学习 Kubernetes 基础知识

任务

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运行一个有状态的应用程序

该页面显示如何使用StatefulSet 控制器去运行一个有状态的应用程序。此例是一主多从的 MySQL 集群。

请注意 这不是生产配置。 重点是， MySQL 设置保留在不安全的默认值上，使重点放在 Kubernetes 中运行有状态应用程序的常规模式。

教程目标

  • 使用 StatefulSet 控制器部署复制的 MySQL 拓扑。
  • 发送 MySQL 客户端流量。
  • 观察对宕机的抵抗力。
  • 缩放 StatefulSet 的大小。

准备开始

要获知版本信息，请输入 kubectl version.

  • This tutorial assumes you are familiar with PersistentVolumes and StatefulSets, as well as other core concepts like Pods, Services, and ConfigMaps.
  • Some familiarity with MySQL helps, but this tutorial aims to present general patterns that should be useful for other systems. –>

  • 你必须拥有一个 Kubernetes 的集群，同时你的 Kubernetes 集群必须带有 kubectl 命令行工具。 如果你还没有集群，你可以通过 Minikube 构建一 个你自己的集群，或者你可以使用下面任意一个 Kubernetes 工具构建：

要获知版本信息，请输入 kubectl version.

部署 MySQL

部署 MySQL 示例，包含一个 ConfigMap，两个 Services，与一个 StatefulSet。

ConfigMap

从以下的 YAML 配置文件创建 ConfigMap ：

application/mysql/mysql-configmap.yaml 
apiVersion: v1
kind: ConfigMap
metadata:
  name: mysql
  labels:
    app: mysql
data:
  master.cnf: |
    # Apply this config only on the master.
    [mysqld]
    log-bin
  slave.cnf: |
    # Apply this config only on slaves.
    [mysqld]
    super-read-only


kubectl apply -f https://k8s.io/examples/application/mysql/mysql-configmap.yaml

这个 ConfigMap 提供 my.cnf 覆盖，使您可以独立控制 MySQL 主服务器和从服务器的配置。 在这种情况下，您希望主服务器能够将复制日志提供给从服务器，并且希望从服务器拒绝任何不是通过复制进行的写操作。

ConfigMap 本身没有什么特别之处，它可以使不同部分应用于不同的 Pod。 每个 Pod 都会决定在初始化时要看基于 StatefulSet 控制器提供的信息。

Services

从以下 YAML 配置文件创建服务：

application/mysql/mysql-services.yaml 
# Headless service for stable DNS entries of StatefulSet members.
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: mysql
  labels:
    app: mysql
spec:
  ports:
  - name: mysql
    port: 3306
  clusterIP: None
  selector:
    app: mysql
---
# Client service for connecting to any MySQL instance for reads.
# For writes, you must instead connect to the master: mysql-0.mysql.
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: mysql-read
  labels:
    app: mysql
spec:
  ports:
  - name: mysql
    port: 3306
  selector:
    app: mysql


kubectl apply -f https://k8s.io/examples/application/mysql/mysql-services.yaml

Headless Service 给 StatefulSet 控制器为集合中每个 Pod 创建的 DNS 条目提供了一个宿主。因为 Headless Service 名为 mysql，所以可以通过在同一 Kubernetes 集群和 namespace 中的任何其他 Pod 内解析 <pod-name>.mysql 来访问 Pod。

客户端 Service 称为 mysql-read，是一种常规 Service，具有其自己的群集 IP，该群集 IP 在报告为就绪的所有MySQL Pod 中分配连接。可能端点的集合包括 MySQL 主节点和所有从节点。

请注意，只有读取查询才能使用负载平衡的客户端 Service。因为只有一个 MySQL 主服务器，所以客户端应直接连接到 MySQL 主服务器 Pod (通过其在 Headless Service 中的 DNS 条目)以执行写入操作。

StatefulSet

最后，从以下 YAML 配置文件创建 StatefulSet：

application/mysql/mysql-statefulset.yaml 
apiVersion: apps/v1
kind: StatefulSet
metadata:
  name: mysql
spec:
  selector:
    matchLabels:
      app: mysql
  serviceName: mysql
  replicas: 3
  template:
    metadata:
      labels:
        app: mysql
    spec:
      initContainers:
      - name: init-mysql
        image: mysql:5.7
        command:
        - bash
        - "-c"
        - |
          set -ex
          # Generate mysql server-id from pod ordinal index.
          [[ `hostname` =~ -([0-9]+)$ ]] || exit 1
          ordinal=${BASH_REMATCH[1]}
          echo [mysqld] > /mnt/conf.d/server-id.cnf
          # Add an offset to avoid reserved server-id=0 value.
          echo server-id=$((100 + $ordinal)) >> /mnt/conf.d/server-id.cnf
          # Copy appropriate conf.d files from config-map to emptyDir.
          if [[ $ordinal -eq 0 ]]; then
            cp /mnt/config-map/master.cnf /mnt/conf.d/
          else
            cp /mnt/config-map/slave.cnf /mnt/conf.d/
          fi
        volumeMounts:
        - name: conf
          mountPath: /mnt/conf.d
        - name: config-map
          mountPath: /mnt/config-map
      - name: clone-mysql
        image: gcr.io/google-samples/xtrabackup:1.0
        command:
        - bash
        - "-c"
        - |
          set -ex
          # Skip the clone if data already exists.
          [[ -d /var/lib/mysql/mysql ]] && exit 0
          # Skip the clone on master (ordinal index 0).
          [[ `hostname` =~ -([0-9]+)$ ]] || exit 1
          ordinal=${BASH_REMATCH[1]}
          [[ $ordinal -eq 0 ]] && exit 0
          # Clone data from previous peer.
          ncat --recv-only mysql-$(($ordinal-1)).mysql 3307 | xbstream -x -C /var/lib/mysql
          # Prepare the backup.
          xtrabackup --prepare --target-dir=/var/lib/mysql
        volumeMounts:
        - name: data
          mountPath: /var/lib/mysql
          subPath: mysql
        - name: conf
          mountPath: /etc/mysql/conf.d
      containers:
      - name: mysql
        image: mysql:5.7
        env:
        - name: MYSQL_ALLOW_EMPTY_PASSWORD
          value: "1"
        ports:
        - name: mysql
          containerPort: 3306
        volumeMounts:
        - name: data
          mountPath: /var/lib/mysql
          subPath: mysql
        - name: conf
          mountPath: /etc/mysql/conf.d
        resources:
          requests:
            cpu: 500m
            memory: 1Gi
        livenessProbe:
          exec:
            command: ["mysqladmin", "ping"]
          initialDelaySeconds: 30
          periodSeconds: 10
          timeoutSeconds: 5
        readinessProbe:
          exec:
            # Check we can execute queries over TCP (skip-networking is off).
            command: ["mysql", "-h", "127.0.0.1", "-e", "SELECT 1"]
          initialDelaySeconds: 5
          periodSeconds: 2
          timeoutSeconds: 1
      - name: xtrabackup
        image: gcr.io/google-samples/xtrabackup:1.0
        ports:
        - name: xtrabackup
          containerPort: 3307
        command:
        - bash
        - "-c"
        - |
          set -ex
          cd /var/lib/mysql

          # Determine binlog position of cloned data, if any.
          if [[ -f xtrabackup_slave_info && "x$(<xtrabackup_slave_info)" != "x" ]]; then
            # XtraBackup already generated a partial "CHANGE MASTER TO" query
            # because we're cloning from an existing slave. (Need to remove the tailing semicolon!)
            cat xtrabackup_slave_info | sed -E 's/;$//g' > change_master_to.sql.in
            # Ignore xtrabackup_binlog_info in this case (it's useless).
            rm -f xtrabackup_slave_info xtrabackup_binlog_info
          elif [[ -f xtrabackup_binlog_info ]]; then
            # We're cloning directly from master. Parse binlog position.
            [[ `cat xtrabackup_binlog_info` =~ ^(.*?)[[:space:]]+(.*?)$ ]] || exit 1
            rm -f xtrabackup_binlog_info xtrabackup_slave_info
            echo "CHANGE MASTER TO MASTER_LOG_FILE='${BASH_REMATCH[1]}',\
                  MASTER_LOG_POS=${BASH_REMATCH[2]}" > change_master_to.sql.in
          fi

          # Check if we need to complete a clone by starting replication.
          if [[ -f change_master_to.sql.in ]]; then
            echo "Waiting for mysqld to be ready (accepting connections)"
            until mysql -h 127.0.0.1 -e "SELECT 1"; do sleep 1; done

            echo "Initializing replication from clone position"
            mysql -h 127.0.0.1 \
                  -e "$(<change_master_to.sql.in), \
                          MASTER_HOST='mysql-0.mysql', \
                          MASTER_USER='root', \
                          MASTER_PASSWORD='', \
                          MASTER_CONNECT_RETRY=10; \
                        START SLAVE;" || exit 1
            # In case of container restart, attempt this at-most-once.
            mv change_master_to.sql.in change_master_to.sql.orig
          fi

          # Start a server to send backups when requested by peers.
          exec ncat --listen --keep-open --send-only --max-conns=1 3307 -c \
            "xtrabackup --backup --slave-info --stream=xbstream --host=127.0.0.1 --user=root"
        volumeMounts:
        - name: data
          mountPath: /var/lib/mysql
          subPath: mysql
        - name: conf
          mountPath: /etc/mysql/conf.d
        resources:
          requests:
            cpu: 100m
            memory: 100Mi
      volumes:
      - name: conf
        emptyDir: {}
      - name: config-map
        configMap:
          name: mysql
  volumeClaimTemplates:
  - metadata:
      name: data
    spec:
      accessModes: ["ReadWriteOnce"]
      resources:
        requests:
          storage: 10Gi

kubectl apply -f https://k8s.io/examples/application/mysql/mysql-statefulset.yaml

您可以通过运行以下命令查看启动进度：

kubectl get pods -l app=mysql --watch

一段时间后，您应该看到所有3个 Pod 都开始运行：

NAME      READY     STATUS    RESTARTS   AGE
mysql-0   2/2       Running   0          2m
mysql-1   2/2       Running   0          1m
mysql-2   2/2       Running   0          1m

输入Ctrl+C取消观察。 如果您看不到任何进度，确保已启用前提条件中提到的动态 PersistentVolume 预配器。

该清单使用多种技术来管理作为 StatefulSet 一部分的有状态 Pod。下一节重点介绍其中一些技巧，以解释 StatefulSet 创建 Pod 时发生的状况。

了解有状态的 Pod 初始化

StatefulSet 控制器一次按顺序启动 Pod 序数索引。它一直等到每个 Pod 报告就绪为止，然后再开始下一个 Pod。

此外，控制器为每个 Pod 分配一个唯一，稳定的表单名称 <statefulset-name>-<ordinal-index> 其结果是 Pods 名为 mysql-0，mysql-1 和 mysql-2。

上述 StatefulSet 清单中的 Pod 模板利用这些属性来执行 MySQL 复制的有序启动。

生成配置

在启动 Pod 规范中的任何容器之前， Pod 首先运行任何初始容器按照定义的顺序。

第一个名为 init-mysql 的初始化容器，根据序号索引生成特殊的 MySQL 配置文件。

该脚本通过从 Pod 名称的末尾提取索引来确定自己的序号索引，该名称由 hostname 命令返回。 然后将序数(带有数字偏移量以避免保留值)保存到 MySQL conf.d 目录中的文件 server-id.cnf 中。 这将转换 StatefulSet 提供的唯一，稳定的身份控制器进入需要相同属性的 MySQL 服务器 ID 的范围。

通过将内容复制到 conf.d 中，init-mysql 容器中的脚本也可以应用 ConfigMap 中的 master.cnf 或 slave.cnf。由于示例拓扑由单个 MySQL 主节点和任意数量的从节点组成，因此脚本仅将序数 0 指定为主节点，而将其他所有人指定为从节点。与 StatefulSet 控制器的部署顺序保证,这样可以确保 MySQL 主服务器在创建从服务器之前已准备就绪，以便它们可以开始复制。

克隆现有数据

通常，当新的 Pod 作为从节点加入集合时，必须假定 MySQL 主节点可能已经有数据。还必须假设复制日志可能不会一直追溯到时间的开始。 这些保守假设的关键是允许正在运行的 StatefulSet 随时间扩大和缩小而不是固定在其初始大小。

第二个名为 clone-mysql 的初始化容器，第一次在从属 Pod 上以空 PersistentVolume 启动时，会对从属 Pod 执行克隆操作。这意味着它将从另一个运行的 Pod 复制所有现有数据，因此其本地状态足够一致，可以开始主从服务器复制。

MySQL 本身不提供执行此操作的机制，因此该示例使用了一种流行的开源工具 Percona XtraBackup。 在克隆期间，源 MySQL 服务器可能会降低性能。 为了最大程度地减少对 MySQL 主机的影响，该脚本指示每个 Pod 从序号较低的 Pod 中克隆。 可以这样做的原因是 StatefulSet 控制器始终确保在启动 Pod N + 1 之前 Pod N 已准备就绪。

开始复制

初始化容器成功完成后，常规容器将运行。 MySQL Pods 由运行实际 mysqld 服务器的 mysql 容器和充当辅助工具的 xtrabackup 容器组成。

xtrabackup 辅助工具查看克隆的数据文件，并确定是否有必要在从属服务器上初始化 MySQL 复制。 如果是这样，它将等待 mysqld 准备就绪，然后执行带有从 XtraBackup 克隆文件中提取的复制参数 CHANGE MASTER TO 和 START SLAVE 命令。

一旦从服务器开始复制后，它会记住其 MySQL 主服务器。并且如果服务器重新启动或连接中断，则会自动重新连接。 另外，因为从服务器会以其稳定的 DNS 名称查找主服务器(mysql-0.mysql)，即使由于重新安排而获得新的 Pod IP，他们也会自动找到主服务器。

最后，开始复制后，xtrabackup 容器监听来自其他 Pod 的连接数据克隆请求。 如果 StatefulSet 扩大规模，或者下一个 Pod 失去其 PersistentVolumeClaim 并需要重新克隆，则此服务器将无限期保持运行。

发送客户端流量

您可以通过运行带有 mysql:5.7 镜像的临时容器并运行 mysql 客户端二进制文件，将测试查询发送到 MySQL 主服务器(主机名 mysql-0.mysql )。

kubectl run mysql-client --image=mysql:5.7 -i --rm --restart=Never --\
  mysql -h mysql-0.mysql <<EOF
CREATE DATABASE test;
CREATE TABLE test.messages (message VARCHAR(250));
INSERT INTO test.messages VALUES ('hello');
EOF

使用主机名 mysql-read 将测试查询发送到任何报告为就绪的服务器：

kubectl run mysql-client --image=mysql:5.7 -i -t --rm --restart=Never --\
  mysql -h mysql-read -e "SELECT * FROM test.messages"

您应该获得如下输出：

Waiting for pod default/mysql-client to be running, status is Pending, pod ready: false
+---------+
| message |
+---------+
| hello   |
+---------+
pod "mysql-client" deleted

为了演示 mysql-read 服务在服务器之间分配连接，您可以在循环中运行 SELECT @@server_id：

kubectl run mysql-client-loop --image=mysql:5.7 -i -t --rm --restart=Never --\
  bash -ic "while sleep 1; do mysql -h mysql-read -e 'SELECT @@server_id,NOW()'; done"

您应该看到报告的 @@server_id 发生随机变化，因为每次尝试连接时都可能选择了不同的端点：

+-------------+---------------------+
| @@server_id | NOW()               |
+-------------+---------------------+
|         100 | 2006-01-02 15:04:05 |
+-------------+---------------------+
+-------------+---------------------+
| @@server_id | NOW()               |
+-------------+---------------------+
|         102 | 2006-01-02 15:04:06 |
+-------------+---------------------+
+-------------+---------------------+
| @@server_id | NOW()               |
+-------------+---------------------+
|         101 | 2006-01-02 15:04:07 |
+-------------+---------------------+

要停止循环时可以按 Ctrl+C ，但是让它在另一个窗口中运行非常有用，这样您就可以看到以下步骤的效果。

模拟 Pod 和 Node 的宕机时间

为了证明从从节点缓存而不是单个服务器读取数据的可用性提高，请在使 Pod 退出 Ready 状态时，保持 SELECT @@server_id 循环从上面运行。

退出 Readiness Probe

mysql 容器的readiness probe运行命令 mysql -h 127.0.0.1 -e 'SELECT 1'，以确保服务器已启动并能够执行查询。

迫使 readiness probe 失败的一种方法就是执行该命令：

kubectl exec mysql-2 -c mysql -- mv /usr/bin/mysql /usr/bin/mysql.off

这进入 Pod mysql-2 的实际容器文件系统，并重命名 mysql 命令，以便 readiness probe 无法找到它。 几秒钟后， Pod 会将其中一个容器报告为未就绪，您可以通过运行以下命令进行检查：

kubectl get pod mysql-2

在 就绪 列中查找 1/2 ：

NAME      READY     STATUS    RESTARTS   AGE
mysql-2   1/2       Running   0          3m

此时，您应该会看到 SELECT @@server_id 循环继续运行，尽管它不再报告 102 。 回想一下，init-mysql 脚本将 server-id 定义为 100 + $ordinal ，因此服务器 ID 102 对应于 Pod mysql-2。

现在修复 Pod，几秒钟后它应该重新出现在循环输出中：

kubectl exec mysql-2 -c mysql -- mv /usr/bin/mysql.off /usr/bin/mysql

删除 Pods

如果删除了 Pod，则 StatefulSet 还会重新创建 Pod，类似于 ReplicaSet 对无状态 Pod 所做的操作。

kubectl delete pod mysql-2

StatefulSet 控制器注意到不再存在 mysql-2 Pod，并创建了一个具有相同名称并链接到相同 PersistentVolumeClaim 的新 Pod。 您应该看到服务器 ID 102 从循环输出中消失了一段时间，然后自行返回。

排除 Node

如果您的 Kubernetes 集群具有多个节点，则可以通过发出以下命令drain来模拟节点停机时间(例如升级节点时)。

首先确定 MySQL Pods 之一在哪个节点上：

kubectl get pod mysql-2 -o wide

节点名称应显示在最后一列中：

NAME      READY     STATUS    RESTARTS   AGE       IP            NODE
mysql-2   2/2       Running   0          15m       10.244.5.27   kubernetes-node-9l2t

然后通过运行以下命令耗尽节点，该命令将其封锁，以使新的 Pod 不能在那里调度，然后驱逐任何现有的 Pod。 将 <node-name> 替换为在上一步中找到的 Node 的名称。

这可能会影响节点上的其他应用程序，因此最好 仅在测试集群中执行此操作。

kubectl drain <node-name> --force --delete-local-data --ignore-daemonsets

现在，您可以观察 Pod 在其他节点上的重新安排：

kubectl get pod mysql-2 -o wide --watch

它看起来应该像这样：

NAME      READY   STATUS          RESTARTS   AGE       IP            NODE
mysql-2   2/2     Terminating     0          15m       10.244.1.56   kubernetes-node-9l2t
[...]
mysql-2   0/2     Pending         0          0s        <none>        kubernetes-node-fjlm
mysql-2   0/2     Init:0/2        0          0s        <none>        kubernetes-node-fjlm
mysql-2   0/2     Init:1/2        0          20s       10.244.5.32   kubernetes-node-fjlm
mysql-2   0/2     PodInitializing 0          21s       10.244.5.32   kubernetes-node-fjlm
mysql-2   1/2     Running         0          22s       10.244.5.32   kubernetes-node-fjlm
mysql-2   2/2     Running         0          30s       10.244.5.32   kubernetes-node-fjlm

再次，您应该看到服务器 ID 102 从 SELECT @@server_id 循环输出一段时间，然后返回。

现在 uncordon 节点,使其恢复为正常模式:

kubectl uncordon <node-name>

扩展从节点数量

使用 MySQL 复制，您可以通过添加从节点来扩展读取查询的能力。 使用 StatefulSet，您可以使用单个命令执行此操作：

kubectl scale statefulset mysql  --replicas=5

查看新的 Pod 的运行情况：

kubectl get pods -l app=mysql --watch

一旦 Pod 启动，您应该看到服务器 IDs 103 和 104 开始出现在 SELECT @@server_id 循环输出中。

您还可以验证这些新服务器在存在之前已添加了数据：

kubectl run mysql-client --image=mysql:5.7 -i -t --rm --restart=Never --\
  mysql -h mysql-3.mysql -e "SELECT * FROM test.messages"
Waiting for pod default/mysql-client to be running, status is Pending, pod ready: false
+---------+
| message |
+---------+
| hello   |
+---------+
pod "mysql-client" deleted

向下缩放也是不停顿的：

kubectl scale statefulset mysql --replicas=3

但是请注意，按比例放大会自动创建新的 PersistentVolumeClaims，而按比例缩小不会自动删除这些 PVC。 这使您可以选择保留那些初始化的 PVC，以更快地进行缩放，或者在删除它们之前提取数据。

您可以通过运行以下命令查看此信息：

kubectl get pvc -l app=mysql

这表明，尽管将 StatefulSet 缩小为3，所有5个 PVC 仍然存在：

NAME           STATUS    VOLUME                                     CAPACITY   ACCESSMODES   AGE
data-mysql-0   Bound     pvc-8acbf5dc-b103-11e6-93fa-42010a800002   10Gi       RWO           20m
data-mysql-1   Bound     pvc-8ad39820-b103-11e6-93fa-42010a800002   10Gi       RWO           20m
data-mysql-2   Bound     pvc-8ad69a6d-b103-11e6-93fa-42010a800002   10Gi       RWO           20m
data-mysql-3   Bound     pvc-50043c45-b1c5-11e6-93fa-42010a800002   10Gi       RWO           2m
data-mysql-4   Bound     pvc-500a9957-b1c5-11e6-93fa-42010a800002   10Gi       RWO           2m

如果您不打算重复使用多余的 PVC，则可以删除它们：

kubectl delete pvc data-mysql-3
kubectl delete pvc data-mysql-4

清理现场

  1. 通过在终端上按 Ctrl+C 取消 SELECT @@server_id 循环，或从另一个终端运行以下命令：

    kubectl delete pod mysql-client-loop --now

  1. 删除 StatefulSet。这也开始终止 Pod。

    kubectl delete statefulset mysql

  1. 验证 Pod 消失。 他们可能需要一些时间才能完成终止。

    kubectl get pods -l app=mysql

当以上内容返回时，您将知道 Pod 已终止：

   No resources found.

  1. 删除 ConfigMap，Services 和 PersistentVolumeClaims。

    kubectl delete configmap,service,pvc -l app=mysql
  1. 如果您手动设置 PersistentVolume，则还需要手动删除它们，并释放基础资源。 如果您使用了动态预配器，当得知您删除 PersistentVolumeClaims 时，它将自动删除 PersistentVolumes。 一些动态预配器(例如用于 EBS 和 PD 的预配器)也会在删除 PersistentVolumes 时释放基础资源。

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