前言

一般情况下 Kubernetes 可以通过 ReplicaSet 以一个 Pod 模板创建多个 pod 副本，但是它们都是无状态的，任何时候它们都可以被一个全新的 pod 替换。然而有状态的 pod 需要另外的方案确保当一个有状态的 pod 挂掉后，这个 pod 实例需要在别的节点上重建，但是新的实例必须与被替换的实例拥有相同的名称、网络标识和状态。这就是 Statefulset 管理 pod 的手段。对于容器集群，有状态服务的挑战在于，通常集群中的任何节点都并非100%可靠的，服务所需的资源也会动态地更新改变。当节点由于故障或服务由于需要更多的资源而无法继续运行在原有节点上时，集群管理系统会为该服务重新分配一个新的运行位置，从而确保从整体上看，集群对外的服务不会中断。若采用本地存储，当服务漂移后数据并不会随着服务转移到新的节点，重启服务就会出现数据丢失的困境。下面我们通过一个 mysql 的主从集群搭建，深入了解 kubernetes 的 statfulset 管理。为了降低实验的外部依赖，存储层面上，我们采用的是本地存储，当然生产上不建议这样做，生产环境的存储推荐官方介绍到的的 gce、nfs、ceph 等存储方案，因为这些方案支持动态供给的特性，允许开发人员通过 pvc 的定义，快速实现数据有效存储，所以你绝不应该把一个宿主机上的目录当作 PV 使用，只是本文用于实验需要，采用 Local Persistent Volume 的手段，目的只是为了验证 Statefulset 的状态管理功能。

一、实验环境

kubernetes Master

kubernetes Node（测试演示，所有的副本都会在其上运行）

kubernetes DNS 服务已开启

二、实验目的

搭建一个主从复制（Master-Slave）的 MySQL 集群

从节点可以水平扩展

所有的写操作只能在主节点上执行

读操作可以在主从节点上执行

从节点能同步主节点的数据

三、本地存储原理

为了快速搭建测试环境，我们这里使用了本地存储，也就是说，用户希望 Kubernetes 能够直接使用宿主机上的本地磁盘目录，而不依赖于远程存储服务，来提供持久化的容器 Volume。不过这里有个难点：我们把存储固定在一个节点上，但是pod在调度的时候，是飘来飘去的，怎么能让pod通过pvc也能固定在pv上？给这个 Pod 加上一个 nodeAffinity 行不行？当然行，但是这变相破坏了开发人员对资源对象的定义规范了，开发人员应该不需要时刻考虑调度的细节。调度的改动应该交给运维就行。所以我们为了实现本地存储，我们采用了延迟绑定的方法。方法很简单，我们都知道 storageclass 一般由运维人员设计，我们只需要在storageclass 指定 no-provisioner。这是因为 Local Persistent Volume 目前尚不支持 Dynamic Provisioning，所以它没办法在用户创建 PVC 的时候，就自动创建出对应的 PV。与此同时，这个 StorageClass 还定义了一个 volumeBindingMode=WaitForFirstConsumer 的属性。它是 Local Persistent Volume 里一个非常重要的特性，即：延迟绑定

kind: StorageClass
apiVersion: storage.k8s.io/v1
metadata:name: local-storage
provisioner: kubernetes.io/no-provisioner
volumeBindingMode: WaitForFirstConsumer

四、实验步骤

一、在node 节点预先分配几个pv (不建议在生产上这样操作)

01-persistentVolume-1.yaml

apiVersion: v1
kind: PersistentVolume
metadata:name: example-mysql-pv
spec:capacity:storage: 15GivolumeMode: FilesystemaccessModes:- ReadWriteOncepersistentVolumeReclaimPolicy: DeletestorageClassName: local-storagelocal:path: /data/svr/projects/mysqlnodeAffinity:required:nodeSelectorTerms:- matchExpressions:- key: kubernetes.io/hostnameoperator: Invalues:- 172.31.170.51

01-persistentVolume-2.yaml

apiVersion: v1
kind: PersistentVolume
metadata:name: example-mysql-pv-2
spec:capacity:storage: 15GivolumeMode: FilesystemaccessModes:- ReadWriteOncepersistentVolumeReclaimPolicy: DeletestorageClassName: local-storagelocal:path: /data/svr/projects/mysql2nodeAffinity:required:nodeSelectorTerms:- matchExpressions:- key: kubernetes.io/hostnameoperator: Invalues:- 172.31.170.51

01-persistentVolume-3.yaml

apiVersion: v1
kind: PersistentVolume
metadata:name: example-mysql-pv-3
spec:capacity:storage: 15GivolumeMode: FilesystemaccessModes:- ReadWriteOncepersistentVolumeReclaimPolicy: DeletestorageClassName: local-storagelocal:path: /data/svr/projects/mysql3nodeAffinity:required:nodeSelectorTerms:- matchExpressions:- key: kubernetes.io/hostnameoperator: Invalues:- 172.31.170.51

注意：这是在生产上不推荐的做法，我只是实验用途才这样手动预先创建，正规的做法应该通过storageclass采用 Dynamic Provisioning，而不是 Static Provisioning 机制生产PV。

kubectl apply -f 01-persistentVolume-{1..3}.yamlpersistentvolume/example-mysql-pv1 created
persistentvolume/example-mysql-pv2 created
persistentvolume/example-mysql-pv3 created

二、创建 StorageClass

02-storageclass.yaml

kind: StorageClass
apiVersion: storage.k8s.io/v1
metadata:name: local-storage
provisioner: kubernetes.io/no-provisioner
volumeBindingMode: WaitForFirstConsumer

执行创建

kubectl apply -f 02-storageclass.yamlstorageclass.storage.k8s.io/local-storage created

三、创建Namespace

03-mysql-namespace.yaml

apiVersion: v1
kind: Namespace
metadata:name: mysqllabels:app: mysql

执行创建

kubectl apply -f 03-mysql-namespace.yamlnamespace/mysql created

四、使用 ConfigMap 为 Master/Slave 节点分配不同的配置文件

04-mysql-configmap.yaml

apiVersion: v1
kind: ConfigMap
metadata:name: mysqlnamespace: mysqllabels:app: mysql
data:master.cnf: |# Master配置[mysqld]log-bin=mysqllogskip-name-resolveslave.cnf: |# Slave配置[mysqld]super-read-onlyskip-name-resolvelog-bin=mysql-binreplicate-ignore-db=mysql

创建执行

kubectl apply -f 04-mysql-configmap.yamlconfigmap/mysql created

五、创建 mysql 密码Secret

05-mysql-secret.yaml

apiVersion: v1
kind: Secret
metadata:name: mysql-secretnamespace: mysqllabels:app: mysql
type: Opaque
data:password: MTIzNDU2 # echo -n "123456" | base64

创建执行

kubectl apply -f 05-mysql-secret.yamlsecret/mysql-secret created

六、使用 Service 为 MySQL 提供读写分离

06-mysql-services.yaml

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:name: mysqlnamespace: mysqllabels:app: mysql
spec:ports:- name: mysqlport: 3306clusterIP: Noneselector:app: mysql
---
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:name: mysql-readnamespace: mysqllabels:app: mysql
spec:ports:- name: mysqlport: 3306selector:app: mysql

用户所有写请求，必须以 DNS 记录的方式直接访问到 Master 节点，也就是 mysql-0.mysql 这条 DNS 记录。用户所有读请求，必须访问自动分配的 DNS 记录可以被转发到任意一个 Master 或 Slave 节点上，也就是 mysql-read 这条 DNS 记录

kubectl apply -f 06-mysql-services.yaml$ kubectl get svc -n mysql
NAME         TYPE        CLUSTER-IP   EXTERNAL-IP   PORT(S)    AGE
mysql        ClusterIP   None         <none>        3306/TCP   20s
mysql-read   ClusterIP   10.0.0.63    <none>        3306/TCP   20s

七、使用 StatefulSet 搭建 MySQL 主从集群

mysql-statefulset.yaml

apiVersion: apps/v1
kind: StatefulSet
metadata:name: mysqlnamespace: mysqllabels:app: mysql
spec:selector:matchLabels:app: mysqlserviceName: mysqlreplicas: 2template:metadata:labels:app: mysqlspec:initContainers:- name: init-mysqlimage: mysql:5.7env:- name: MYSQL_ROOT_PASSWORDvalueFrom:secretKeyRef:name: mysql-secretkey: passwordcommand:- bash- "-c"- |set -ex# 从 Pod 的序号，生成 server-id[[ $(hostname) =~ -([-9]+)$ ]] || exit 1ordinal=${BASH_REMATCH[1]}echo [mysqld] > /mnt/conf.d/server-id.cnf# 由于 server-id 不能为 ，因此给 ID 加 100 来避开它echo server-id=$((100 + $ordinal)) >> /mnt/conf.d/server-id.cnf# 如果 Pod 的序号为 ，说明它是 Master 节点，从 ConfigMap 里把 Master 的配置文件拷贝到 /mnt/conf.d 目录下# 否则，拷贝 ConfigMap 里的 Slave 的配置文件if [[ ${ordinal} -eq  ]]; thencp /mnt/config-map/master.cnf /mnt/conf.delsecp /mnt/config-map/slave.cnf /mnt/conf.dfivolumeMounts:- name: confmountPath: /mnt/conf.d- name: config-mapmountPath: /mnt/config-map- name: clone-mysqlimage: gcr.io/google-samples/xtrabackup:1.0env:- name: MYSQL_ROOT_PASSWORDvalueFrom:secretKeyRef:name: mysql-secretkey: passwordcommand:- bash- "-c"- |set -ex# 拷贝操作只需要在第一次启动时进行，所以数据已经存在则跳过[[ -d /var/lib/mysql/mysql ]] && exit # Master 节点（序号为 ）不需要这个操作[[ $(hostname) =~ -([-9]+)$ ]] || exit 1ordinal=${BASH_REMATCH[1]}[[ $ordinal ==  ]] && exit # 使用 ncat 指令，远程地从前一个节点拷贝数据到本地ncat --recv-only mysql-$(($ordinal-1)).mysql 3307 | xbstream -x -C /var/lib/mysql# 执行 --prepare，这样拷贝来的数据就可以用作恢复了xtrabackup --prepare --target-dir=/var/lib/mysqlvolumeMounts:- name: datamountPath: /var/lib/mysqlsubPath: mysql- name: confmountPath: /etc/mysql/conf.dcontainers:- name: mysqlimage: mysql:5.7env:
#        - name: MYSQL_ALLOW_EMPTY_PASSWORD
#          value: "1"- name: MYSQL_ROOT_PASSWORDvalueFrom:secretKeyRef:name: mysql-secretkey: passwordports:- name: mysqlcontainerPort: 3306volumeMounts:- name: datamountPath: /var/lib/mysqlsubPath: mysql- name: confmountPath: /etc/mysql/conf.dresources:requests:cpu: 500mmemory: 1GilivenessProbe:exec:command: ["mysqladmin", "ping", "-uroot", "-p${MYSQL_ROOT_PASSWORD}"]initialDelaySeconds: 30periodSeconds: 10timeoutSeconds: 5readinessProbe:exec:command: ["mysqladmin", "ping", "-uroot", "-p${MYSQL_ROOT_PASSWORD}"]initialDelaySeconds: 5periodSeconds: 2timeoutSeconds: 1- name: xtrabackupimage: gcr.io/google-samples/xtrabackup:1.0ports:- name: xtrabackupcontainerPort: 3307env:- name: MYSQL_ROOT_PASSWORDvalueFrom:secretKeyRef:name: mysql-secretkey: passwordcommand:- bash- "-c"- |set -excd /var/lib/mysql# 从备份信息文件里读取 MASTER_LOG_FILE 和 MASTER_LOG_POS 这 2 个字段的值，用来拼装集群初始化 SQLif [[ -f xtrabackup_slave_info ]]; then# 如果 xtrabackup_slave_info 文件存在，说明这个备份数据来自于另一个 Slave 节点# 这种情况下，XtraBackup 工具在备份的时候，就已经在这个文件里自动生成了 "CHANGE MASTER TO" SQL 语句# 所以，只需要把这个文件重命名为 change_master_to.sql.in，后面直接使用即可mv xtrabackup_slave_info change_master_to.sql.in# 所以，也就用不着 xtrabackup_binlog_info 了rm -f xtrabackup_binlog_infoelif [[ -f xtrabackup_binlog_info ]]; then# 如果只是存在 xtrabackup_binlog_info 文件，说明备份来自于 Master 节点，就需要解析这个备份信息文件，读取所需的两个字段的值[[ $(cat xtrabackup_binlog_info) =~ ^(.*?)[[:space:]]+(.*?)$ ]] || exit 1rm xtrabackup_binlog_info# 把两个字段的值拼装成 SQL，写入 change_master_to.sql.in 文件echo "CHANGE MASTER TO MASTER_LOG_FILE='${BASH_REMATCH[1]}',\MASTER_LOG_POS=${BASH_REMATCH[2]}" > change_master_to.sql.infi# 如果存在 change_master_to.sql.in，就意味着需要做集群初始化工作if [[ -f change_master_to.sql.in ]]; then# 但一定要先等 MySQL 容器启动之后才能进行下一步连接 MySQL 的操作echo "Waiting for mysqld to be ready（accepting connections）"until mysql -h 127.0.0.1 -uroot -p${MYSQL_ROOT_PASSWORD} -e "SELECT 1"; do sleep 1; doneecho "Initializing replication from clone position"# 将文件 change_master_to.sql.in 改个名字# 防止这个 Container 重启的时候，因为又找到了 change_master_to.sql.in，从而重复执行一遍初始化流程mv change_master_to.sql.in change_master_to.sql.orig# 使用 change_master_to.sql.orig 的内容，也就是前面拼装的 SQL，组成一个完整的初始化和启动 Slave 的 SQL 语句mysql -h 127.0.0.1 -uroot -p${MYSQL_ROOT_PASSWORD} << EOF$(< change_master_to.sql.orig),MASTER_HOST='mysql-0.mysql.mysql',MASTER_USER='root',MASTER_PASSWORD='${MYSQL_ROOT_PASSWORD}',MASTER_CONNECT_RETRY=10;START SLAVE;EOFfi# 使用 ncat 监听 3307 端口。# 它的作用是，在收到传输请求的时候，直接执行 xtrabackup --backup 命令，备份 MySQL 的数据并发送给请求者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 --password=${MYSQL_ROOT_PASSWORD}"volumeMounts:- name: datamountPath: /var/lib/mysqlsubPath: mysql- name: confmountPath: /etc/mysql/conf.dvolumes:- name: confemptyDir: {}- name: config-mapconfigMap:name: mysqlvolumeClaimTemplates:- metadata:name: dataspec:accessModes:- "ReadWriteOnce"storageClassName: local-storageresources:requests:storage: 3Gi

整体的 statefulset 有两个 replicas，一个Master, 一个Slave，然后使用 init-mysql 这个 initContainers 进行配置文件的初始化。接着使用 clone-mysql 这个 initContainers 进行数据的传输；同时使用 xtrabackup 这个 sidecar 容器进行SQL初始化和数据传输功能。

创建 StatefulSet

kubectl apply -f 07-mysql-statefulset.yaml$ kubectl get po -n mysql
NAME      READY   STATUS    RESTARTS   AGE
mysql-0   2/2     Running             70s
mysql-1   /2     Pending             5s

可以看到，StatefulSet 启动成功后，会有两个Pod运行。接下来，我们可以尝试向这个MySQL集群fa起请求，执行一些SQL操作来验证它是否正常

服务验证

验证主从状态

kubectl -n mysql exec mysql-1 -c mysql -- bash -c "mysql -uroot -p123456 -e 'show slave status \G'"mysql: [Warning] Using a password on the command line interface can be insecure.
*************************** 1. row ***************************Slave_IO_State: Waiting for master to send eventMaster_Host: mysql-0.mysql.mysqlMaster_User: rootMaster_Port: 3306Connect_Retry: 10Master_Log_File: mysqllog.000003Read_Master_Log_Pos: 154Relay_Log_File: mysql-1-relay-bin.000002Relay_Log_Pos: 319Relay_Master_Log_File: mysqllog.000003Slave_IO_Running: YesSlave_SQL_Running: YesReplicate_Do_DB: Replicate_Ignore_DB: mysqlReplicate_Do_Table: Replicate_Ignore_Table: Replicate_Wild_Do_Table: Replicate_Wild_Ignore_Table: Last_Errno: 0Last_Error: Skip_Counter: 0Exec_Master_Log_Pos: 154Relay_Log_Space: 528Until_Condition: NoneUntil_Log_File: Until_Log_Pos: 0Master_SSL_Allowed: NoMaster_SSL_CA_File: Master_SSL_CA_Path: Master_SSL_Cert: Master_SSL_Cipher: Master_SSL_Key: Seconds_Behind_Master: 0
Master_SSL_Verify_Server_Cert: NoLast_IO_Errno: 0Last_IO_Error: Last_SQL_Errno: 0Last_SQL_Error: Replicate_Ignore_Server_Ids: Master_Server_Id: 100Master_UUID: 1bad4d64-6290-11ea-8376-0242ac113802Master_Info_File: /var/lib/mysql/master.infoSQL_Delay: 0SQL_Remaining_Delay: NULLSlave_SQL_Running_State: Slave has read all relay log; waiting for more updatesMaster_Retry_Count: 86400Master_Bind: Last_IO_Error_Timestamp: Last_SQL_Error_Timestamp: Master_SSL_Crl: Master_SSL_Crlpath: Retrieved_Gtid_Set: Executed_Gtid_Set: Auto_Position: 0Replicate_Rewrite_DB: Channel_Name: Master_TLS_Version:

接下来，我们通过Master容器创建数据库和表、插入数据库

kubectl -n mysql exec mysql- -c mysql -- bash -c "mysql -uroot -p123456 -e 'create database test’"
kubectl -n mysql exec mysql- -c mysql -- bash -c "mysql -uroot -p123456 -e 'use test;create table counter(c int);’"
kubectl -n mysql exec mysql- -c mysql -- bash -c "mysql -uroot -p123456 -e 'use test;insert into counter values(123)’"

然后，我们观察Slave节点是否都同步到数据了

kubectl -n mysql exec mysql-1 -c mysql -- bash -c "mysql -uroot -p123456 -e 'use test;select * from counter’"
c
123

当看到输出结果，主从同步正常了

扩展从节点

在有了 StatefulSet 以后，你就可以像 Deployment 那样，非常方便地扩展这个 MySQL 集群，比如

kubectl -n mysql scale statefulset mysql -—replicas=3$ kubectl get po -n mysql
NAME      READY   STATUS    RESTARTS   AGE
mysql-   2/2     Running             22m
mysql-1   2/2     Running             22m
mysql-2   2/2     Running             20s

这时候，一个新的mysql-2就创建出来了，我们继续验证新扩容的节点是否都同步到主节点的数据

kubectl -n mysql exec mysql-2 -c mysql -- bash -c "mysql -uroot -p123456 -e 'use test;select * from counter’"
c
123

当看到输出结果，主从同步正常了。也就是说从 StatefulSet 为我们新创建的 mysql-2 上，同样可以读取到之前插入的记录。也就是说，我们的数据备份和恢复，都是有效的。

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