探索 Kubernetes 持久化存储之 Longhorn 初窥门径

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猴君
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作者:运维有术星主

在 Kubernetes 生态系统中,持久化存储扮演着至关重要的角色,它是支撑业务应用稳定运行的基石。对于那些选择自建 Kubernetes 集群的运维架构师而言,选择合适的后端持久化存储解决方案是一项至关重要的选型决策。目前 Ceph、GlusterFS、NFS、openEBS 等解决方案已被广泛采用。

往期文章,我分享过最简单、实用的 探索 Kubernetes 持久化存储之 NFS 终极实战指南

为了丰富我们的技术栈,并为未来的容器云平台设计持久化存储提供更多灵活性和选择性。今天,我将跟大家一起探索,如何将 Longhorn 集成至 KubeSphere 管理的 Kubernetes 集群。

本文核心内容概览:

  • Longhorn 持久化存储选型说明: 聊一聊 Longhorn 初体验的感想
  • Longhorn 存储服务如何部署: 如果利用 Helm 安装 Longhorn
  • 实战演示:创建测试资源,体验 Longhorn 的效果。

实战服务器配置(架构 1:1 复刻小规模生产环境,配置略有不同)

主机名IPCPU内存系统盘数据盘用途
ksp-registry192.168.9.904840200Harbor 镜像仓库
ksp-control-1192.168.9.914840100KubeSphere/k8s-control-plane
ksp-control-2192.168.9.924840100KubeSphere/k8s-control-plane
ksp-control-3192.168.9.934840100KubeSphere/k8s-control-plane
ksp-worker-1192.168.9.9441640100k8s-worker/CI
ksp-worker-2192.168.9.9541640100k8s-worker
ksp-worker-3192.168.9.9641640100k8s-worker
ksp-storage-1192.168.9.974840400+Containerd、OpenEBS、ElasticSearch/Longhorn/Ceph/NFS
ksp-storage-2192.168.9.984840300+Containerd、OpenEBS、ElasticSearch/Longhorn/Ceph
ksp-storage-3192.168.9.994840300+Containerd、OpenEBS、ElasticSearch/Longhorn/Ceph
ksp-gpu-worker-1192.168.9.10141640100k8s-worker(GPU NVIDIA Tesla M40 24G)
ksp-gpu-worker-2192.168.9.10241640100k8s-worker(GPU NVIDIA Tesla P100 16G)
ksp-gateway-1192.168.9.1032440自建应用服务代理网关/VIP:192.168.9.100
ksp-gateway-2192.168.9.1042440自建应用服务代理网关/VIP:192.168.9.100
ksp-mid192.168.9.1054840100部署在 k8s 集群之外的服务节点(Gitlab 等)
合计15561526002100+

实战环境涉及软件版本信息

  • 操作系统:openEuler 22.03 LTS SP3 x86_64
  • KubeSphere:v3.4.1
  • Kubernetes:v1.28.8
  • KubeKey: v3.1.1
  • Containerd:1.7.13
  • NVIDIA GPU Operator:v24.3.0
  • NVIDIA 显卡驱动:550.54.15
  • Longhorn:v1.6.2

1. Longhorn 初体验

为了贴近生产需求,我在规划部署时增加了一些想法:

想法 1: 存储节点规划:

  • 向 Kubernetes 集群增加三个节点,专门用于 Longhorn 存储服务
  • Longhorn 存储服务所有组件和数据盘都部署在专属节点
  • 每个存储节点打上专属标签 kubernetes.io/storage=longhorn,部署 Longhorn 服务时使用 nodeSelector 指定节点标签 (不指定会默认使用所有 Worker 节点)
  • 业务负载部署在集群中其他 Worker 节点,使用 Longhorn 提供的持久化存储

想法 2: 存储空间使用规划:

  • 每个存储节点添加一块 Longhorn 专用的 100G 数据盘 /dev/sdc,使用 LVM 类型将其格式化,挂载到 /longhorn 目录
  • 更改 Longhorn 默认存储路径 /var/lib/longhorn/longhorn

很遗憾,在实际部署 Longhorn 时,想法 1 没有完全实现,Longhorn 存储服务所有组件可以部署在指定节点,后期创建 Pod 测试时发现,当 Pod 分配的 Worker 节点不安装 Longhorn CSI 插件,Pod 创建异常。但是,Longhorn CSI 插件又无法独立安装(也可能我技术太菜,没找到)。

最终,为了按规划完成部署,我执行了以下操作:

  • 部署测试时分别体验了 Kubectl 和 Helm 两种方式,最终成文时选择了 Helm
  • Helm 部署时使用 set 参数指定自定义默认存储路径、指定 nodeSelector 部署所有 Longhorn 组件
  • 创建测试 Pod 时,也带上 nodeSelector 标签(运行在其他 Worker 节点的 Pod,无法使用 Longhorn 存储)

整个部署过程比较艰辛,使用 Helm 部署失败或是部署过程异常终止后,想要卸载很难、很麻烦

简单的说几句 Longhorn 初体验后的想法(仅代表个人观点):

  • 因为加了自定义规划的想法,所以,初次体验感较差。

  • 对于新手而言,按照官方文档使用默认配置部署,能获得较好的 Longhorn 初体验(实测

  • Longhorn 有自身的特性优点,发展至今已经存在一定的生产用户。但是,没有一定的技术实力,不建议碰 Longhorn

  • 可以部署体验,了解 Longhorn 是什么样子,能提供什么,有什么优秀特性

  • 官方文档资料看着很多,但是实际使用中出现问题的话,能搜到的可参考文档太少,没一定的技术底蕴,还是不要碰了

  • 目前来看,替代 GlusterFS、NFS 的持久化存储方案,我宁可选择去征服 Ceph 也不会选择 Longhorn(Ceph 更成熟,文档资料更多,获得技术支持的途径多

重要说明:

  • 由于部署过程中,定制化配置的结果不尽人意。所以,本文最终变成了浅尝辄止、抛砖引玉之作。欢迎各位 Longhorn 专家,留言、赐教
  • 本文的内容对于安装部署 Longhorn 有一定的借鉴意义,但是 切勿将本文的实战过程用于任何类型的正式环境

2. 前置条件

2.1 扩容存储专用 Worker 节点

将新增的三台存储专用节点加入已有的 Kubernetes 集群,详细的扩容操作请参考 KubeKey 扩容 Kubernetes Worker 节点实战指南

2.2 初始化数据盘

按规划将 /dev/sdc 初始化,编辑文件 /etc/fstab,将 /longhorn 目录对应的磁盘配置为开机自动挂载。

LVM 配置比较简单,操作细节不做解释,直接上命令。

pvcreate /dev/sdc vgcreate longhorn /dev/sdc lvcreate -l 100%VG longhorn -n data mkfs.xfs /dev/mapper/longhorn-data mkdir /longhorn mount /dev/mapper/longhorn-data /longhorn tail -1 /etc/mtab >> /etc/fstab

2.3 安装 NFSv4 客户端

在 Longhorn 系统中, 备份功能需要 NFSv4, v4.1 或是 v4.2, 同时, ReadWriteMany (RWX) 卷功能需要 NFSv4.1。因此,需要提前安装 NFSv4 客户端。

yum install nfs-utils

2.4 安装 open-iscsi

必要组件,Longhorn 依赖主机上的 iscsiadm 向 Kubernetes 提供持久卷。

yum --setopt=tsflags=noscripts install iscsi-initiator-utils echo "InitiatorName=$(/sbin/iscsi-iname)" > /etc/iscsi/initiatorname.iscsi systemctl enable iscsid systemctl start iscsid

2.5 检查 Kubernetes 版本

执行以下命令检查 Kubernetes 版本,确保输出结果中 Server Version 大于等于 v1.21。

$ kubectl version Client Version: v1.28.8 Kustomize Version: v5.0.4-0.20230601165947-6ce0bf390ce3 Server Version: v1.28.8

2.6 使用环境检查脚本

Longhorn 官方编写了一个 shell 脚本,帮助我们搜集评估集群环境是否满足部署要求。

  • 在 Control-1 节点下载脚本
curl -sSfL https://raw.githubusercontent.com/longhorn/longhorn/v1.6.2/scripts/environment_check.sh -o environment_check.sh
  • 执行脚本
sh environment_check.sh

正确执行后,输出结果如下 :

$ sh environment_check.sh [INFO]  Required dependencies 'kubectl jq mktemp sort printf' are installed. [INFO]  All nodes have unique hostnames. [INFO]  Waiting for longhorn-environment-check pods to become ready (0/0)... [INFO]  All longhorn-environment-check pods are ready (8/8). [INFO]  MountPropagation is enabled [INFO]  Checking kernel release... [INFO]  Checking iscsid... [INFO]  Checking multipathd... [INFO]  Checking packages... [INFO]  Checking nfs client... [INFO]  Cleaning up longhorn-environment-check pods... [INFO]  Cleanup completed.

环境检查过程及结果简要说明:

  • 该脚本执行过程中会从 DockerHub 下载 alpine:3.12 镜像,用于测试。如果下载失败,请自行修改为能正常下载的镜像地址。
  • 该脚本会在所有 Worker 节点下载 longhorn-environment-check pods,并执行相应的检查命令
  • 建议所有 Worker 节点系统内核大于等于 5.8,提前安装 NFSv4 客户端、安装 open-iscsi

确保所有配置满足前置条件要求,环境检查脚本检测成功后。接下来,我们正式开始安装 Longhorn 组件。

3. 安装配置 Longhorn

Longhorn 官方文档中提供多种安装方式的帮助文档:

  • Install as a Rancher Apps & Marketplace
  • Install with Kubectl
  • Install with Helm
  • Install with Fleet
  • Install with Flux
  • Install with ArgoCD
  • Air Gap Installation

我最初的计划是,实战演示使用原生的 Kubectl 客户端安装 Longhorn。无奈在部署过程中遇到了自定义配置困难的问题,虽然能搞,但是有点麻烦,最终没有找到灵活、简单的方案。所以,最终成文时改成了 Helm 方式。

3.1 设置存储标签

  • 按规划给三个存储节点打上专属标签
kubectl label nodes ksp-storage-1 kubernetes.io/storage=longhorn kubectl label nodes ksp-storage-2 kubernetes.io/storage=longhorn kubectl label nodes ksp-storage-3 kubernetes.io/storage=longhorn

3.2 使用 Helm 安装部署 Longhorn

  • 添加 Longhorn Helm repository
helm repo add longhorn https://charts.longhorn.io
  • 从 Repository 拉取最新的 Charts
helm repo update
  • 官方默认的部署命令(本文未用,建议新手使用
helm install longhorn longhorn/longhorn --namespace longhorn-system --create-namespace --version 1.6.2
  • 根据部署规划,执行自定义部署命令
helm install longhorn2 longhorn/longhorn \   --namespace longhorn-system \   --create-namespace \   --version 1.6.2 \   --set defaultSettings.defaultDataPath="/longhorn" \   --set defaultSettings.systemManagedComponentsNodeSelector="kubernetes.io/storage:longhorn" \   --set longhornManager.nodeSelector."kubernetes\.io/storage"=longhorn \   --set longhornUI.nodeSelector."kubernetes\.io/storage"=longhorn \   --set longhornDriver.nodeSelector."kubernetes\.io/storage"=longhorn
  • 检查 Longhorn 部署结果
$ kubectl -n longhorn-system get pod

正确部署,输出结果如下 :

$ kubectl -n longhorn-system get pod -o wide NAME                                                READY   STATUS    RESTARTS   AGE     IP             NODE            NOMINATED NODE   READINESS GATES csi-attacher-fffb968d8-gnj58                        1/1     Running   0          4m58s   10.233.77.66   ksp-storage-3   <none>           <none> csi-attacher-fffb968d8-pk2vq                        1/1     Running   0          4m58s   10.233.73.59   ksp-storage-2   <none>           <none> csi-attacher-fffb968d8-w6rfh                        1/1     Running   0          4m58s   10.233.64.62   ksp-storage-1   <none>           <none> csi-provisioner-745d97cc98-2r96q                    1/1     Running   0          4m58s   10.233.64.63   ksp-storage-1   <none>           <none> csi-provisioner-745d97cc98-n9drv                    1/1     Running   0          4m57s   10.233.77.67   ksp-storage-3   <none>           <none> csi-provisioner-745d97cc98-zvn7b                    1/1     Running   0          4m57s   10.233.73.60   ksp-storage-2   <none>           <none> csi-resizer-58c5999fd6-5982f                        1/1     Running   0          4m57s   10.233.73.61   ksp-storage-2   <none>           <none> csi-resizer-58c5999fd6-7z4m9                        1/1     Running   0          4m57s   10.233.64.64   ksp-storage-1   <none>           <none> csi-resizer-58c5999fd6-zxszp                        1/1     Running   0          4m57s   10.233.77.68   ksp-storage-3   <none>           <none> csi-snapshotter-5d995448d9-7tcrn                    1/1     Running   0          4m57s   10.233.77.69   ksp-storage-3   <none>           <none> csi-snapshotter-5d995448d9-l84vr                    1/1     Running   0          4m57s   10.233.64.65   ksp-storage-1   <none>           <none> csi-snapshotter-5d995448d9-v9c54                    1/1     Running   0          4m57s   10.233.73.62   ksp-storage-2   <none>           <none> engine-image-ei-ffd6ed9b-8f6k7                      1/1     Running   0          5m7s    10.233.77.63   ksp-storage-3   <none>           <none> engine-image-ei-ffd6ed9b-x2ld9                      1/1     Running   0          5m7s    10.233.73.57   ksp-storage-2   <none>           <none> engine-image-ei-ffd6ed9b-zdpsb                      1/1     Running   0          5m7s    10.233.64.60   ksp-storage-1   <none>           <none> instance-manager-561847cbad61a658e57dbb9aa2ea827d   1/1     Running   0          5m7s    10.233.77.64   ksp-storage-3   <none>           <none> instance-manager-74249bf3bf13f051b14d39af24d9e46c   1/1     Running   0          5m7s    10.233.64.61   ksp-storage-1   <none>           <none> instance-manager-f7b59324b33e30e62b1aacf332a7c3c1   1/1     Running   0          5m7s    10.233.73.58   ksp-storage-2   <none>           <none> longhorn-csi-plugin-jknqd                           3/3     Running   0          4m57s   10.233.73.63   ksp-storage-2   <none>           <none> longhorn-csi-plugin-l7px4                           3/3     Running   0          4m57s   10.233.77.70   ksp-storage-3   <none>           <none> longhorn-csi-plugin-m5bcp                           3/3     Running   0          4m57s   10.233.64.66   ksp-storage-1   <none>           <none> longhorn-driver-deployer-55c5f59d77-xz5vd           1/1     Running   0          5m14s   10.233.77.61   ksp-storage-3   <none>           <none> longhorn-manager-nxks5                              1/1     Running   0          5m14s   10.233.77.62   ksp-storage-3   <none>           <none> longhorn-manager-r7qf6                              1/1     Running   0          5m14s   10.233.64.58   ksp-storage-1   <none>           <none> longhorn-manager-xbgtd                              1/1     Running   0          5m14s   10.233.73.55   ksp-storage-2   <none>           <none> longhorn-ui-6fd7f57659-ff7wl                        1/1     Running   0          5m14s   10.233.64.59   ksp-storage-1   <none>           <none> longhorn-ui-6fd7f57659-v6kpb                        1/1     Running   0          5m14s   10.233.73.56   ksp-storage-2   <none>           <none>

注意:上述配置虽然实现了所有组件都部署在专属存储节点上。但是,实际无法正常使用,调度在集群其他节点的 Pod 根本无法使用 Longhorn 提供的存储。

3.3 开启 UI

官方默认的 Longhorn UI,没有开启认证功能,开启即暴露所有能力。官方目前给出的加密认证方案,需要配合 Ingress controller 使用。

本文只是属于体验测试环境,也没打算在测试、生产环境使用。因此直接使用 nodePort 放开 Longhorn UI 服务。

更多信息请参考官方文档, 创建一个具有基本认证功能的 NGINX Ingress 控制器

  • 编辑使用 NodePort 类型的 svc 资源清单,vi longhorn-ui-svc.yaml
kind: Service apiVersion: v1 metadata:   name: longhorn-ui-nodeport   namespace: longhorn-system   labels:     app: longhorn-ui spec:   ports:     - name: http       protocol: TCP       port: 80       targetPort: http       nodePort: 32222   selector:     app: longhorn-ui   clusterIP:   type: NodePort
  • 创建 svc
kubectl apply -f longhorn-ui-svc.yaml
  • 访问 Longhorn UI

打开浏览器访问,http://集群任意节点IP:32222

4. 验证测试

4.1 创建测试 PVC

  • 编写测试 PVC 资源清单,vi test-pvc-longhorn.yaml
kind: PersistentVolumeClaim apiVersion: v1 metadata:   name: test-pvc-longhorn spec:   storageClassName: longhorn   accessModes:     - ReadWriteMany   resources:     requests:       storage: 2Gi
  • 创建 PVC
kubectl apply -f test-pvc-longhorn.yaml
  • 查看 PVC
$ kubectl get pvc -o wide NAME                STATUS   VOLUME                                     CAPACITY   ACCESS MODES   STORAGECLASS   AGE   VOLUMEMODE test-pvc-longhorn   Bound    pvc-d5a7fc28-2e4c-4f9d-b4d7-7cb7ca5a7ea7   2Gi        RWX            longhorn       7s    Filesystem

4.2 创建测试 Pod

为了正常完成测试,创建 Pod 时指定 nodeSelector 标签,将 Pod 创建在 Longhorn 专用节点。

  • 编写测试 Pod 资源清单,vi test-pod-longhorn.yaml
kind: Pod apiVersion: v1 metadata:   name: test-pod-longhorn spec:   containers:   - name: test-pod-longhorn     image: busybox:stable     command:       - "/bin/sh"     args:       - "-c"       - "touch /mnt/SUCCESS && sleep 3600"     volumeMounts:       - name: longhorn-pvc         mountPath: "/mnt"   restartPolicy: "Never"   nodeSelector:     kubernetes.io/storage: longhorn   volumes:     - name: longhorn-pvc       persistentVolumeClaim:         claimName: test-pvc-longhorn
  • 创建 Pod
kubectl apply -f test-pod-longhorn.yaml
  • 查看 Pod
$ kubectl get pods -o wide NAME                READY   STATUS    RESTARTS   AGE   IP             NODE            NOMINATED NODE   READINESS GATES test-pod-longhorn   1/1     Running   0          51s   10.233.73.80   ksp-storage-2   <none>           <none>
  • 查看 Pod 挂载的存储
$ kubectl exec test-pod-longhorn -- df -h Filesystem                Size      Used Available Use% Mounted on overlay                  99.9G      4.7G     95.2G   5% / tmpfs                    64.0M         0     64.0M   0% /dev tmpfs                     3.6G         0      3.6G   0% /sys/fs/cgroup 10.233.57.220:/pvc-d5a7fc28-2e4c-4f9d-b4d7-7cb7ca5a7ea7                           1.9G         0      1.9G   0% /mnt /dev/mapper/openeuler-root                          34.2G      2.3G     30.2G   7% /etc/hosts /dev/mapper/openeuler-root                          34.2G      2.3G     30.2G   7% /dev/termination-log /dev/mapper/data-lvdata                          99.9G      4.7G     95.2G   5% /etc/hostname /dev/mapper/data-lvdata                          99.9G      4.7G     95.2G   5% /etc/resolv.conf shm                      64.0M         0     64.0M   0% /dev/shm tmpfs                     6.4G     12.0K      6.4G   0% /var/run/secrets/kubernetes.io/serviceaccount tmpfs                     3.6G         0      3.6G   0% /proc/acpi tmpfs                    64.0M         0     64.0M   0% /proc/kcore tmpfs                    64.0M         0     64.0M   0% /proc/keys tmpfs                    64.0M         0     64.0M   0% /proc/timer_list tmpfs                    64.0M         0     64.0M   0% /proc/sched_debug tmpfs                     3.6G         0      3.6G   0% /proc/scsi tmpfs                     3.6G         0      3.6G   0% /sys/firmware
  • 测试存储空间读写
# 写入 1GB 的数据 $ kubectl exec test-pod-longhorn -- dd if=/dev/zero of=/mnt/test-disk.img bs=1M count=1000 1000+0 records in 1000+0 records out 1048576000 bytes (1000.0MB) copied, 5.670424 seconds, 176.4MB/s  # 查看结果 $ kubectl exec test-pod-longhorn -- ls -lh /mnt/ [root@ksp-control-1 srv]# kubectl exec test-pod-longhorn -- ls -lh /mnt/ total 1000M -rw-r--r--    1 root     root           0 Jul 17 01:03 SUCCESS drwx------    2 root     root       16.0K Jul 17 01:03 lost+found -rw-r--r--    1 root     root     1000.0M Jul 17 01:04 test-disk.img  # 测试超限(再写入 1GB 数据) $ kubectl exec test-pod-longhorn -- dd if=/dev/zero of=/mnt/test-disk2.img bs=1M count=1000 dd: /mnt/test-disk2.img: No space left on device command terminated with exit code 1

注意:测试时,我们写入了 2G 的数据量,当达过我们创建的 PVC 2G 容量上限时会报错(实际使用写不满 2G)。说明,Longhorn 存储可以做到容量配额限制。

4.3 查看底层存储信息

测试并不充分,只是简单看看。在存储服务器( ksp-storage-1 节点),执行以下命令。

$ ls -lR /longhorn/ /longhorn/: total 4 -rw-r--r-- 1 root root 51 Jul 16 11:18 longhorn-disk.cfg drwxr-xr-x 3 root root 63 Jul 17 01:02 replicas  /longhorn/replicas: total 0 drwx------ 2 root root 108 Jul 17 01:03 pvc-d5a7fc28-2e4c-4f9d-b4d7-7cb7ca5a7ea7-3a7acff9  /longhorn/replicas/pvc-d5a7fc28-2e4c-4f9d-b4d7-7cb7ca5a7ea7-3a7acff9: total 2075652 -rw------- 1 root root       4096 Jul 17 01:06 revision.counter -rw-r--r-- 1 root root 2147483648 Jul 17 01:06 volume-head-000.img -rw-r--r-- 1 root root        126 Jul 17 01:02 volume-head-000.img.meta -rw-r--r-- 1 root root        142 Jul 17 01:03 volume.meta

注意:Longhorn 的存储目录,跟 NFS 存储不一样,无法直接查看原始文件,使用上更安全,但是如果 Longhorn 异常,想要找回数据也更麻烦。

4.4 清理测试资源

  • 清理测试 Pod、PVC
kubectl delete -f test-pod-longhorn.yaml -f test-pvc-longhorn.yaml
  • 在存储服务器( ksp-storage-1 节点)查看数据目录
$ ls -lR /longhorn/replicas/ /longhorn/replicas/: total 0

从结果中可以看到,Kubernetes 删除 PVC 后,Longhorn 存储层立即删除 PVC 对应的数据目录及数据(是否能配置默认保留,暂未研究,理论上应该会有)。

4.5 测试异常说明

创建 Pod,不指定 nodeSelector 标签,Pod 会随机分配,当分配在没有安装 Longhorn CSI 插件的节点时,创建失败,异常如下。

为避免出现上述问题,建议在部署 Longhorn 时遵循默认配置,以实现在所有 Worker 节点上自动部署所需的服务组件。

5. KubeSphere 控制台管理存储资源

5.1 管理存储类

在控制台左侧功能菜单,依次选择「集群」->「存储」->「存储类」。

5.2 查看持久卷声明

Step 1: 在控制台左侧功能菜单,依次选择「集群」->「存储」->「持久卷声明」。

Step 2: 查看创建的 PVC、PV 及详情。

结果中可以显示 PVC 的存储总容量、剩余容量、已使用百分比、Inode 用量百分比。

6. Longhorn UI 概览

Longhorn UI 虽然界面简单,但是能满足日常管理的需要,能在界面实现分配存储资源、管理,实现 Longhorn 服务的基本配置管理,下面展示几张截图,作为本文的结尾。

  • Dashboard

  • Node 信息

  • Volume 信息

  • Setting 配置页

免责声明:

  • 笔者水平有限,尽管经过多次验证和检查,尽力确保内容的准确性,但仍可能存在疏漏之处。敬请业界专家大佬不吝指教。
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