一、有状态服务集群化配置的背景和意义

在当今的计算机领域，有状态服务像数据库、中间件等，在企业的业务系统里扮演着至关重要的角色。想象一下，一个电商平台的数据库，它要存储大量的商品信息、用户订单数据等。如果这个数据库出现故障或者性能不佳，那整个电商平台的运转都会受到严重影响。所以，对这些有状态服务进行集群化配置就显得尤为重要。

集群化配置可以带来高可用性。当集群中的某个节点出现问题时，其他节点可以继续提供服务，保证业务的连续性。就好比一个团队里，某个人请假了，其他人能顶上，工作依然可以正常开展。同时，集群化还能提升性能，通过多个节点共同处理请求，能够分担负载，提高响应速度。

二、K8s StatefulSet 简介

Kubernetes（简称 K8s）是一个强大的容器编排平台，而 StatefulSet 是 K8s 中的一种资源对象，专门用于管理有状态应用的部署。和 Deployment 这种无状态应用的部署方式不同，StatefulSet 可以为每个 Pod 提供稳定的网络标识和持久化存储。

稳定的网络标识

每个由 StatefulSet 创建的 Pod 都有一个唯一的、稳定的名称。例如，我们创建一个名为 mysql - statefulset 的 StatefulSet，它创建的 Pod 名称可能是 mysql - statefulset - 0、mysql - statefulset - 1 等。这个名称不会因为 Pod 的重启或者重新调度而改变，就像每个人都有一个固定的身份证号一样。

持久化存储

StatefulSet 可以和 PersistentVolumeClaim（PVC）结合使用，为每个 Pod 分配独立的持久化存储。这对于数据库这种需要存储大量数据的应用来说非常重要，因为数据不会因为 Pod 的销毁而丢失。

三、部署数据库（以 MySQL 为例）

1. 创建 PersistentVolumeClaim

首先，我们要为 MySQL 数据库创建 PVC，以确保有持久化存储。以下是一个 PVC 的 YAML 文件示例：

apiVersion: v1
kind: PersistentVolumeClaim
metadata:
  name: mysql - pvc # PVC 的名称
spec:
  accessModes:
    - ReadWriteOnce # 访问模式，表示只能被一个节点以读写方式挂载
  resources:
    requests:
      storage: 10Gi # 请求的存储大小为 10GB

这个 PVC 会向 K8s 集群请求 10GB 的持久化存储，并且只能被一个节点以读写方式挂载。

2. 创建 StatefulSet

接下来，创建 MySQL 的 StatefulSet。以下是示例 YAML 文件：

apiVersion: apps/v1
kind: StatefulSet
metadata:
  name: mysql - statefulset # StatefulSet 的名称
spec:
  serviceName: mysql - service # 关联的服务名称
  replicas: 3 # 创建 3 个 Pod 副本
  selector:
    matchLabels:
      app: mysql # 选择器，用于匹配 Pod 的标签
  template:
    metadata:
      labels:
        app: mysql # Pod 的标签
    spec:
      containers:
        - name: mysql # 容器名称
          image: mysql:8.0 # 使用的 MySQL 镜像版本
          ports:
            - containerPort: 3306 # 容器暴露的端口
          env:
            - name: MYSQL_ROOT_PASSWORD
              value: "password" # MySQL 的 root 用户密码
          volumeMounts:
            - name: mysql - volume # 挂载的卷名称
              mountPath: /var/lib/mysql # 挂载的路径
  volumeClaimTemplates:
    - metadata:
        name: mysql - volume # PVC 模板的名称
      spec:
        accessModes:
          - ReadWriteOnce # 访问模式
        resources:
          requests:
            storage: 10Gi # 请求的存储大小

在这个 StatefulSet 中，我们创建了 3 个 MySQL Pod 副本，每个 Pod 都挂载了一个 10GB 的持久化存储。同时，设置了 MySQL 的 root 用户密码。

3. 创建 Service

为了让其他应用能够访问 MySQL 集群，我们需要创建一个 Service。以下是示例 YAML 文件：

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: mysql - service # Service 的名称
spec:
  selector:
    app: mysql # 选择器，匹配带有 app: mysql 标签的 Pod
  ports:
    - protocol: TCP
      port: 3306 # 服务暴露的端口
      targetPort: 3306 # 目标 Pod 的端口
  clusterIP: None # 使用无头服务，为每个 Pod 提供稳定的 DNS 名称

这里使用了无头服务，这样每个 MySQL Pod 都有一个稳定的 DNS 名称，格式为 $(statefulset - name)-$(ordinal).$(service - name).$(namespace).svc.cluster.local。例如，mysql - statefulset - 0.mysql - service.default.svc.cluster.local。

四、部署中间件（以 Redis 为例）

1. 创建 PersistentVolumeClaim

和 MySQL 类似，我们先为 Redis 创建 PVC。以下是示例 YAML 文件：

apiVersion: v1
kind: PersistentVolumeClaim
metadata:
  name: redis - pvc # PVC 的名称
spec:
  accessModes:
    - ReadWriteOnce # 访问模式
  resources:
    requests:
      storage: 5Gi # 请求的存储大小为 5GB

这个 PVC 会请求 5GB 的持久化存储。

2. 创建 StatefulSet

然后创建 Redis 的 StatefulSet。以下是示例 YAML 文件：

apiVersion: apps/v1
kind: StatefulSet
metadata:
  name: redis - statefulset # StatefulSet 的名称
spec:
  serviceName: redis - service # 关联的服务名称
  replicas: 3 # 创建 3 个 Pod 副本
  selector:
    matchLabels:
      app: redis # 选择器，匹配 Pod 的标签
  template:
    metadata:
      labels:
        app: redis # Pod 的标签
    spec:
      containers:
        - name: redis # 容器名称
          image: redis:6.0 # 使用的 Redis 镜像版本
          ports:
            - containerPort: 6379 # 容器暴露的端口
          volumeMounts:
            - name: redis - volume # 挂载的卷名称
              mountPath: /data # 挂载的路径
  volumeClaimTemplates:
    - metadata:
        name: redis - volume # PVC 模板的名称
      spec:
        accessModes:
          - ReadWriteOnce # 访问模式
        resources:
          requests:
            storage: 5Gi # 请求的存储大小

在这个 StatefulSet 中，创建了 3 个 Redis Pod 副本，每个 Pod 都挂载了一个 5GB 的持久化存储。

3. 创建 Service

最后创建 Redis 的 Service。以下是示例 YAML 文件：

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: redis - service # Service 的名称
spec:
  selector:
    app: redis # 选择器，匹配带有 app: redis 标签的 Pod
  ports:
    - protocol: TCP
      port: 6379 # 服务暴露的端口
      targetPort: 6379 # 目标 Pod 的端口
  clusterIP: None # 使用无头服务，为每个 Pod 提供稳定的 DNS 名称

同样使用无头服务，每个 Redis Pod 都有一个稳定的 DNS 名称。

五、应用场景

数据库集群

在企业级应用中，数据库集群是非常常见的应用场景。例如，电商平台的订单数据库、金融系统的交易数据库等。通过 K8s StatefulSet 部署数据库集群，可以实现高可用性和数据持久化，确保业务数据的安全和稳定。

缓存集群

对于高并发的 Web 应用，缓存集群可以显著提高系统的性能。例如，使用 Redis 作为缓存中间件，通过 StatefulSet 部署 Redis 集群，可以为应用提供快速的缓存服务。

消息队列集群

消息队列在分布式系统中起着重要的作用，如 RabbitMQ、Kafka 等。使用 StatefulSet 部署消息队列集群，可以保证消息的可靠传递和处理。

六、技术优缺点

优点

  • 高可用性：通过多副本部署和自动故障转移，确保服务的高可用性。例如，当一个 MySQL Pod 出现故障时，K8s 会自动重启或重新调度该 Pod，保证数据库服务的正常运行。
  • 数据持久化：与 PVC 结合使用，为有状态应用提供持久化存储，数据不会因为 Pod 的销毁而丢失。
  • 稳定的网络标识：每个 Pod 都有稳定的名称和 DNS 名称，方便应用之间的通信和配置。

缺点

  • 部署和管理复杂：相比无状态应用的部署，StatefulSet 的部署和管理更加复杂，需要考虑数据一致性、节点故障处理等问题。
  • 资源消耗大：为了保证高可用性和数据持久化，需要更多的资源，如存储和计算资源。

七、注意事项

数据一致性

在部署数据库集群时，要确保数据的一致性。例如，在 MySQL 集群中，可以使用主从复制或 Galera Cluster 来保证数据的一致性。

节点故障处理

当一个节点出现故障时，K8s 会自动处理，但在某些情况下，可能需要手动干预。例如，当一个 MySQL Pod 因为磁盘故障无法启动时，需要检查磁盘状态并进行相应的修复。

资源规划

在部署 StatefulSet 之前，要合理规划资源。例如，根据应用的负载情况，合理分配存储和计算资源，避免资源浪费或不足。

八、文章总结

通过 K8s StatefulSet 可以方便地部署有状态服务的集群，为数据库、中间件等应用提供高可用性和数据持久化。在部署过程中，需要创建 PVC、StatefulSet 和 Service，并且要注意数据一致性、节点故障处理和资源规划等问题。虽然 StatefulSet 有一些缺点，如部署和管理复杂、资源消耗大，但在企业级应用中，它的优点远远超过了缺点。随着容器技术和 Kubernetes 的不断发展，StatefulSet 将会在更多的场景中得到应用。