运行一个有状态的应用程序

本页展示如何使用 StatefulSet 控制器运行一个有状态的应用程序。此例是一主多从、异步复制的 MySQL 集群。

说明: 这不是生产环境下配置。 尤其注意,MySQL 设置都使用的是不安全的默认值,这是因为我们想把重点放在 Kubernetes 中运行有状态应用程序的一般模式上。

准备开始

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.

您需要有一个带有默认StorageClass的动态持续卷供应程序,或者自己静态的提供持久卷来满足这里使用的持久卷请求

教程目标

  • 使用 StatefulSet 控制器部署多副本 MySQL 拓扑架构。
  • 发送 MySQL 客户端请求
  • 观察对宕机的抵抗力
  • 扩缩 StatefulSet 的规模

部署 MySQL

MySQL 示例部署包含一个 ConfigMap、两个 Service 与一个 StatefulSet。

ConfigMap

使用以下的 YAML 配置文件创建 ConfigMap :

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 覆盖设置,使你可以独立控制 MySQL 主服务器和从服务器的配置。 在这里,你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,因而也不会出现不同部分应用于不同的 Pod 的情况。 每个 Pod 都会在初始化时基于 StatefulSet 控制器提供的信息决定要查看的部分。

服务

使用以下 YAML 配置文件创建服务:

# 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

这个无头服务给 StatefulSet 控制器为集合中每个 Pod 创建的 DNS 条目提供了一个宿主。 因为服务名为 mysql,所以可以通过在同一 Kubernetes 集群和名字中的任何其他 Pod 内解析 <Pod 名称>.mysql 来访问 Pod。

客户端服务称为 mysql-read,是一种常规服务,具有其自己的集群 IP。 该集群 IP 在报告就绪的所有MySQL Pod 之间分配连接。 可能的端点集合包括 MySQL 主节点和所有从节点。

请注意,只有读查询才能使用负载平衡的客户端服务。 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 (通过其在无头服务中的 DNS 条目)以执行写入操作。

StatefulSet

最后,使用以下 YAML 配置文件创建 StatefulSet:

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

你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,你应该看到所有 3 个 Pod 进入 Running 状态:

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 结束 watch 操作。 如果你看不到任何进度,确保已启用前提条件 中提到的动态 PersistentVolume 预配器。

此清单使用多种技术来管理作为 StatefulSet 的一部分的有状态 Pod。 下一节重点介绍其中的一些技巧,以解释 StatefulSet 创建 Pod 时发生的状况。

了解有状态的 Pod 初始化

StatefulSet 控制器按序数索引顺序地每次启动一个 Pod。 它一直等到每个 Pod 报告就绪才再启动下一个 Pod。

此外,控制器为每个 Pod 分配一个唯一、稳定的名称,形如 <statefulset 名称>-<序数索引>, 其结果是 Pods 名为 mysql-0mysql-1mysql-2

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

生成配置

在启动 Pod 规约中的任何容器之前,Pod 首先按顺序运行所有的 Init 容器

第一个名为 init-mysql 的 Init 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,而 Pod 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。 这一操作将 StatefulSet 所提供的唯一、稳定的标识转换为 MySQL 服务器的 ID, 而这些 ID 也是需要唯一性、稳定性保证的。

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.cnfslave.cnf。 由于示例部署结构由单个 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,而将其他所有节点指定为从节点。

与 StatefulSet 控制器的 部署顺序保证 相结合, 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 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。

这些保守的假设是允许正在运行的 StatefulSet 随时间扩大和缩小而不是固定在其初始大小的关键。

第二个名为 clone-mysql 的 Init 容器,第一次在带有空 PersistentVolume 的从属 Pod 上启动时,会在从属 Pod 上执行克隆操作。 这意味着它将从另一个运行中的 Pod 复制所有现有数据,使此其本地状态足够一致, 从而可以开始从主服务器复制。

MySQL 本身不提供执行此操作的机制,因此本示例使用了一种流行的开源工具 Percona XtraBackup。 在克隆期间,源 MySQL 服务器性能可能会受到影响。 为了最大程度地减少对 MySQL 主节点的影响,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

Init 容器成功完成后,应用容器将运行。 MySQL Pod 由运行实际 mysqld 服务的 mysql 容器和充当 辅助工具 的 xtrabackup 容器组成。

xtrabackup sidecar 容器查看克隆的数据文件,并确定是否有必要在从服务器上初始化 MySQL 复制。 如果是这样,它将等待 mysqld 准备就绪,然后使用从 XtraBackup 克隆文件中提取的复制参数 执行 CHANGE MASTER TOSTART 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也会自动重新连接。 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), 即使由于重新调度而获得新的 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,处理其数据克隆请求。 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。

发送客户端请求

你可以通过运行带有 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"

你应该获得如下输出:

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,你可以在循环中运行 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"

你应该看到报告的 @@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, 这样你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,保持上述 SELECT @@server_id 循环一直运行。

破坏就绪态探测

mysql 容器的 就绪态探测 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。

迫使就绪态探测失败的一种方法就是中止该命令:

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

此命令会进入 Pod mysql-2 的实际容器文件系统,重命名 mysql 命令,导致就绪态探测无法找到它。 几秒钟后, Pod 会报告其中一个容器未就绪。你可以通过运行以下命令进行检查:

kubectl get pod mysql-2

READY 列中查找 1/2

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

此时,你应该会看到 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,于是创建一个具有相同名称并链接到相同 PersistentVolumeClaim 的新 Pod。 你应该看到服务器 ID 102 从循环输出中消失了一段时间,然后又自行出现。

腾空节点

如果你的 Kubernetes 集群具有多个节点,则可以通过发出以下 drain 命令来模拟节点停机(就好像节点在被升级)。

首先确定 MySQL Pod 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腾空节点,该命令将其保护起来,以使新的 Pod 不能调度到该节点, 然后逐出所有现有的 Pod。将 <节点名称> 替换为在上一步中找到的节点名称。

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 <节点名称> --force --delete-local-data --ignore-daemonsets

现在,你可以看到 Pod 被重新调度到其他节点上:

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,你应该看到服务器 ID 102SELECT @@server_id 循环输出 中消失一段时间,然后自行出现。

现在去掉节点保护(Uncordon),使其恢复为正常模式:

kubectl uncordon <节点名称>

扩展从节点数量

使用 MySQL 复制,你可以通过添加从节点来扩展读取查询的能力。 使用 StatefulSet,你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,你应该看到服务器 IDs 103104 开始出现在 SELECT @@server_id 循环输出中。

你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

向下缩容操作也是很平滑的:

kubectl scale statefulset mysql --replicas=3

但是请注意,按比例扩大会自动创建新的 PersistentVolumeClaims,而按比例缩小不会自动删除这些 PVC。 这使你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。

你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

如果你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。这也会开始终止 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
    

    当上述命令返回如下内容时,你就知道 Pod 已终止:

    No resources found.
    
  1. 删除 ConfigMap、Services 和 PersistentVolumeClaims。

    kubectl delete configmap,service,pvc -l app=mysql
    
  1. 如果你手动供应 PersistentVolume,则还需要手动删除它们,并释放下层资源。 如果你使用了动态预配器,当得知你删除 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 时释放下层资源。

接下来

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