一文读懂K8S的PV和PVC以及实践攻略

一文读懂K8S的PV和PVC以及实践攻略

Kubernetes（K8S）作为当前云原生和微服务架构的首选平台，凭借其强大的容器编排和管理能力，迅速成为一线大厂分布式平台的标配技术。在Kubernetes中，持久化存储是一个核心问题，特别是对于需要持久化数据的应用来说。为了实现数据的持久化存储，Kubernetes引入了持久卷（PersistentVolume, PV）和持久卷声明（PersistentVolumeClaim, PVC）这两个重要概念。本文将从概念、原理到实践攻略，详细解析K8S中的PV和PVC。

一、概念解析

1. 持久卷（PersistentVolume, PV）

PV是Kubernetes集群中的一块网络存储，它独立于Pod存在，可以被多个Pod共享或独占。PV可以被视为集群级别的资源，用于存储Pod产生的数据。PV可以是各种存储系统，如云提供商的存储、NFS、iSCSI、本地存储等。PV由管理员创建，并配置其细节，如容量、访问模式（ReadWriteOnce、ReadOnlyMany、ReadWriteMany）、存储类别等。

• 容量：指定PV的存储容量。
• 访问模式：指定PV的访问模式，ReadWriteOnce表示一次只能一个Pod写入，ReadOnlyMany表示多个Pod可以同时读取但不能写入，ReadWriteMany表示多个Pod可以同时读写。
• 存储类别：指定PV的存储类别，用于动态创建PV时选择存储后端。

PV有自己的生命周期，包括可用（Available）、绑定（Bound）、释放（Released）、回收（Retained）等状态。当PV被PVC绑定后，其状态变为Bound，直到PVC被删除或释放后，PV的状态才会变为Available或Retained（根据回收策略）。

2. 持久卷声明（PersistentVolumeClaim, PVC）

PVC是用户对持久存储的请求声明，它定义了Pod对存储的需求。PVC可以指定所需的存储容量、访问模式等参数，但通常不需要指定具体的PV，而是通过标签选择器来动态匹配PV。PVC的存在使得Pod与具体的存储实现解耦，提高了可移植性。

• 存储容量：指定PVC所需的存储容量。
• 访问模式：指定PVC的访问模式，与PV的访问模式相匹配。
• 存储类别：指定PVC所需的存储类别，用于动态创建PV时选择存储后端。
• 标签选择器：用于动态匹配PV的标签。

PVC与PV之间是一种声明与提供的关系。PVC声明了对存储资源的需求，而PV则是提供这些资源的实际载体。当PVC被创建时，Kubernetes会尝试将其与满足其要求的PV进行绑定。匹配的过程是根据PVC的标签选择器和PV的标签进行匹配，只有匹配成功的PV才能被绑定到PVC。一旦绑定成功，Pod可以通过PVC访问PV提供的存储资源。如果没有合适的PV可以绑定，PVC将处于Pending状态，直到有合适的PV可用为止。

二、原理解析

PV和PVC的设计实现了Pod与存储资源的解耦，使得Pod可以独立于存储资源的变化而运行。这种设计提高了系统的灵活性和可移植性。

• 动态匹配与绑定：PVC声明了对持久卷的需求，而PV则提供了实际的存储资源。Kubernetes会自动将PVC与合适的PV进行匹配和绑定。这种动态匹配机制使得用户无需关心具体的PV细节，只需声明对存储资源的需求即可。
• 按需分配：通过PVC，可以实现存储资源的按需分配。用户可以根据应用的需求动态申请存储资源，而无需提前准备或分配存储资源。这种按需分配机制提高了资源利用率和系统的可扩展性。
• 生命周期管理：PV和PVC的生命周期管理由Kubernetes负责，包括资源的创建、绑定、使用和回收等阶段。这种生命周期管理机制确保了存储资源的有效使用和回收。

三、实践攻略

1. 实验准备

在进行PV和PVC的实践之前，需要做好以下准备工作：

• 搭建Kubernetes集群。
• 安装NFS Server作为后端存储。
• 配置NFS Server的共享目录和权限。

2. 部署NFS Server

以Ubuntu 22.04为例，安装和配置NFS Server的步骤如下：

sudo apt install -y nfs-kernel-server nfs-common
sudo mkdir -p /ssd/data
sudo chown nobody:nogroup /ssd/data
sudo chmod 777 /ssd/data
sudo nano /etc/exports

在/etc/exports文件中添加以下内容：

/ssd/data *(rw,sync)

然后重启NFS服务：

sudo systemctl enable nfs-server
sudo systemctl restart nfs-server

检查NFS配置：

sudo exportfs -rv

3. 创建PV

使用YAML文件创建PV的示例如下：

apiVersion: v1
kind: PersistentVolume
metadata:
  name: example-pv
spec:
  capacity:
    storage: 1Gi
  volumeMode: Filesystem
  accessModes:
    - ReadWriteOnce
  persistentVolumeReclaimPolicy: Retain
  nfs:
    path: /ssd/data
    server: nfs-server-ip

将上述YAML文件保存为example-pv.yaml，并使用以下命令创建PV：

kubectl apply -f example-pv.yaml

4. 创建PVC

使用YAML文件创建PVC的示例如下：

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

将上述YAML文件保存为example-pvc.yaml，并使用以下命令创建PVC：

kubectl apply -f example-pvc.yaml

创建PVC后，Kubernetes会自动将其与满足要求的PV进行绑定。可以使用以下命令查看PV和PVC的状态：

kubectl get pv
kubectl get pvc

5. 创建Pod并挂载PVC

使用YAML文件创建Pod并挂载PVC的示例如下：

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: example-pod
spec:
  containers:
    - name: example-container
      image: nginx
      volumeMounts:
        - name: data
          mountPath: /data
  volumes:
    - name: data
      persistentVolumeClaim:
        claimName: example-pvc

将上述YAML文件保存为example-pod.yaml，并使用以下命令创建Pod：

kubectl apply -f example-pod.yaml

创建Pod后，可以使用以下命令查看Pod的状态和日志：

kubectl get pods
kubectl logs example-pod

此时，Pod已经成功挂载了PVC，并可以通过PVC访问PV提供的存储资源。可以在/data目录下读写数据，这些数据将持久化存储在NFS Server的/ssd/data目录中。

四、总结与展望

PV和PVC是Kubernetes中实现数据持久化存储的核心组件。它们通过动态匹配和绑定的方式，实现了Pod与存储资源的解耦和按需分配，从而提高了资源利用率和系统的稳定性、可靠性。未来，随着Kubernetes生态的不断发展和完善，PV和PVC的功能和性能将会得到进一步的提升和优化。例如，可能会引入更多的存储后端和访问模式；可能会优化动态匹配和绑定的算法；可能会提供更多的监控和管理工具等。总之，PV和PVC作为Kubernetes中的重要特性，将为云原生和微服务架构下的数据存储提供更加强大和灵活的支持。