Kubernetes StatefulSet

Kubernetes StatefulSet

StatefulSet 是用来管理有状态应用的工作负载 API 对象。

StatefulSet 用来管理 Deployment 和扩展一组 Pod，并且能为这些 Pod 提供序号和唯一性保证。

和 Deployment 相同的是，StatefulSet 管理了基于相同容器定义的一组 Pod。但和 Deployment 不同的是，StatefulSet 为它们的每个 Pod 维护了一个固定的 ID。这些 Pod 是基于相同的声明来创建的，但是不能相互替换：无论怎么调度，每个 Pod 都有一个永久不变的 ID。

StatefulSet 和其他控制器使用相同的工作模式。你在 StatefulSet 对象 中定义你期望的状态，然后 StatefulSet 的 控制器 就会通过各种更新来达到那种你想要的状态。

场景

在分布式应用中,它的多个实例之间，往往有依赖关系，比如: 主从关系、主备关系。还有就是数据存储类应用，它的多个实例，往往都会在本地磁盘上保存一份数据。而这些实例一旦被杀掉，即便重建出来，实例与数据之间的对应关系也已经丢失，从而导致应用失败。

所以，这种实例之间有不对等关系，以及实例对外部数据有依赖关系的应用，就被称为“有状态应用”（Stateful Application）。容器技术诞生后，大家很快发现，它用来封装“无状态应用”（Stateless Application），尤其是 Web 服务，非常好用。但是，一旦你想要用容器运行“有状态应用”，其困难程度就会直线上升。而且，这个问题解决起来，单纯依靠容器技术本身已经无能为力，这也就导致了很长一段时间内，“有状态应用”几乎成了容器技术圈子的“忌讳”。

StatefulSet 的设计其实非常容易理解。它把真实世界里的应用状态，抽象为了两种情况：

• 拓扑状态。这种情况意味着，应用的多个实例之间不是完全对等的关系。这些应用实例，必须按照某些顺序启动，比如应用的主节点 A 要先于从节点 B 启动。而如果你把 A 和 B 两个 Pod 删除掉，它们再次被创建出来时也必须严格按照这个顺序才行。并且，新创建出来的 Pod，必须和原来 Pod 的网络标识一样，这样原先的访问者才能使用同样的方法，访问到这个新 Pod。
• 存储状态。这种情况意味着，应用的多个实例分别绑定了不同的存储数据。对于这些应用实例来说，Pod A 第一次读取到的数据，和隔了十分钟之后再次读取到的数据，应该是同一份，哪怕在此期间 Pod A 被重新创建过。这种情况最典型的例子，就是一个数据库应用的多个存储实例。

小知识 Tip：Service的2种访问方式：

• 第一种方式，是以 Service 的 VIP（Virtual IP，即：虚拟 IP）方式。比如：当我访问 10.0.23.1 这个 Service 的 IP 地址时，10.0.23.1 其实就是一个 VIP，它会把请求转发到该 Service 所代理的某一个 Pod 上。这里的具体原理，我会在后续的 Service 章节中进行详细介绍。
• 第二种方式，就是以 Service 的 DNS 方式。比如：这时候，只要我访问“my-svc.my-namespace.svc.cluster.local”这条 DNS 记录，就可以访问到名叫 my-svc 的 Service 所代理的某一个 Pod。

第二种 Service DNS 的方式下，具体还可以分为两种处理方法：

• 第一种处理方法，是 Normal Service。这种情况下，你访问“my-svc.my-namespace.svc.cluster.local”解析到的，正是 my-svc 这个 Service 的 VIP，后面的流程就跟 VIP 方式一致了。
• 而第二种处理方法，正是 Headless Service。这种情况下，你访问“my-svc.my-namespace.svc.cluster.local”解析到的，直接就是 my-svc 代理的某一个 Pod 的 IP 地址。可以看到，这里的区别在于，Headless Service 不需要分配一个 VIP，而是可以直接以 DNS 记录的方式解析出被代理 Pod 的 IP 地址。

创建了一个 Headless Service 之后，它所代理的所有 Pod 的 IP 地址，都会被绑定一个这样格式的 DNS 记录，如下所示：

1 2	> <pod-name>.<svc-name>.<namespace>.svc.cluster.local >

>

这个 DNS 记录，正是 Kubernetes 项目为 Pod 分配的唯一的“可解析身份”（Resolvable Identity）。有了这个“可解析身份”，只要你知道了一个 Pod 的名字，以及它对应的 Service 的名字，你就可以非常确定地通过这条 DNS 记录访问到 Pod 的 IP 地址。

StatefulSets 对于需要满足以下一个或多个需求的应用程序很有价值：

• 稳定的、唯一的网络标识符。
• 稳定的、持久的存储。
• 有序的、优雅的部署和缩放。
• 有序的、自动的滚动更新。

在上面，稳定意味着 Pod 调度或重调度的整个过程是有持久性的。如果应用程序不需要任何稳定的标识符或有序的部署、删除或伸缩，则应该使用由一组无状态的副本控制器提供的工作负载来部署应用程序，比如 Deployment 或者 ReplicaSet 可能更适用于您的无状态应用部署需要。

StatefulSet 这个控制器的主要作用之一，就是使用 Pod 模板创建 Pod 的时候，对它们进行编号，并且按照编号顺序逐一完成创建工作。而当 StatefulSet 的“控制循环”发现 Pod 的“实际状态”与“期望状态”不一致，需要新建或者删除 Pod 进行“调谐”的时候，它会严格按照这些 Pod 编号的顺序，逐一完成这些操作。

限制

• 给定 Pod 的存储必须由 PersistentVolume 驱动 基于所请求的 storage class 来提供，或者由管理员预先提供。
• 删除或者收缩 StatefulSet 并不会删除它关联的存储卷。这样做是为了保证数据安全，它通常比自动清除 StatefulSet 所有相关的资源更有价值。
• StatefulSet 当前需要 headless 服务 来负责 Pod 的网络标识。您需要负责创建此服务。
• 当删除 StatefulSets 时，StatefulSet 不提供任何终止 Pod 的保证。为了实现 StatefulSet 中的 Pod 可以有序和优雅的终止，可以在删除之前将 StatefulSet 缩放为 0。
• 在默认 Pod 管理策略(OrderedReady) 时使用 滚动更新，可能进入需要 人工干预 才能修复的损坏状态。

用例

• 拓扑状态管理

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apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: nginx
  labels:
    app: nginx
spec:
  ports:
  - port: 80
    name: web
  clusterIP: None // 注意这里  Headless Service 
  selector:
    app: nginx
---
apiVersion: apps/v1
kind: StatefulSet
metadata:
  name: web
spec:
  selector:
    matchLabels:
      app: nginx # has to match .spec.template.metadata.labels
  serviceName: "nginx"
  replicas: 3 # by default is 1
  template:
    metadata:
      labels:
        app: nginx # has to match .spec.selector.matchLabels
    spec:
      terminationGracePeriodSeconds: 10
      containers:
      - name: nginx
        image: k8s.gcr.io/nginx-slim:0.8
        ports:
        - containerPort: 80
          name: web
        volumeMounts:
        - name: www
          mountPath: /usr/share/nginx/html
  volumeClaimTemplates:
  - metadata:
      name: www
    spec:
      accessModes: [ "ReadWriteOnce" ]
      storageClassName: "my-storage-class"
      resources:
        requests:
          storage: 1Gi

查看创建效果：

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$ kubectl create -f svc.yaml
$ kubectl get service nginx
NAME      TYPE         CLUSTER-IP   EXTERNAL-IP   PORT(S)   AGE
nginx     ClusterIP    None         <none>        80/TCP    10s

$ kubectl create -f statefulset.yaml
$ kubectl get statefulset web
NAME      DESIRED   CURRENT   AGE
web       2         1         19s

试着以 DNS 的方式，访问一下这个 Headless Service：

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$ kubectl run -i --tty --image busybox dns-test --restart=Never --rm /bin/sh

通过这条命令，我们启动了一个一次性的 Pod，因为–rm 意味着 Pod 退出后就会被删除掉。然后，在这个 Pod 的容器里面，我们尝试用 nslookup 命令，解析一下 Pod 对应的 Headless Service：

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$ kubectl run -i --tty --image busybox dns-test --restart=Never --rm /bin/sh
$ nslookup web-0.nginx
Server:    10.0.0.10
Address 1: 10.0.0.10 kube-dns.kube-system.svc.cluster.local

Name:      web-0.nginx
Address 1: 10.244.1.7

$ nslookup web-1.nginx
Server:    10.0.0.10
Address 1: 10.0.0.10 kube-dns.kube-system.svc.cluster.local

Name:      web-1.nginx
Address 1: 10.244.2.7

从 nslookup 命令的输出结果中，我们可以看到，在访问 web-0.nginx 的时候，最后解析到的，正是 web-0 这个 Pod 的 IP 地址；而当访问 web-1.nginx 的时候，解析到的则是 web-1 的 IP 地址。

如果你在另外一个 Terminal 里把这两个“有状态应用”的 Pod 删掉：

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$ kubectl delete pod -l app=nginx
pod "web-0" deleted
pod "web-1" deleted

Watch 一下这两个 Pod 的状态变化，就会发现一个有趣的现象：

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$ kubectl get pod -w -l app=nginx
NAME      READY     STATUS              RESTARTS   AGE
web-0     0/1       ContainerCreating   0          0s
NAME      READY     STATUS    RESTARTS   AGE
web-0     1/1       Running   0          2s
web-1     0/1       Pending   0         0s
web-1     0/1       ContainerCreating   0         0s
web-1     1/1       Running   0         32s

当我们把这两个 Pod 删除之后，Kubernetes 会按照原先编号的顺序，创建出了两个新的 Pod。并且，Kubernetes 依然为它们分配了与原来相同的“网络身份”：web-0.nginx 和 web-1.nginx。StatefulSet 就保证了 Pod 网络标识的稳定性。

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$ kubectl run -i --tty --image busybox dns-test --restart=Never --rm /bin/sh 
$ nslookup web-0.nginx
Server:    10.0.0.10
Address 1: 10.0.0.10 kube-dns.kube-system.svc.cluster.local

Name:      web-0.nginx
Address 1: 10.244.1.8

$ nslookup web-1.nginx
Server:    10.0.0.10
Address 1: 10.0.0.10 kube-dns.kube-system.svc.cluster.local

Name:      web-1.nginx
Address 1: 10.244.2.8

在这个 StatefulSet 中，这两个新 Pod 的“网络标识”（比如：web-0.nginx 和 web-1.nginx），再次解析到了正确的 IP 地址（比如：web-0 Pod 的 IP 地址 10.244.1.8）。

Kubernetes 就成功地将 Pod 的拓扑状态（比如：哪个节点先启动，哪个节点后启动），按照 Pod 的“名字 + 编号”的方式固定了下来。

这些状态在 StatefulSet 的整个生命周期里都会保持不变，绝不会因为对应 Pod 的删除或者重新创建而失效。

• 存储状态管理

Kubernetes 的 StatefulSet 就实现了对应用存储状态的管理。首先，当你把一个 Pod，比如 web-0，删除之后，这个 Pod 对应的 PVC 和 PV，并不会被删除，而这个 Volume 里已经写入的数据，也依然会保存在远程存储服务里。

此时，StatefulSet 控制器发现，一个名叫 web-0 的 Pod 消失了。所以，控制器就会重新创建一个新的、名字还是叫作 web-0 的 Pod 来，“纠正”这个不一致的情况。

需要注意的是，在这个新的 Pod 对象的定义里，它声明使用的 PVC 的名字，还是叫作：web-0。这个 PVC 的定义，还是来自于 PVC 模板（volumeClaimTemplates），这是 StatefulSet 创建 Pod 的标准流程。

所以，在这个新的 web-0 Pod 被创建出来之后，Kubernetes 为它查找名叫 web-0 的 PVC 时，就会直接找到旧 Pod 遗留下来的同名的 PVC，进而找到跟这个 PVC 绑定在一起的 PV。

新的 Pod 就可以挂载到旧 Pod 对应的那个 Volume，并且获取到保存在 Volume 里的数据。

StatefulSet 的工作原理总结

• 首先，StatefulSet 的控制器直接管理的是 Pod。这是因为，StatefulSet 里的不同 Pod 实例，不再像 ReplicaSet 中那样都是完全一样的，而是有了细微区别的。比如，每个 Pod 的 hostname、名字等都是不同的、携带了编号的。而 StatefulSet 区分这些实例的方式，就是通过在 Pod 的名字里加上事先约定好的编号。

• 其次，Kubernetes 通过 Headless Service，为这些有编号的 Pod，在 DNS 服务器中生成带有同样编号的 DNS 记录。只要 StatefulSet 能够保证这些 Pod 名字里的编号不变，那么 Service 里类似于 web-0.nginx.default.svc.cluster.local 这样的 DNS 记录也就不会变，而这条记录解析出来的 Pod 的 IP 地址，则会随着后端 Pod 的删除和再创建而自动更新。这当然是 Service 机制本身的能力，不需要 StatefulSet 操心。

• 最后，StatefulSet 还为每一个 Pod 分配并创建一个同样编号的 PVC。这样，Kubernetes 就可以通过 Persistent Volume 机制为这个 PVC 绑定上对应的 PV，从而保证了每一个 Pod 都拥有一个独立的 Volume。在这种情况下，即使 Pod 被删除，它所对应的 PVC 和 PV 依然会保留下来。所以当这个 Pod 被重新创建出来之后，Kubernetes 会为它找到同样编号的 PVC，挂载这个 PVC 对应的 Volume，从而获取到以前保存在 Volume 里的数据。