Kubernetes中部署MySQL集群

一般情況下 Kubernetes 可以通過 ReplicaSet 以一個 Pod 模板創(chuàng)建多個 pod 副本，但是它們都是無狀態(tài)的，任何時候它們都可以被一個全新的 pod 替換。然而有狀態(tài)的 pod 需要另外的方案確保當(dāng)一個有狀態(tài)的 pod 掛掉后，這個 pod 實例需要在別的節(jié)點上重建，但是新的實例必須與被替換的實例擁有相同的名稱、網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識和狀態(tài)。這就是 Statefulset 管理 pod 的手段。

對于容器集群，有狀態(tài)服務(wù)的挑戰(zhàn)在于，通常集群中的任何節(jié)點都并非100%可靠的，服務(wù)所需的資源也會動態(tài)地更新改變。當(dāng)節(jié)點由于故障或服務(wù)由于需要更多的資源而無法繼續(xù)運行在原有節(jié)點上時，集群管理系統(tǒng)會為該服務(wù)重新分配一個新的運行位置，從而確保從整體上看，集群對外的服務(wù)不會中斷。若采用本地存儲，當(dāng)服務(wù)漂移后數(shù)據(jù)并不會隨著服務(wù)轉(zhuǎn)移到新的節(jié)點，重啟服務(wù)就會出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的困境。

本文目的是通過一個 mysql 的主從集群搭建，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(dāng)然生產(chǎn)上不建議這樣做，生產(chǎn)環(huán)境的存儲推薦官方介紹到的的 gce、nfs、ceph等存儲方案，因為這些方案支持動態(tài)供給的特性，允許開發(fā)人員通過 pvc 的定義，快速實現(xiàn)數(shù)據(jù)有效存儲，所以你絕不應(yīng)該把一個宿主機上的目錄當(dāng)作 PV 使用， 只是本文用于實驗需要，采用 Local Persistent Volume 的手段，目的只是為了驗證 Statefulset 的狀態(tài)管理功能。

實驗環(huán)境

kubernetes Master

kubernetes Node（測試演示，所有的副本都會在其上運行）

kubernetes DNS 服務(wù)已開啟

實驗?zāi)康?/p>

搭建一個主從復(fù)制（Master-Slave）的 MySQL 集群

從節(jié)點可以水平擴展

所有的寫操作只能在主節(jié)點上執(zhí)行

讀操作可以在主從節(jié)點上執(zhí)行

從節(jié)點能同步主節(jié)點的數(shù)據(jù)

本地存儲原理

為了快速搭建測試環(huán)境，我們這里使用了本地存儲，也就是說，用戶希望 Kubernetes 能夠直接使用宿主機上的本地磁盤目錄，而不依賴于遠程存儲服務(wù)，來提供持久化的容器 Volume。不過這里有個難點：我們把存儲固定在一個節(jié)點上，但是pod在調(diào)度的時候，是飄來飄去的，怎么能讓pod通過pvc也能固定在pv上？

給這個 Pod 加上一個 nodeAffinity 行不行？

當(dāng)然行，但是這變相破壞了開發(fā)人員對資源對象的定義規(guī)范了，開發(fā)人員應(yīng)該不需要時刻考慮調(diào)度的細節(jié)。調(diào)度的改動應(yīng)該交給運維就行。所以我們?yōu)榱藢崿F(xiàn)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(shè)計，我們只需要在storageclass 指定 no-provisioner。這是因為 Local Persistent Volume 目前尚不支持 Dynamic Provisioning，所以它沒辦法在用戶創(chuàng)建 PVC 的時候，就自動創(chuàng)建出對應(yīng)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 里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(jié)點IP是172.31.170.51 ）節(jié)點上，預(yù)先分配幾個pv (不建議在生產(chǎn)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，這是在生產(chǎn)上不推薦的做法，我只是實驗用途才這樣手動預(yù)先創(chuàng)建，正規(guī)的做法應(yīng)該通過storageclass采用 Dynamic Provisioning， 而不是 Static Provisioning 機制生產(chǎn)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、創(chuàng)建 StorageClass

02-storageclass.yaml

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

執(zhí)行創(chuàng)建

kubectl apply -f 02-storageclass.yaml

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

三、創(chuàng)建Namespace

03-mysql-namespace.yaml

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

執(zhí)行創(chuàng)建

kubectl apply -f 03-mysql-namespace.yaml

namespace/mysql created

四、使用 ConfigMap 為 Master/Slave 節(jié)點分配不同的配置文件

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

創(chuàng)建執(zhí)行

kubectl apply -f 04-mysql-configmap.yaml

configmap/mysql created

五、創(chuàng)建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

創(chuàng)建執(zhí)行

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

用戶所有寫請求，必須以 DNS 記錄的方式直接訪問到 Master 節(jié)點，也就是 mysql-0.mysql 這條 DNS 記錄。

用戶所有讀請求，必須訪問自動分配的 DNS 記錄可以被轉(zhuǎn)發(fā)到任意一個 Master 或 Slave 節(jié)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                 3306/TCP   20s
mysql-read   ClusterIP   10.0.0.63            3306/TCP   20s

七、使用 StatefulSet 搭建 MySQL 主從集群

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 的序號，生成 server-id
          [[ $(hostname) =~ -([-9]+)$ ]] || exit 1
          ordinal=${BASH_REMATCH[1]}
          echo [mysqld] > /mnt/conf.d/server-id.cnf
          # 由于 server-id 不能為 ，因此給 ID 加 100 來避開它
          echo server-id=$((100 + $ordinal)) >> /mnt/conf.d/server-id.cnf
          # 如果 Pod 的序號為 ，說明它是 Master 節(jié)點，從 ConfigMap 里把 Master 的配置文件拷貝到 /mnt/conf.d 目錄下
          # 否則，拷貝 ConfigMap 里的 Slave 的配置文件
          if [[ ${ordinal} -eq  ]]; 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
          # 拷貝操作只需要在第一次啟動時進行，所以數(shù)據(jù)已經(jīng)存在則跳過
          [[ -d /var/lib/mysql/mysql ]] && exit 
          # Master 節(jié)點（序號為 ）不需要這個操作
          [[ $(hostname) =~ -([-9]+)$ ]] || exit 1
          ordinal=${BASH_REMATCH[1]}
          [[ $ordinal ==  ]] && exit 
          # 使用 ncat 指令，遠程地從前一個節(jié)點拷貝數(shù)據(jù)到本地
          ncat --recv-only mysql-$(($ordinal-1)).mysql 3307 | xbstream -x -C /var/lib/mysql
          # 執(zhí)行 --prepare，這樣拷貝來的數(shù)據(jù)就可以用作恢復(fù)了
          xtrabackup --prepare --target-dir=/var/lib/mysql
        volumeMounts:
        - name: data
          mountPath: /var/lib/mysql
          subPath: mysql
        - name: conf
          mountPath: /etc/mysql/conf.d
      containers:
      - name: mysql
        image: mysql:5.7
        env:
#        - name: MYSQL_ALLOW_EMPTY_PASSWORD
#          value: "1"
        - name: MYSQL_ROOT_PASSWORD
          valueFrom:
            secretKeyRef:
              name: mysql-secret
              key: password
        ports:
        - name: mysql
          containerPort: 3306
        volumeMounts:
        - name: data
          mountPath: /var/lib/mysql
          subPath: mysql
        - name: conf
          mountPath: /etc/mysql/conf.d
        resources:
          requests:
            cpu: 500m
            memory: 1Gi
        livenessProbe:
          exec:
            command: ["mysqladmin", "ping", "-uroot", "-p${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
          # 從備份信息文件里讀取 MASTER_LOG_FILE 和 MASTER_LOG_POS 這 2 個字段的值，用來拼裝集群初始化 SQL
          if [[ -f xtrabackup_slave_info ]]; then
            # 如果 xtrabackup_slave_info 文件存在，說明這個備份數(shù)據(jù)來自于另一個 Slave 節(jié)點
            # 這種情況下，XtraBackup 工具在備份的時候，就已經(jīng)在這個文件里自動生成了 "CHANGE MASTER TO" SQL 語句
            # 所以，只需要把這個文件重命名為 change_master_to.sql.in，后面直接使用即可
            mv xtrabackup_slave_info change_master_to.sql.in
            # 所以，也就用不著 xtrabackup_binlog_info 了
            rm -f xtrabackup_binlog_info
          elif [[ -f xtrabackup_binlog_info ]]; then
            # 如果只是存在 xtrabackup_binlog_info 文件，說明備份來自于 Master 節(jié)點，就需要解析這個備份信息文件，讀取所需的兩個字段的值
            [[ $(cat xtrabackup_binlog_info) =~ ^(.*?)[[]]+(.*?)$ ]] || exit 1
            rm xtrabackup_binlog_info
            # 把兩個字段的值拼裝成 SQL，寫入 change_master_to.sql.in 文件
            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，就意味著需要做集群初始化工作
          if [[ -f change_master_to.sql.in ]]; then
            # 但一定要先等 MySQL 容器啟動之后才能進行下一步連接 MySQL 的操作
            echo "Waiting for mysqld to be ready（accepting connections）"
            until mysql -h 127.0.0.1 -uroot -p${MYSQL_ROOT_PASSWORD} -e "SELECT 1"; do sleep 1; done
            echo "Initializing replication from clone position"
            # 將文件 change_master_to.sql.in 改個名字
            # 防止這個 Container 重啟的時候，因為又找到了 change_master_to.sql.in，從而重復(fù)執(zhí)行一遍初始化流程
            mv change_master_to.sql.in change_master_to.sql.orig
            # 使用 change_master_to.sql.orig 的內(nèi)容，也就是前面拼裝的 SQL，組成一個完整的初始化和啟動 Slave 的 SQL 語句
            mysql -h 127.0.0.1 -uroot -p${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(jiān)聽 3307 端口。
          # 它的作用是，在收到傳輸請求的時候，直接執(zhí)行 xtrabackup --backup 命令，備份 MySQL 的數(shù)據(jù)并發(fā)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，然后使用 init-mysql 這個 initContainers 進行配置文件的初始化。接著使用 clone-mysql 這個 initContainers 進行數(shù)據(jù)的傳輸；同時使用 xtrabackup 這個 sidecar 容器進行SQL初始化和數(shù)據(jù)傳輸功能

創(chuàng)建 StatefulSet

kubectl apply -f 07-mysql-statefulset.yaml

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

可以看到，StatefulSet 啟動成功后，會有兩個Pod運行。

接下來，我們可以嘗試向這個MySQL集群發(fā)起請求，執(zhí)行一些SQL操作來驗證它是否正常

服務(wù)驗證

驗證主從狀態(tài)

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容器創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫和表、插入數(shù)據(jù)庫

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

然后，我們觀察Slave節(jié)點是否都同步到數(shù)據(jù)了

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

當(dāng)看到輸出結(jié)果，主從同步正常了

擴展從節(jié)點

在有了 StatefulSet 以后，你就可以像 Deployment 那樣，非常方便地擴展這個 MySQL 集群，比如

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

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

SQL復(fù)制全屏

這時候，一個新的mysql-2就創(chuàng)建出來了，我們繼續(xù)驗證新擴容的節(jié)點是否都同步到主節(jié)點的數(shù)據(jù)

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

當(dāng)看到輸出結(jié)果，主從同步正常了。也就是說從 StatefulSet 為我們新創(chuàng)建的 mysql-2 上，同樣可以讀取到之前插入的記錄。也就是說，我們的數(shù)據(jù)備份和恢復(fù)，都是有效的。

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