2025年09月09日玄貓（BlackCat）

Kubernetes 儲存管理實戰

本文探討 Kubernetes 儲存管理機制，涵蓋永續性磁碟區（PV）、永續性磁碟區宣告（PVC）和儲存類別（StorageClass）的實務操作，並提供本地持久性儲存區與動態供應的設定步驟及案例說明，搭配圖表解析 Kubernetes 儲存架構，幫助讀者有效管理容器化應用程式的儲存需求。

容器技術雲端原生

Kubernetes 儲存管理 PV PVC StorageClass 本地持久性儲存區

Kubernetes 提供了 PV、PVC 和 StorageClass 等機制，解決容器化應用程式在儲存管理方面的挑戰。本文將逐步說明如何定義和使用這些資源，包含 YAML 檔案範例和佈署指令。同時也探討本地持久性儲存區和動態供應的應用場景，並提供設定步驟和程式碼範例，讓讀者瞭解如何在 Kubernetes 環境中有效管理儲存資源，確保資料永續性、一致性和效能最佳化。最後，透過架構圖示，清楚呈現 Kubernetes 儲存管理的運作方式，幫助讀者更深入理解其核心概念。

Kubernetes 儲存管理

在應用程式發展的過程中，對於永續性和非永續性資料儲存的需求日益複雜。在動態的 Kubernetes 環境中，管理永續性儲存面臨著獨特的挑戰，例如確保資料一致性、管理儲存資源的生命週期以及最佳化效能。Kubernetes 提供了強大的儲存管理功能，包括永續性磁碟區（PV）、永續性磁碟區宣告（PVC）和儲存類別，以解決這些問題。

本章將探討 Kubernetes 中的儲存管理，提供實際步驟和見解，以有效地利用這些儲存機制。無論是處理需要資料永續性的有狀態應用程式，還是尋求自動化儲存組態以實作可擴充套件的應用程式，本章都提供了必要的指導。

容器化工作負載的儲存管理

在動態和可擴充套件的環境中，如 Kubernetes，有效地管理容器化工作負載的儲存對於確保資料永續性、一致性和最佳效能至關重要。

問題

容器化應用程式通常需要永續性儲存，以在個別容器的生命週期之外保留資料。這種永續性儲存需求在 Kubernetes 等動態和可擴充套件的環境中提出了挑戰。具體來說，管理儲存資源的生命週期、確保資料一致性和最佳化效能是常見問題。

解決方案

Kubernetes 透過永續性磁碟區（PV）、永續性磁碟區宣告（PVC）和儲存類別來管理儲存。以下是管理容器化工作負載儲存的方法：

定義永續性磁碟區（PV）：建立一個 YAML 檔案來定義永續性磁碟區，例如：
```
apiVersion: v1
kind: PersistentVolume
metadata:
  name: pv-example
spec:
  capacity:
    storage: 10Gi
  accessModes:
    - ReadWriteOnce
  persistentVolumeReclaimPolicy: Retain
  storageClassName: standard
  hostPath:
    path: "/mnt/data"
```
內容解密：
- apiVersion 和 kind 定義了 Kubernetes 資源的版本和型別。
- metadata 包含資源的名稱和其他識別資訊。
- spec 描述了資源的規格，包括儲存容量、存取模式和回收策略。
- hostPath 指定了主機上的路徑，用於永續性儲存。

定義永續性磁碟區宣告（PVC）：建立一個 YAML 檔案來定義 PVC，例如：

apiVersion: v1
kind: PersistentVolumeClaim
metadata:
  name: pvc-example
spec:
  accessModes:
    - ReadWriteOnce
  resources:
    requests:
      storage: 10Gi
  storageClassName: standard

內容解密：

PVC 請求特定的儲存資源，包括存取模式和儲存大小。
storageClassName 指定了使用的儲存類別。

佈署使用 PVC 的應用程式：修改應用程式佈署 YAML 檔案以使用 PVC，例如：

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: nginx-deployment
spec:
  replicas: 1
  selector:
    matchLabels:
      app: nginx
  template:
    metadata:
      labels:
        app: nginx
    spec:
      containers:
      - name: nginx
        image: nginx:latest
        volumeMounts:
        - mountPath: "/usr/share/nginx/html"
          name: storage
      volumes:
      - name: storage
        persistentVolumeClaim:
          claimName: pvc-example

內容解密：

volumeMounts 將 PVC 掛載到容器中的特定路徑。
volumes 定義了使用的 PVC。

應用組態：使用 kubectl 應用 PV、PVC 和應用程式佈署組態：

kubectl apply -f pv.yaml
kubectl apply -f pvc.yaml
kubectl apply -f deployment.yaml

討論

在 Kubernetes 中管理儲存涉及正確實施永續性磁碟區、永續性磁碟區宣告和儲存類別。PV 是叢集中的儲存資源，而 PVC 是對這些資源的請求。儲存類別提供了一種定義不同型別儲存的方法，例如快速 SSD 或慢速 HDD，並指定其組態引數。

定義 StorageClass

問題

手動組態永續性磁碟區（PV）可能耗時且容易出錯，尤其是在儲存需求頻繁變化的動態環境中。這種方法缺乏彈性，可能導致資源利用效率低下。

解決方案

使用 StorageClass 啟用 PV 的動態組態。StorageClass 定義了儲存後端的引數和提供者，允許 Kubernetes 根據 PVC 請求自動建立 PV。以下是一個 StorageClass 定義示例：

apiVersion: storage.k8s.io/v1
kind: StorageClass
metadata:
  name: fast-storage
provisioner: kubernetes.io/aws-ebs
parameters:
  type: gp2
reclaimPolicy: Retain
volumeBindingMode: Immediate

內容解密：

provisioner 指定了使用的儲存提供者，例如 AWS EBS。
parameters 定義了儲存提供者的引數，例如儲存型別。
reclaimPolicy 確定了當 PVC 被刪除時，PV 的處理方式。
volumeBindingMode 控制了卷的繫結模式，例如 Immediate 或 WaitForFirstConsumer。

靜態組態

問題

在 Kubernetes 上佈署有狀態應用程式（如 MySQL 資料函式庫）可能具有挑戰性，尤其是在確保資料永續性方面。

解決方案

解決方案涉及使用 PersistentVolumeClaim（PVC）物件。以下是逐步：

建立 PVC 請求：準備一個 YAML 清單（data.yaml）來請求儲存，例如 1 GB。

apiVersion: v1
kind: PersistentVolumeClaim
metadata:
  name: data
spec:
  accessModes:
    - ReadWriteOnce
  resources:
    requests:
      storage: 1Gi

內容解密：

PVC 請求特定的儲存資源，包括存取模式和儲存大小。

應用清單：使用 Kubernetes 命令列工具應用此清單：
```
$ kubectl apply -f data.yaml
```

圖表說明：Kubernetes 儲存架構圖示

圖表翻譯： 此圖示展示了 Kubernetes 中的儲存架構。Kubernetes 叢集包含永續性磁碟區（PV）、永續性磁碟區宣告（PVC）和儲存類別（Storage Class）。PV 代表叢集中的實際儲存資源，而 PVC 是對這些資源的請求。Storage Class 定義了不同的儲存型別及其組態引數，並與底層的儲存後端相關聯。PVC 請求特定的 PV，而 Storage Class 定義了 PV 的特性。

Kubernetes 中的儲存管理

驗證 PVC 和 PV 的建立

要檢查 Persistent Volume Claim (PVC) 和對應的 Persistent Volume (PV) 狀態，可以使用以下命令：

$ kubectl get pvc
$ kubectl get pv

這些命令會顯示 PV 的詳細資訊，包括其狀態、存取模式和回收策略。預設情況下，PersistentVolume 的回收策略是 “Delete”，這意味著當 PVC 被刪除時，PV 及其資料也會被刪除。若要確保資料在 PVC 的生命週期之外仍然存在，需要在 PV 清單中將 persistentVolumeReclaimPolicy 設定為 “Retain”。使用 “describe” 引數可以獲得更多資訊：

kubectl describe PersistentVolume data

我們應該會看到 PV 的狀態變為 “Bound”，這表示宣告成功。

在 Pod 中使用 PVC

在 Pod 的 YAML 檔案中，需要在 volumes 區段中參考 PVC，並將該卷掛載到容器內。例如，對於 MySQL，可以掛載到 /var/lib/mysql。

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: db
spec:
  containers:
  - image: mysql:8.3.0
    name: db
    volumeMounts:
    - mountPath: /var/lib/mysql
      name: data
    env:
    - name: MYSQL_ROOT_PASSWORD
      value: root
  volumes:
  - name: data
    persistentVolumeClaim:
      claimName: data

內容解密：

apiVersion 和 kind 定義了 Kubernetes 物件的版本和型別。
metadata 區段包含了 Pod 的名稱。
spec 區段定義了 Pod 的規格，包括容器、卷掛載和環境變數。
volumeMounts 將 PVC 掛載到容器內的指定路徑。
persistentVolumeClaim 參考了名為 “data” 的 PVC。

本地持久性儲存區（Local Persistent Volumes）

問題

需要在單一 Kubernetes 節點上直接掛載本地磁碟作為持久性儲存區，以滿足高效能、低延遲的儲存需求。

解決方案

步驟 1：建立 StorageClass

定義一個 StorageClass，使用 kubernetes.io/no-provisioner 提供者，表示卷不會被動態建立，必須手動建立。

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

內容解密：

provisioner 指定了不進行動態建立。
volumeBindingMode 設定為 “WaitForFirstConsumer”，確保 PVC 只在被 Pod 使用時才會被繫結到 PV。

步驟 2：建立本地 PersistentVolume

建立一個 PersistentVolume，參考節點上的本地路徑，並設定節點親和性，以確保卷只被特定節點上的 Pod 使用。

apiVersion: v1
kind: PersistentVolume
metadata:
  name: pv-local
spec:
  capacity:
    storage: 10Gi
  accessModes:
  - ReadWriteOnce
  persistentVolumeReclaimPolicy: Retain
  storageClassName: sc-local
  local:
    path: /data/volume1
  nodeAffinity:
    required:
      nodeSelectorTerms:
      - matchExpressions:
        - key: kubernetes.io/hostname
          operator: In
          values:
          - worker-01

內容解密：

capacity 指定了 PV 的儲存容量。
accessModes 設定為 “ReadWriteOnce”，表示該卷可以被單個節點以讀寫模式掛載。
persistentVolumeReclaimPolicy 設定為 “Retain”，確保資料在 PVC 被刪除後仍然保留。
local 指定了本地路徑。
nodeAffinity 設定了節點親和性，以限制 PV 只能被特定節點使用。

步驟 3：建立 PersistentVolumeClaim

建立一個 PVC，以請求本地儲存。

kind: PersistentVolumeClaim
apiVersion: v1
metadata:
  name: pvc-local
spec:
  accessModes:
  - ReadWriteOnce
  storageClassName: sc-local
  resources:
    requests:
      storage: 10Gi

內容解密：

accessModes 和 storageClassName 與 PV 相匹配。
resources.requests.storage 指定了所需的儲存容量。

動態建立卷（Dynamic Provisioning Volumes）

問題

在 Kubernetes 環境中，應用程式經常需要持久儲存，以在 Pod 重啟和失敗時保持資料的完整性。手動建立儲存卷並將其繫結到特定的 Pod 上非常耗時。

本地持久性儲存區的使用場景

本地持久性儲存區適用於需要高效能和低延遲存取儲存的工作負載。這些卷在物理上與 Kubernetes 節點相連，因此受限於節點的生命週期。如果節點故障，本地 PV 上的資料可能會變得不可用。

此設定中的關鍵元件包括：

StorageClass：定義儲存類別並指定不進行動態建立。
PersistentVolume：代表叢集中手動建立並可用的儲存資源，包括節點親和性設定以限制卷的使用範圍。
PersistentVolumeClaim：使用者對儲存資源的請求，消耗由 PersistentVolume 提供的資源。

圖表說明

@startuml
skinparam backgroundColor #FEFEFE
skinparam componentStyle rectangle

title Kubernetes 儲存管理實戰

package "Kubernetes Cluster" {
    package "Control Plane" {
        component [API Server] as api
        component [Controller Manager] as cm
        component [Scheduler] as sched
        database [etcd] as etcd
    }

    package "Worker Nodes" {
        component [Kubelet] as kubelet
        component [Kube-proxy] as proxy
        package "Pods" {
            component [Container 1] as c1
            component [Container 2] as c2
        }
    }
}

api --> etcd : 儲存狀態
api --> cm : 控制迴圈
api --> sched : 調度決策
api --> kubelet : 指令下達
kubelet --> c1
kubelet --> c2
proxy --> c1 : 網路代理
proxy --> c2

note right of api
  核心 API 入口
  所有操作經由此處
end note

@enduml

圖表翻譯： 此圖表呈現了 Kubernetes 中儲存資源的提供與請求流程。首先，StorageClass 定義了儲存類別，接著 PersistentVolume 提供具體的儲存資源。PersistentVolumeClaim 請求這些資源，並最終由 Pod 使用。整個流程體現了 Kubernetes 中動態儲存管理的機制。