            - "--feature-gates=Topology=True"
            - "--volume-name-prefix=disk"
            - "--strict-topology=true"
            - "--timeout=150s"
            - "--extra-create-metadata=true"
            - "--enable-leader-election=true"
            - "--leader-election-type=leases"
            - "--retry-interval-start=500ms"
            - "--v=5"
          env:
            - name: ADDRESS
              value: /socketDir/csi.sock
          imagePullPolicy: "Always"
          volumeMounts:
            - name: socket-dir
              mountPath: /socketDir
        - name: external-local-resizer
          image: registry.cn-hangzhou.aliyuncs.com/acs/csi-resizer:v0.3.0
          args:
            - "--v=5"
            - "--csi-address=$(ADDRESS)"
            - "--leader-election"
          env:
            - name: ADDRESS
              value: /socketDir/csi.sock
          imagePullPolicy: "Always"
          volumeMounts:
            - name: socket-dir
              mountPath: /socketDir/
      volumes:
        - name: socket-dir
          hostPath:
            path: /var/lib/kubelet/csi-plugins/localplugin.csi.alibabacloud.com
            type: DirectoryOrCreate

c. 部署StorageClass。

apiVersion: storage.k8s.io/v1
kind: StorageClass
metadata:
    name: csi-pmem-direct
provisioner: localplugin.csi.alibabacloud.com
mountOptions:
- dax
parameters:
    volumeType: PMEM
    pmemType: "direct"
reclaimPolicy: Delete
volumeBindingMode: WaitForFirstConsumer
allowVolumeExpansion: true

---
apiVersion: storage.k8s.io/v1
kind: StorageClass
metadata:
    name: pmem-lvm
provisioner: localplugin.csi.alibabacloud.com
mountOptions:
- dax
parameters:
    volumeType: PMEM
    nodeAffinity: "true"
    pmemType: "lvm"
reclaimPolicy: Delete
volumeBindingMode: WaitForFirstConsumer
allowVolumeExpansion: true

使用示例

创建块存储类型数据卷

创建PVC。

apiVersion: v1
kind: PersistentVolumeClaim
metadata:
  annotations:
    volume.kubernetes.io/selected-node: cn-zhangjiakou.192.168.1.12
  name: pmem-lvm
spec:
  accessModes:
  - ReadWriteOnce
  resources:
    requests:
      storage: 10Gi
  storageClassName: pmem-lvm

为了定向将PVC调度到某个AEP节点，可以配置annotations: volume.kubernetes.io/selected-node。

创建应用负载。

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: deployment-lvm
  labels:
    app: nginx-lvm
spec:
  selector:
    matchLabels:
      app: nginx-lvm
  template:
    metadata:
      labels:
        app: nginx-lvm
    spec:
      containers:
      - name: nginx
        image: nginx:1.7.9
        command: ["sh", "-c"]
        args: ["sleep 10000"]
        volumeMounts:
          - name: pmem-pvc
            mountPath: "/data"
      volumes:
        - name: pmem-pvc
          persistentVolumeClaim:
            claimName: pmem-lvm

查看结果。

kubectl get pvc

pmem-lvm           Bound    disk-334cb6fa-fabd-4687-96dc-0d2b15564822   10Gi       RWO            pmem-lvm                  10m

kubectl get pod

NAME                                READY   STATUS    RESTARTS   AGE
deployment-lvm-5bf65c7f76-jb6nl     1/1     Running   0          10m

kubectl exec -ti deployment-lvm-5bf65c7f76-jb6nl sh

df /data

Filesystem                                                               1K-blocks  Used Available Use% Mounted on
/dev/mapper/pmemvgregion0-disk--334cb6fa--fabd--4687--96dc--0d2b15564822  10255636 36888  10202364   1% /data

可见已经动态创建了一个块存储数据卷，并挂载给Pod使用。

创建直接内存类型数据卷

创建PVC。

apiVersion: v1
kind: PersistentVolumeClaim
metadata:
  annotations:
    volume.kubernetes.io/selected-node: cn-zhangjiakou.192.168.1.14
  name: pmem-direct
spec:
  accessModes:
  - ReadWriteOnce
  resources:
    requests:
      storage: 9Gi
  storageClassName: pmem-direct

为了定向将PVC调度到某个直接内存类型的AEP节点，可以配置annotations: volume.kubernetes.io/selected-node。

创建应用负载。

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: deployment-direct
  labels:
    app: nginx-direct
spec:
  selector:
    matchLabels:
      app: nginx-direct
  template:
    metadata:
      labels:
        app: nginx-direct
    spec:
      containers:
      - name: nginx
        image: nginx:1.7.9
        command: ["sh", "-c"]
        args: ["sleep 1000"]
        volumeMounts:
          - name: pmem-pvc
            mountPath: "/data"
      volumes:
        - name: pmem-pvc
          persistentVolumeClaim:
            claimName: pmem-direct

查看结果。

kubectl get pvc pmem-direct

NAME          STATUS   VOLUME                                      CAPACITY   ACCESS MODES   STORAGECLASS   AGE
pmem-direct   Bound    disk-15c75a5d-469e-4dd7-b67e-6bdc489288a2   9Gi        RWO            pmem-direct    17m

kubectl get pod

NAME                                READY   STATUS    RESTARTS   AGE
deployment-direct-64d448d96-9znfk   1/1     Running   0          17m

kubectl exec -ti deployment-direct-64d448d96-9znfk sh

df /data

Filesystem     1K-blocks  Used Available Use% Mounted on
/dev/pmem0       9076344 36888   9023072   1% /data

可见已经动态创建了一个PMEM数据卷，并挂载给Pod使用。