實戰 Kubernetes 中部署 MySQL 叢集

一般情況下 Kubernetes 可以通過 ReplicaSet 以一個 Pod 模闆建立多個 pod 副本，但是它們都是無狀态的，任何時候它們都可以被一個全新的 pod 替換。然而有狀态的 pod 需要另外的方案確定當一個有狀态的 pod 挂掉後，這個 pod 執行個體需要在别的節點上重建，但是新的執行個體必須與被替換的執行個體擁有相同的名稱、網絡辨別和狀态。這就是 Statefulset 管理 pod 的手段。

對于容器叢集，有狀态服務的挑戰在于，通常叢集中的任何節點都并非100%可靠的，服務所需的資源也會動态地更新改變。當節點由于故障或服務由于需要更多的資源而無法繼續運作在原有節點上時，叢集管理系統會為該服務重新配置設定一個新的運作位置，進而確定從整體上看，叢集對外的服務不會中斷。若采用本地存儲，當服務漂移後資料并不會随着服務轉移到新的節點，重新開機服務就會出現資料丢失的困境。

本文目的是通過一個 mysql 的主從叢集搭建，深入了解 kubernetes 的 statfulset 管理。為了降低實驗的外部依賴，存儲層面上，我采用的是本地存儲，當然生産上不建議這樣做，生産環境的存儲推薦官方介紹到的的 gce、nfs、ceph等存儲方案，因為這些方案支援動态供給的特性，允許開發人員通過 pvc 的定義，快速實作資料有效存儲，是以你絕不應該把一個主控端上的目錄當作 PV 使用，隻是本文用于實驗需要，采用 Local Persistent Volume 的手段，目的隻是為了驗證 Statefulset 的狀态管理功能。

實驗環境

kubernetes Master
kubernetes Node（測試示範，所有的副本都會在其上運作）
kubernetes DNS 服務已開啟

實驗目的

搭建一個主從複制（Master-Slave）的 MySQL 叢集
從節點可以水準擴充
所有的寫操作隻能在主節點上執行
讀操作可以在主從節點上執行
從節點能同步主節點的資料

本地存儲原理

為了快速搭建測試環境，我們這裡使用了本地存儲，也就是說，使用者希望 Kubernetes 能夠直接使用主控端上的本地磁盤目錄，而不依賴于遠端存儲服務，來提供持久化的容器 Volume。不過這裡有個難點：

“

我們把存儲固定在一個節點上，但是pod在排程的時候，是飄來飄去的，怎麼能讓pod通過pvc也能固定在pv上？

”

給這個 Pod 加上一個 nodeAffinity 行不行？

當然行，但是這變相破壞了開發人員對資源對象的定義規範了，開發人員應該不需要時刻考慮排程的細節。排程的改動應該交給運維就行。是以我們為了實作本地存儲，我們采用了延遲綁定的方法。方法很簡單，我們都知道 storageclass 一般由運維人員設計，我們隻需要在storageclass 指定 no-provisioner。這是因為 Local Persistent Volume 目前尚不支援 Dynamic Provisioning，是以它沒辦法在使用者建立 PVC 的時候，就自動建立出對應的 PV。與此同時，這個 StorageClass 還定義了一個 volumeBindingMode=WaitForFirstConsumer 的屬性。它是 Local Persistent Volume 裡一個非常重要的特性，即：延遲綁定

kind: StorageClass
apiVersion: storage.k8s.io/v1
metadata:
  name: local-storage
provisioner: kubernetes.io/no-provisioner
volumeBindingMode: WaitForFirstConsumer

實驗步驟

一、先在node （實驗用的node節點IP是172.31.170.51 ）節點上，預先配置設定幾個pv (不建議在生産上這樣操作)

01-persistentVolume-1.yaml

apiVersion: v1
kind: PersistentVolume
metadata:
  name: example-mysql-pv
spec:
  capacity:
    storage: 15Gi
  volumeMode: Filesystem
  accessModes:
  - ReadWriteOnce
  persistentVolumeReclaimPolicy: Delete
  storageClassName: local-storage
  local:
    path: /data/svr/projects/mysql
  nodeAffinity:
    required:
      nodeSelectorTerms:
      - matchExpressions:
        - key: kubernetes.io/hostname
          operator: In
          values:
          - 172.31.170.51

01-persistentVolume-2.yaml

apiVersion: v1
kind: PersistentVolume
metadata:
  name: example-mysql-pv-2
spec:
  capacity:
    storage: 15Gi
  volumeMode: Filesystem
  accessModes:
  - ReadWriteOnce
  persistentVolumeReclaimPolicy: Delete
  storageClassName: local-storage
  local:
    path: /data/svr/projects/mysql2
  nodeAffinity:
    required:
      nodeSelectorTerms:
      - matchExpressions:
        - key: kubernetes.io/hostname
          operator: In
          values:
          - 172.31.170.51

01-persistentVolume-3.yaml

apiVersion: v1
kind: PersistentVolume
metadata:
  name: example-mysql-pv-3
spec:
  capacity:
    storage: 15Gi
  volumeMode: Filesystem
  accessModes:
  - ReadWriteOnce
  persistentVolumeReclaimPolicy: Delete
  storageClassName: local-storage
  local:
    path: /data/svr/projects/mysql3
  nodeAffinity:
    required:
      nodeSelectorTerms:
      - matchExpressions:
        - key: kubernetes.io/hostname
          operator: In
          values:
          - 172.31.170.51

記住，這是在生産上不推薦的做法，我隻是實驗用途才這樣手動預先建立，正規的做法應該通過storageclass采用 Dynamic Provisioning，而不是 Static Provisioning 機制生産PV。

kubectl apply -f 01-persistentVolume-{1..3}.yaml

persistentvolume/example-mysql-pv1 created
persistentvolume/example-mysql-pv2 created
persistentvolume/example-mysql-pv3 created

二、建立 StorageClass

02-storageclass.yaml

kind: StorageClass
apiVersion: storage.k8s.io/v1
metadata:
  name: local-storage
provisioner: kubernetes.io/no-provisioner
volumeBindingMode: WaitForFirstConsumer

執行建立

kubectl apply -f 02-storageclass.yaml

storageclass.storage.k8s.io/local-storage created

三、建立Namespace

03-mysql-namespace.yaml

apiVersion: v1
kind: Namespace
metadata:
  name: mysql
  labels:
    app: mysql

kubectl apply -f 03-mysql-namespace.yaml

namespace/mysql created

四、使用 ConfigMap 為 Master/Slave 節點配置設定不同的配置檔案

04-mysql-configmap.yaml

apiVersion: v1
kind: ConfigMap
metadata:
  name: mysql
  namespace: mysql
  labels:
    app: mysql
data:
  master.cnf: |
    # Master配置
    [mysqld]
    log-bin=mysqllog
    skip-name-resolve
  slave.cnf: |
    # Slave配置
    [mysqld]
    super-read-only
    skip-name-resolve
    log-bin=mysql-bin
    replicate-ignore-db=mysql

建立執行

kubectl apply -f 04-mysql-configmap.yaml

configmap/mysql created

五、建立mysql密碼Secret

05-mysql-secret.yaml

apiVersion: v1
kind: Secret
metadata:
  name: mysql-secret
  namespace: mysql
  labels:
    app: mysql
type: Opaque
data:
  password: MTIzNDU2 # echo -n "123456" | base64

kubectl apply -f 05-mysql-secret.yaml

secret/mysql-secret created

六、使用 Service 為 MySQL 提供讀寫分離

06-mysql-services.yaml

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: mysql
  namespace: mysql
  labels:
    app: mysql
spec:
  ports:
  - name: mysql
    port: 3306
  clusterIP: None
  selector:
    app: mysql
---
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: mysql-read
  namespace: mysql
  labels:
    app: mysql
spec:
  ports:
  - name: mysql
    port: 3306
  selector:
    app: mysql

使用者所有寫請求，必須以 DNS 記錄的方式直接通路到 Master 節點，也就是 mysql-0.mysql 這條 DNS 記錄。

使用者所有讀請求，必須通路自動配置設定的 DNS 記錄可以被轉發到任意一個 Master 或 Slave 節點上，也就是 mysql-read 這條 DNS 記錄

kubectl apply -f 06-mysql-services.yaml

$ kubectl get svc -n mysql
NAME         TYPE        CLUSTER-IP   EXTERNAL-IP   PORT(S)    AGE
mysql        ClusterIP   None

七、使用 StatefulSet 搭建 MySQL 主從叢集

mysql-statefulset.yaml

apiVersion: apps/v1
kind: StatefulSet
metadata:
  name: mysql
  namespace: mysql
  labels:
    app: mysql
spec:
  selector:
    matchLabels:
      app: mysql
  serviceName: mysql
  replicas: 2
  template:
    metadata:
      labels:
        app: mysql
    spec:
      initContainers:
      - name: init-mysql
        image: mysql:5.7
        env:
        - name: MYSQL_ROOT_PASSWORD
          valueFrom:
            secretKeyRef:
              name: mysql-secret
              key: password
        command:
        - bash
        - "-c"
        - |
          set -ex
          # 從 Pod 的序号，生成 server-id
          [[ $(hostname) =~ -([0-9]+)$ ]] || exit 1
          ordinal=${BASH_REMATCH[1]}
          echo [mysqld] > /mnt/conf.d/server-id.cnf
          # 由于 server-id 不能為 0，是以給 ID 加 100 來避開它
          echo server-id=$((100 + $ordinal)) >> /mnt/conf.d/server-id.cnf
          # 如果 Pod 的序号為 0，說明它是 Master 節點，從 ConfigMap 裡把 Master 的配置檔案拷貝到 /mnt/conf.d 目錄下
          # 否則，拷貝 ConfigMap 裡的 Slave 的配置檔案
          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
        env:
        - name: MYSQL_ROOT_PASSWORD
          valueFrom:
            secretKeyRef:
              name: mysql-secret
              key: password
        command:
        - bash
        - "-c"
        - |
          set -ex
          # 拷貝操作隻需要在第一次啟動時進行，是以資料已經存在則跳過
          [[ -d /var/lib/mysql/mysql ]] && exit 0
          # Master 節點（序号為 0）不需要這個操作
          [[ $(hostname) =~ -([0-9]+)$ ]] || exit 1
          ordinal=${BASH_REMATCH[1]}
          [[ $ordinal == 0 ]] && exit 0
          # 使用 ncat 指令，遠端地從前一個節點拷貝資料到本地
          ncat --recv-only mysql-$(($ordinal-1)).mysql 3307 | xbstream -x -C /var/lib/mysql
          # 執行 --prepare，這樣拷貝來的資料就可以用作恢複了
          xtrabackup --prepare --target-dir=/var/lib/mysql
        volumeMounts:
        - name: data
          mountPath: /var/lib/mysql
          subPath: mysql
        - name: conf
          mountPath: /etc/mysql/conf.d
      containers:
      - name: mysql
        image: mysql:5.7
        env:
#        - name: MYSQL_ALLOW_EMPTY_PASSWORD
#          value: "1"
        - name: MYSQL_ROOT_PASSWORD
          valueFrom:
            secretKeyRef:
              name: mysql-secret
              key: password
        ports:
        - name: mysql
          containerPort: 3306
        volumeMounts:
        - name: data
          mountPath: /var/lib/mysql
          subPath: mysql
        - name: conf
          mountPath: /etc/mysql/conf.d
        resources:
          requests:
            cpu: 500m
            memory: 1Gi
        livenessProbe:
          exec:
            command: ["mysqladmin", "ping", "-uroot", "-p${MYSQL_ROOT_PASSWORD}"]
          initialDelaySeconds: 30
          periodSeconds: 10
          timeoutSeconds: 5
        readinessProbe:
          exec:
            command: ["mysqladmin", "ping", "-uroot", "-p${MYSQL_ROOT_PASSWORD}"]
          initialDelaySeconds: 5
          periodSeconds: 2
          timeoutSeconds: 1
      - name: xtrabackup
        image: gcr.io/google-samples/xtrabackup:1.0
        ports:
        - name: xtrabackup
          containerPort: 3307
        env:
        - name: MYSQL_ROOT_PASSWORD
          valueFrom:
            secretKeyRef:
              name: mysql-secret
              key: password
        command:
        - bash
        - "-c"
        - |
          set -ex
          cd /var/lib/mysql
          # 從備份資訊檔案裡讀取 MASTER_LOG_FILE 和 MASTER_LOG_POS 這 2 個字段的值，用來拼裝叢集初始化 SQL
          if [[ -f xtrabackup_slave_info ]]; then
            # 如果 xtrabackup_slave_info 檔案存在，說明這個備份資料來自于另一個 Slave 節點
            # 這種情況下，XtraBackup 工具在備份的時候，就已經在這個檔案裡自動生成了 "CHANGE MASTER TO" SQL 語句
            # 是以，隻需要把這個檔案重命名為 change_master_to.sql.in，後面直接使用即可
            mv xtrabackup_slave_info change_master_to.sql.in
            # 是以，也就用不着 xtrabackup_binlog_info 了
            rm -f xtrabackup_binlog_info
          elif [[ -f xtrabackup_binlog_info ]]; then
            # 如果隻是存在 xtrabackup_binlog_info 檔案，說明備份來自于 Master 節點，就需要解析這個備份資訊檔案，讀取所需的兩個字段的值
            [[ $(cat xtrabackup_binlog_info) =~ ^(.*?)[[:space:]]+(.*?)$ ]] || exit 1
            rm xtrabackup_binlog_info
            # 把兩個字段的值拼裝成 SQL，寫入 change_master_to.sql.in 檔案
            echo "CHANGE MASTER TO MASTER_LOG_FILE='${BASH_REMATCH[1]}',\
                  MASTER_LOG_POS=${BASH_REMATCH[2]}" > change_master_to.sql.in
          fi
          # 如果存在 change_master_to.sql.in，就意味着需要做叢集初始化工作
          if [[ -f change_master_to.sql.in ]]; then
            # 但一定要先等 MySQL 容器啟動之後才能進行下一步連接配接 MySQL 的操作
            echo "Waiting for mysqld to be ready（accepting connections）"
            until mysql -h 127.0.0.1 -uroot -p${MYSQL_ROOT_PASSWORD} -e "SELECT 1"; do sleep 1; done
            echo "Initializing replication from clone position"
            # 将檔案 change_master_to.sql.in 改個名字
            # 防止這個 Container 重新開機的時候，因為又找到了 change_master_to.sql.in，進而重複執行一遍初始化流程
            mv change_master_to.sql.in change_master_to.sql.orig
            # 使用 change_master_to.sql.orig 的内容，也就是前面拼裝的 SQL，組成一個完整的初始化和啟動 Slave 的 SQL 語句
            mysql -h 127.0.0.1 -uroot -p${MYSQL_ROOT_PASSWORD} << EOF
          $(< change_master_to.sql.orig),
            MASTER_HOST='mysql-0.mysql.mysql',
            MASTER_USER='root',
            MASTER_PASSWORD='${MYSQL_ROOT_PASSWORD}',
            MASTER_CONNECT_RETRY=10;
          START SLAVE;
          EOF
          fi
          # 使用 ncat 監聽 3307 端口。
          # 它的作用是，在收到傳輸請求的時候，直接執行 xtrabackup --backup 指令，備份 MySQL 的資料并發送給請求者
          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 --password=${MYSQL_ROOT_PASSWORD}"
        volumeMounts:
        - name: data
          mountPath: /var/lib/mysql
          subPath: mysql
        - name: conf
          mountPath: /etc/mysql/conf.d
      volumes:
      - name: conf
        emptyDir: {}
      - name: config-map
        configMap:
          name: mysql
  volumeClaimTemplates:
  - metadata:
      name: data
    spec:
      accessModes:
      - "ReadWriteOnce"
      storageClassName: local-storage
      resources:
        requests:
          storage: 3Gi

整體的statefulset有兩個replicas，一個Master, 一個Slave，然後使用 init-mysql 這個 initContainers 進行配置檔案的初始化。接着使用 clone-mysql 這個 initContainers 進行資料的傳輸；同時使用 xtrabackup 這個 sidecar 容器進行SQL初始化和資料傳輸功能

建立 StatefulSet

kubectl apply -f 07-mysql-statefulset.yaml

$ kubectl get po -n mysql
NAME      READY   STATUS    RESTARTS   AGE
mysql-0   2/2     Running   0          70s
mysql-1   0/2     Pending   0          5s

可以看到，StatefulSet 啟動成功後，會有兩個Pod運作。

接下來，我們可以嘗試向這個MySQL叢集發起請求，執行一些SQL操作來驗證它是否正常

服務驗證

驗證主從狀态

kubectl -n mysql exec mysql-1 -c mysql -- bash -c "mysql -uroot -p123456 -e 'show slave status \G'"


mysql: [Warning] Using a password on the command line interface can be insecure.
*************************** 1. row ***************************
               Slave_IO_State: Waiting for master to send event
                  Master_Host: mysql-0.mysql.mysql
                  Master_User: root
                  Master_Port: 3306
                Connect_Retry: 10
              Master_Log_File: mysqllog.000003
          Read_Master_Log_Pos: 154
               Relay_Log_File: mysql-1-relay-bin.000002
                Relay_Log_Pos: 319
        Relay_Master_Log_File: mysqllog.000003
             Slave_IO_Running: Yes
            Slave_SQL_Running: Yes
              Replicate_Do_DB: 
          Replicate_Ignore_DB: mysql
           Replicate_Do_Table: 
       Replicate_Ignore_Table: 
      Replicate_Wild_Do_Table: 
  Replicate_Wild_Ignore_Table: 
                   Last_Errno: 0
                   Last_Error: 
                 Skip_Counter: 0
          Exec_Master_Log_Pos: 154
              Relay_Log_Space: 528
              Until_Condition: None
               Until_Log_File: 
                Until_Log_Pos: 0
           Master_SSL_Allowed: No
           Master_SSL_CA_File: 
           Master_SSL_CA_Path: 
              Master_SSL_Cert: 
            Master_SSL_Cipher: 
               Master_SSL_Key: 
        Seconds_Behind_Master: 0
Master_SSL_Verify_Server_Cert: No
                Last_IO_Errno: 0
                Last_IO_Error: 
               Last_SQL_Errno: 0
               Last_SQL_Error: 
  Replicate_Ignore_Server_Ids: 
             Master_Server_Id: 100
                  Master_UUID: 1bad4d64-6290-11ea-8376-0242ac113802
             Master_Info_File: /var/lib/mysql/master.info
                    SQL_Delay: 0
          SQL_Remaining_Delay: NULL
      Slave_SQL_Running_State: Slave has read all relay log; waiting for more updates
           Master_Retry_Count: 86400
                  Master_Bind: 
      Last_IO_Error_Timestamp: 
     Last_SQL_Error_Timestamp: 
               Master_SSL_Crl: 
           Master_SSL_Crlpath: 
           Retrieved_Gtid_Set: 
            Executed_Gtid_Set: 
                Auto_Position: 0
         Replicate_Rewrite_DB: 
                 Channel_Name: 
           Master_TLS_Version:

接下來，我們通過Master容器建立資料庫和表、插入資料庫

kubectl -n mysql exec mysql-0 -c mysql -- bash -c "mysql -uroot -p123456 -e 'create database test’"
kubectl -n mysql exec mysql-0 -c mysql -- bash -c "mysql -uroot -p123456 -e 'use test;create table counter(c int);’"
kubectl -n mysql exec mysql-0 -c mysql -- bash -c "mysql -uroot -p123456 -e 'use test;insert into counter values(123)’"

然後，我們觀察Slave節點是否都同步到資料了

kubectl -n mysql exec mysql-1 -c mysql -- bash -c "mysql -uroot -p123456 -e 'use test;select * from counter’"  
c
123

當看到輸出結果，主從同步正常了

擴充從節點

kubectl -n mysql scale statefulset mysql -—replicas=3

$ kubectl get po -n mysql
NAME      READY   STATUS    RESTARTS   AGE
mysql-0   2/2     Running   0          22m
mysql-1   2/2     Running   0          22m
mysql-2   2/2     Running   0          20s

kubectl -n mysql exec mysql-2 -c mysql -- bash -c "mysql -uroot -p123456 -e 'use test;select * from counter’"  
c
123

實戰 Kubernetes 中部署 MySQL 叢集

實驗環境

實驗目的

本地存儲原理

實驗步驟

一、先在node （實驗用的node節點IP是172.31.170.51 ）節點上，預先配置設定幾個pv (不建議在生産上這樣操作)

二、建立 StorageClass

三、建立Namespace

四、使用 ConfigMap 為 Master/Slave 節點配置設定不同的配置檔案

五、建立mysql密碼Secret

六、使用 Service 為 MySQL 提供讀寫分離

七、使用 StatefulSet 搭建 MySQL 主從叢集

服務驗證

擴充從節點

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