怎样解析容器存储接口CSI

怎样解析容器存储接口CSI，很多新手对此不是很清楚，为了帮助大家解决这个难题，下面小编将为大家详细讲解，有这方面需求的人可以来学习下，希望你能有所收获。下面将将重点放在 CSI（Container Storage Interface）容器存储接口上，探究什么是 CSI 及其内部工作原理。K8s 原生支持一些存储类型的 PV，如 iSCSI、NFS、CephFS 等等（详见链接），这些 in-tree 类型的存储代码放在 Kubernetes 代码仓库中。这里带来的问题是 K8s 代码与三方存储厂商的代码强耦合：更改 in-tree 类型的存储代码，用户必须更新 K8s 组件，成本较高in-tree 存储代码中的 bug 会引发 K8s 组件不稳定K8s 社区需要负责维护及测试 in-tree 类型的存储功能in-tree 存储插件享有与 K8s 核心组件同等的特权，存在安全隐患三方存储开发者必须遵循 K8s 社区的规则开发 in-tree 类型存储代码CSI 容器存储接口标准的出现解决了上述问题，将三方存储代码与 K8s 代码解耦，使得三方存储厂商研发人员只需实现 CSI 接口（无需关注容器平台是 K8s 还是 Swarm 等）。在详细介绍 CSI 组件及其接口之前，我们先对 K8s 中 CSI 存储流程进行一个介绍。《一文读懂 K8s 持久化存储流程》一文介绍了 K8s 中的 Pod 在挂载存储卷时需经历三个的阶段：Provision/Delete（创盘/删盘）、Attach/Detach（挂接/摘除）和 Mount/Unmount（挂载/卸载），下面以图文的方式讲解 K8s 在这三个阶段使用 CSI 的流程。1.集群管理员创建 StorageClass 资源，该 StorageClass 中包含 CSI 插件名称（provisioner:pangu.csi.alibabacloud.com）以及存储类必须的参数（parameters: type=cloud_ssd）。sc.yaml 文件如下：2.用户创建 PersistentVolumeClaim 资源，PVC 指定存储大小及 StorageClass（如上）。pvc.yaml 文件如下：3.**卷控制器（PersistentVolumeController）**观察到集群中新创建的 PVC 没有与之匹配的 PV，且其使用的存储类型为 out-of-tree，于是为 PVC 打 annotation：volume.beta.kubernetes.io/storage-provisioner=[out-of-tree CSI 插件名称]（本例中即为 provisioner:pangu.csi.alibabacloud.com）。4.External Provisioner 组件观察到 PVC 的 annotation 中包含 “volume.beta.kubernetes.io/storage-provisioner” 且其 value 是自己，于是开始创盘流程。获取相关 StorageClass 资源并从中获取参数（本例中 parameters 为 type=cloud_ssd），用于后面 CSI 函数调用。通过 unix domain socket 调用外部 CSI 插件的CreateVolume 函数。5.外部 CSI 插件返回成功后表示盘创建完成，此时External Provisioner 组件会在集群创建一个 PersistentVolume 资源。6.卷控制器会将 PV 与 PVC 进行绑定。1.AD 控制器（AttachDetachController）观察到使用 CSI 类型 PV 的 Pod 被调度到某一节点，此时AD 控制器会调用**内部 in-tree CSI 插件（csiAttacher）**的 Attach 函数。2.**内部 in-tree CSI 插件（csiAttacher）**会创建一个 VolumeAttachment 对象到集群中。3.External Attacher观察到该 VolumeAttachment 对象，并调用外部 CSI插件的ControllerPublish 函数以将卷挂接到对应节点上。外部 CSI 插件挂载成功后，External Attacher会更新相关 VolumeAttachment 对象的 .Status.Attached 为 true。4.AD 控制器内部 in-tree CSI 插件（csiAttacher）观察到 VolumeAttachment 对象的 .Status.Attached 设置为 true，于是更新AD 控制器内部状态（ActualStateOfWorld），该状态会显示在 Node 资源的 .Status.VolumesAttached 上。1.**Volume Manager（Kubelet 组件）观察到有新的使用 CSI 类型 PV 的 Pod 调度到本节点上，于是调用内部 in-tree CSI 插件（csiAttacher）**的 WaitForAttach 函数。2.**内部 in-tree CSI 插件（csiAttacher）**等待集群中 VolumeAttachment 对象状态 .Status.Attached 变为 true。3.in-tree CSI 插件（csiAttacher）调用 MountDevice 函数，该函数内部通过 unix domain socket 调用外部 CSI 插件的NodeStageVolume 函数；之后插件（csiAttacher）调用内部 in-tree CSI 插件（csiMountMgr）的 SetUp 函数，该函数内部会通过 unix domain socket 调用外部 CSI 插件的NodePublishVolume 函数。1.用户删除相关 Pod。2.Volume Manager（Kubelet 组件）观察到包含 CSI 存储卷的 Pod 被删除，于是调用内部 in-tree CSI 插件（csiMountMgr）的 TearDown 函数，该函数内部会通过 unix domain socket 调用外部 CSI 插件的 NodeUnpublishVolume 函数。3.Volume Manager（Kubelet 组件）调用内部 in-tree CSI 插件（csiAttacher）的 UnmountDevice 函数，该函数内部会通过 unix domain socket 调用外部 CSI 插件的 NodeUnpublishVolume 函数。1.AD 控制器观察到包含 CSI 存储卷的 Pod 被删除，此时该控制器会调用**内部 in-tree CSI 插件（csiAttacher）**的 Detach 函数。2.csiAttacher会删除集群中相关 VolumeAttachment 对象（但由于存在 finalizer，va 对象不会立即删除）。3.External Attacher观察到集群中 VolumeAttachment 对象的 DeletionTimestamp 非空，于是调用外部 CSI 插件的ControllerUnpublish 函数以将卷从对应节点上摘除。外部 CSI 插件摘除成功后，External Attacher会移除相关 VolumeAttachment 对象的 finalizer 字段，此时 VolumeAttachment 对象被彻底删除。4.AD 控制器中内部 in-tree CSI 插件（csiAttacher）观察到 VolumeAttachment 对象已删除，于是更新AD 控制器中的内部状态；同时AD 控制器更新 Node 资源，此时 Node 资源的 .Status.VolumesAttached 上已没有相关挂接信息。1.用户删除相关 PVC。2.External Provisioner 组件观察到 PVC 删除事件，根据 PVC 的回收策略（Reclaim）执行不同操作：Delete：调用外部 CSI 插件的DeleteVolume 函数以删除卷；一旦卷成功删除，Provisioner会删除集群中对应 PV 对象。Retain：Provisioner不执行卷删除操作。为使 K8s 适配 CSI 标准，社区将与 K8s 相关的存储流程逻辑放在了 CSI Sidecar 组件中。Node-Driver-Registrar 组件会将外部 CSI 插件注册到Kubelet，从而使Kubelet通过特定的 Unix Domain Socket 来调用外部 CSI 插件函数开发云主机域名（Kubelet 会调用外部 CSI 插件的 NodeGetInfo、NodeStageVolume、NodePublishVolume、NodeGetVolumeStats 等函数）。Node-Driver-Registrar 组件通过Kubelet 外部插件注册机制实现注册，注册成功后：Kubelet为本节点 Node 资源打 annotation：Kubelet调用外部 CSI 插件的NodeGetInfo 函数，其返回值 [nodeID]、[driverName] 将作为值用于 “csi.volume.kubernetes.io/nodeid” 键。Kubelet更新 Node Label：将NodeGetInfo 函数返回的 [AccessibleTopology] 值用于节点的 Label。Kubelet更新 Node Status：将NodeGetInfo 函数返回的 maxAttachLimit（节点最大可挂载卷数量）更新到 Node 资源的 Status.Allocatable：attachable-volumes-csi-[driverName]=[maxAttachLimit]。Kubelet更新 CSINode 资源（没有则创建）：将 [driverName]、[nodeID]、[maxAttachLimit]、[AccessibleTopology] 更新到 Spec 中（拓扑仅保留 Key 值）。创建/删除实际的存储卷，以及代表存储卷的 PV 资源。External-Provisioner在启动时需指定参数 — provisioner，该参数指定 Provisioner 名称，与 StorageClass 中的 provisioner 字段对应。External-Provisioner启动后会 watch 集群中的 PVC 和 PV 资源。对于集群中的 PVC 资源：判断 PVC 是否需要动态创建存储卷，标准如下：PVC 的 annotation 中是否包含 “volume.beta.kubernetes.io/storage-provisioner” 键（由卷控制器创建），并且其值是否与 Provisioner 名称相等。PVC 对应 StorageClass 的 VolumeBindingMode 字段若为 WaitForFirstConsumer，则 PVC 的 annotation 中必须包含 “volume.kubernetes.io/selected-node” 键（详见调度器如何处理 WaitForFirstConsumer），且其值不为空；若为 Immediate 则表示需要 Provisioner 立即提供动态存储卷。通过特定的 Unix Domain Socket 调用外部 CSI 插件的 CreateVolume 函数。创建 PV 资源，PV 名称为 [Provisioner 指定的 PV 前缀] – [PVC uuid]。对于集群中的 PV 资源：判断 PV 是否需要删除，标准如下：判断其 .Status.Phase 是否为 Release。判断其 .Spec.PersistentVolumeReclaimPolicy 是否为 Delete。判断其是否包含 annotation（pv.kubernetes.io/provisioned-by），且其值是否为自己。通过特定的 Unix Domain Socket 调用外部 CSI 插件的 DeleteVolume 接口。删除集群中的 PV 资源。挂接/摘除存储卷。**External-Attacher**内部会时刻 watch 集群中的 VolumeAttachment 资源和 PersistentVolume 资源。对于 VolumeAttachment 资源：从 VolumeAttachment 资源中获得 PV 的所有信息，如 volume ID、node ID、挂载 Secret 等。判断 VolumeAttachment 的 DeletionTimestamp 字段是否为空来判断其为卷挂接或卷摘除：若为卷挂接则通过特定的 Unix Domain Socket 调用外部 CSI 插件的ControllerPublishVolume 接口；若为卷摘除则通过特定的 Unix Domain Socket 调用外部 CSI 插件的ControllerUnpublishVolume 接口。对于 PersistentVolume 资源：在挂接时为相关 PV 打上 Finalizer：external-attacher/[driver 名称]。当 PV 处于删除状态时（DeletionTimestamp 非空），删除 Finalizer：external-attacher/[driver 名称]。扩容存储卷。External-Resizer内部会 watch 集群中的 PersistentVolumeClaim 资源。对于 PersistentVolumeClaim 资源：判断 PersistentVolumeClaim 资源是否需要扩容：PVC 状态需要是 Bound 且 .Status.Capacity 与 .Spec.Resources.Requests 不等。更新 PVC 的 .Status.Conditions，表明此时处于 Resizing 状态。通过特定的 Unix Domain Socket 调用外部 CSI 插件的 ControllerExpandVolume 接口。更新 PV 的 .Spec.Capacity。若 CSI 支持文件系统在线扩容，ControllerExpandVolume 接口返回值中 NodeExpansionRequired 字段为 true，External-Resizer更新 PVC 的 .Status.Conditions 为 FileSystemResizePending 状态；若不支持则扩容成功，External-Resizer更新 PVC 的 .Status.Conditions 为空，且更新 PVC 的 .Status.Capacity。Volume Manager（Kubelet 组件）观察到存储卷需在线扩容，于是通过特定的 Unix Domain Socket 调用外部 CSI 插件的NodeExpandVolume 接口实现文件系统扩容。检查 CSI 插件是否正常。通过对外暴露一个 / healthz HTTP 端口以服务 kubelet 的探针探测器，内部是通过特定的 Unix Domain Socket 调用外部 CSI 插件的 Probe 接口。三方存储厂商需实现 CSI 插件的三大接口：IdentityServer、ControllerServer、NodeServer。IdentityServer 主要用于认证 CSI 插件的身份信息。ControllerServer 主要负责存储卷及快照的创建/删除以及挂接/摘除操作。NodeServer 主要负责存储卷挂载/卸载操作。K8s 为支持 CSI 标准，包含如下 API 对象：CSINodeCSIDriverVolumeAttachment作用：判断外部 CSI 插件是否注册成功。在 Node Driver Registrar 组件向 Kubelet 注册完毕后，Kubelet 会创建该资源，故不需要显式创建 CSINode 资源。将 Kubernetes 中 Node 资源名称与三方存储系统中节点名称（nodeID）一一对应。此处Kubelet会调用外部 CSI 插件NodeServer 的 GetNodeInfo 函数获取 nodeID。显示卷拓扑信息。CSINode 中 topologyKeys 用来表示存储节点的拓扑信息，卷拓扑信息会使得Scheduler在 Pod 调度时选择合适的存储节点。作用：简化外部 CSI 插件的发现。由集群管理员创建，通过 kubectl get csidriver 即可得知环境上有哪些 CSI 插件。自定 义Kubernetes 行为，如一些外部 CSI 插件不需要执行卷挂接（VolumeAttach）操作，则可以设置 .spec.attachRequired 为 false。作用：VolumeAttachment 记录了存储卷的挂接/摘除信息以及节点信息。在 StorageClass 中有 AllowedTopologies 字段：外部 CSI 插件部署后会为每个节点打标，打标内容NodeGetInfo 函数返回的 [AccessibleTopology] 值（详见 Node Driver Registrar 部分）。External Provisioner在调用 CSI 插件的 CreateVolume 接口之前，会在请求参数设置 AccessibilityRequirements：对于 WaitForFirstConsumer当 PVC 的 anno 中包含 “volume.kubernetes.io/selected-node” 且不为空，则先获取对应节点 CSINode 的 TopologyKeys，然后根据该 TopologyKeys 键从 Node 资源的 Label 获取 Values 值，最后拿该 Values 值与 StorageClass 的 AllowedTopologies 比对，判断其是否包含于其中；若不包含则报错。对于 Immediately将 StorageClass 的 AllowedTopologies 的值填进来，若 StorageClass 没有设置 AllowedTopologies 则将所有包含 TopologyKeys 键的节点 Value 添进来。基于社区 1.18 版本调度器调度器的调度过程主要有如下三步：预选（Filter）：筛选满足 Pod 调度要求的节点列表。优选（Score）：通过内部的优选算法为节点打分，获得最高分数的节点即为选中的节点。绑定（Bind）：调度器将调度结果通知给 kube-apiserver，更新 Pod 的 .spec.nodeName 字段。调度器预选阶段：处理 Pod 的 PVC/PV 绑定关系以及动态供应 PV（Dynamic Provisioning），同时使调度器调度时考虑 Pod 所使用 PV 的节点亲和性。详细调度过程如下：Pod 不包含 PVC 直接跳过。FindPodVolumes先检查环境中已有的 PV 能否与该 PVC 匹配（findMatchingVolumes），将能够匹配 PVC 的 PV 记录在调度器的 cache 中。未匹配到 PV 的 PVC 走动态调度流程，动态调度主要通过 StorageClass 的 AllowedTopologies 字段判断当前调度节点是否满足拓扑要求（针对 WaitForFirstConsumer 类型的 PVC）。boundClaims：已 Bound 的 PVCclaimsToBind：PVC 对应 StorageClass 的 VolumeBindingMode 为 VolumeBindingWaitForFirstConsumerunboundClaimsImmediate：PVC 对应 StorageClass 的 VolumeBindingMode 为 VolumeBindingImmediate获取 Pod 的 boundClaims、claimsToBind 以及 unboundClaimsImmediate。若 len(unboundClaimsImmediate) 不为空，表示这种 PVC 需要立即绑定 PV（即存 PVC 创建后，立刻动态创建 PV 并将其绑定到 PVC，该过程不走调度），若 PVC 处于 unbound 阶段则报错。若 len(boundClaims) 不为空，则检查 PVC 对应 PV 的节点亲和性与当前节点的 Label 是否冲突，若冲突则报错（可检查 Immediate 类型的 PV 拓扑）。若 len(claimsToBind) 不为空调度器优选阶段不讨论。调度器 Assume 阶段调度器会先 Assume PV/PVC，再 Assume Pod。将当前待调度的 Pod 进行深拷贝。AssumePodVolumes（针对 WaitForFirstConsumer 类型的 PVC）更改调度器 cache 中已经 Match 的 PV 信息：设置 annotation：pv.kubernetes.io/bound-by-controller=”yes”。更改调度器 cache 中未匹配到 PV 的 PVC，设置 annotation：volume.kubernetes.io/selected-node=【所选节点】。Assume Pod 完毕更改调度器 cache 中 Pod 的 .Spec.NodeName 为【所选节点】。调度器 Bind 阶段BindPodVolumes：调用 Kubernetes 的 API 更新集群中 PV/PVC 资源，使其与调度器 Cache 中的 PV/PVC 一致。检查 PV/PVC 状态：检查所有 PVC 是否已处于 Bound 状态。检查所有 PV 的 NodeAffinity 是否与节点 Label 冲突。调度器执行 Bind 操作：调用 Kubernetes 的 API 更新 Pod 的 .Spec.NodeName 字段。存储卷扩容部分在 External Resizer 部分已提到，故不再赘述。用户只需要编辑 PVC 的 .Spec.Resources.Requests.Storage 字段即可，注意只可扩容不可缩容。若 PV 扩容失败，此时 PVC 无法重新编辑 spec 字段的 storage 为原来的值（只可扩容不可缩容）。参考 K8s 官网提供的 PVC 还原方法： https://kubernetes.io/docs/concepts/storage/persistent-volumes/#recovering-from-failure-when-expanding-volumes卷数量限制在 Node Driver Registrar 部分已提到，故不再赘述。存储商需实现 CSI 插件的 NodeGetVolumeStats 接口，Kubelet 会调用该函数，并反映在其 metrics上：kubelet_volume_stats_capacity_bytes：存储卷容量kubelet_volume_stats_used_bytes：存储卷已使用容量kubelet_volume_stats_available_bytes：存储卷可使用容量kubelet_volume_stats_inodes：存储卷 inode 总量kubelet_volume_stats_inodes_used：存储卷 inode 使用量kubelet_volume_stats_inodes_free：存储卷 inode 剩余量CSI 存储卷支持传入 Secret 来处理不同流程中所需要的私密数据，目前 StorageClass 支持如下 Parameter：csi.storage.k8s.io/provisioner-secret-namecsi.storage.k8s.io/provisioner-secret-namespacecsi.storage.k8s.io/controller-publish-secret-namecsi.storage.k8s.io/controller-publish-secret-namespacecsi.storage.k8s.io/node-stage-secret-namecsi.storage.k8s.io/node-stage-secret-namespacecsi.storage.k8s.io/node-publish-secret-namecsi.storage.k8s.io/node-publish-secret-namespacecsi.storage.k8s.io/controller-expand-secret-namecsi.storage.k8s.io/controller-expand-secret-namespaceSecret 会包含在对应 CSI 接口的参数中，如对于 CreateVolume 接口而言则包含在 CreateVolumeRequest.Secrets 中。三方存储厂商需实现 NodePublishVolume 接口。Kubernetes 提供了针对块设备的工具包（”k8s.io/kubernetes/pkg/util/mount”），在 NodePublishVolume 阶段可调用该工具的 EnsureBlock 和 MountBlock 函数。看完上述内容是否对您有帮助呢？如果还想对相关知识有进一步的了解或阅读更多相关文章，请关注开发云行业资讯频道，感谢您对开发云的支持。

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