StatefulSet：管理有狀態的應用

概述

在 Kubernetes 中，StatefulSet 是一個專為有狀態應用設計的 API 對象，與無狀態的 Deployment 不同，StatefulSet 專門用來管理那些需要穩定網路標識、持久儲存和有序部署的應用場景。本文將詳細解說 StatefulSet 的核心概念、應用場景以及實際使用案例，幫助你更好地理解如何在 Kubernetes 中管理有狀態的應用。

StatefulSet 的基本概念

1. 穩定的網路標識：

   • StatefulSet 為每個 Pod 提供一個獨立且穩定的網路標識（主機名），這個標識由 StatefulSet 名稱、Pod 的有序索引和服務域名組成。例如，如果 StatefulSet 名稱是 web，那麼 Pod 的名稱將依次為 web-0、web-1、web-2。
   • 即使 Pod 被重新調度或重啟，這些標識也不會改變，對於依賴固定網路標識進行通信或連接的應用來說，這一特性極其重要。

2. 穩定的儲存：

   • 每個 Pod 都會獲得一個獨立的 PersistentVolume（PV），這些 PV 的生命周期與 Pod 是分離的。即使 Pod 被刪除或重新調度，與之綁定的資料仍會保存在原有的 PV 上，確保資料不丟失。
   • 無論 Pod 被如何重建，它都會重新連接到與其綁定的 PV 上。

3. 有序部署與縮擴：

   • StatefulSet 保證 Pod 的創建、刪除和縮擴是按照特定的順序進行的，例如，Pod 的部署順序為 web-0 -> web-1 -> web-2，而縮容則會按照反向順序進行。
   • 這種有序行為特別適合那些需要在啟動和關閉過程中遵循嚴格順序的應用，例如分佈式資料庫和檔案系統。

圖示說明：StatefulSet 的架構

如圖所示，StatefulSet 管理多個 Pod（如 Web-0, Web-1, Web-2），每個 Pod 都對應到一個穩定的 PersistentVolume（如 PV-0, PV-1, PV-2）。這些 Pod 不僅擁有穩定的網路標識，還有與之綁定的持久儲存，即使 Pod 被刪除或重新調度，它們依然會連接到相同的PV。

StatefulSet 的典型應用場景

1. 分散式資料庫：

   • 分散式資料庫通常需要每個節點具有穩定的網路標識和獨立的儲存空間。StatefulSet 能夠提供這些需求，使得節點無論經過調度或重啟，資料仍然能夠一致且可靠地保存。
   • 例如，Cassandra、MongoDB 和 MySQL Cluster 等應用都可以從 StatefulSet 的穩定性中受益。

2. 分散式檔案系統：

   • 對於 HDFS 這類分散式檔案系統，節點間的穩定網路標識是管理資料區塊分配和儲存的關鍵。StatefulSet 為這些系統提供了穩定的基礎設施，確保節點可以正確運行並維持資料的一致性。

3. 有狀態的應用服務：

   • Zookeeper、Kafka 和 RabbitMQ 這類應用依賴穩定的主機名進行服務發現和領袖選舉。StatefulSet 能夠保證這些應用在 Kubernetes Cluster中穩定運行，不受節點變動的影響。

範例：創建一個 NGINX 的 StatefulSet

以下是一個簡單的 StatefulSet YAML 設定檔案，用於部署一個帶有持久儲存的 NGINX 應用：

apiVersion: apps/v1
kind: StatefulSet
metadata:
  name: nginx
spec:
  serviceName: "nginx"
  replicas: 3
  selector:
    matchLabels:
      app: nginx
  template:
    metadata:
      labels:
        app: nginx
    spec:
      containers:
      - name: nginx
        image: nginx:latest
        ports:
        - containerPort: 80
  volumeClaimTemplates:
  - metadata:
      name: nginx-data
    spec:
      accessModes: ["ReadWriteOnce"]
      resources:
        requests:
          storage: 1Gi

這個範例中：

• serviceName 定義了 StatefulSet 管理的所有 Pod 共享的 Headless Service 名稱。
• volumeClaimTemplates 定義了每個 Pod 會使用的 PersistentVolumeClaim 樣板，從而保證每個 Pod 都擁有獨立的持久儲存卷。

StatefulSet 的操作指令

• 查看 StatefulSet：執行 kubectl get statefulsets 可以查看當前Cluster中的所有 StatefulSet。
• 查看 Pod：執行 kubectl get pods -l app=nginx 可以查看屬於指定 StatefulSet 的所有 Pod。
• 擴展 StatefulSet：執行 kubectl scale statefulset <statefulset-name> --replicas=<number> 可以調整 StatefulSet 的 Pod 數量。

總結

StatefulSet 在 Kubernetes 中為有狀態的應用程式提供了穩定的網路標識、持久儲存和有序部署，特別適合那些需要保持狀態一致性的分佈式系統。理解和運用 StatefulSet 是在 Kubernetes 中管理有狀態應用的重要一環。在接下來的學習中，我們將探討 Kubernetes 中的DaemonSet，它主要用於系統級應用，確保每個節點上都能運行一個特定的 Pod。