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干货|如何评估Kubernetes持久化存储方案

在2018年的Garnter技术成熟度曲线中，容器存储出现在了技术触发期，已经开始进入大众的视野。我相信，在未来的两年内，容器存储会随着Kubernetes的进一步成熟和商业化，其地位会越来越重要。如何在五花八门的存储产品中，选择适合自己的一款，将会是IT大佬们必须要面对的问题。本次分享将会从使用场景角度分析，如何评估容器存储方案。

五花八门的存储概念

从用户角度看，存储就是一块盘或者一个目录，用户不关心盘或者目录如何实现，用户要求非常“简单”，就是稳定，性能好。为了能够提供稳定可靠的存储产品，各个厂家推出了各种各样的存储技术和概念。为了能够让大家有一个整体认识，本文先介绍存储中的这些概念。

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从存储介质角度，存储介质分为机械硬盘和固态硬盘（SSD）。机械硬盘泛指采用磁头寻址的磁盘设备，包括SATA硬盘和SAS硬盘。由于采用磁头寻址，机械硬盘性能一般，随机IOPS一般在200左右，顺序带宽在150MB/s左右。固态硬盘是指采用Flash/DRAM芯片+控制器组成的设备，根据协议的不同，又分为SATA SSD，SAS SSD，PCIe SSD和NVMe SSD。

从产品定义角度，存储分为本地存储（DAS），网络存储（NAS），存储局域网（SAN）和软件定义存储（SDS）四大类。

  • DAS就是本地盘，直接插到服务器上

  • NAS是指提供NFS协议的NAS设备，通常采用磁盘阵列+协议网关的方式

  • SAN跟NAS类似，提供SCSI/iSCSI协议，后端是磁盘阵列

  • SDS是一种泛指，包括分布式NAS（并行文件系统），ServerSAN等

从应用场景角度，存储分为文件存储（Posix/MPI），块存储（iSCSI/Qemu）和对象存储（S3/Swift）三大类。

Kubernetes是如何给存储定义和分类呢？Kubernetes中跟存储相关的概念有PersistentVolume （PV）和PersistentVolumeClaim（PVC），PV又分为静态PV和动态PV。静态PV方式如下：

干货 | 如何评估Kubernetes持久化存储方案

动态PV需要引入StorageClass的概念，使用方式如下：

干货 | 如何评估Kubernetes持久化存储方案

社区列举出PersistentVolume的in-tree Plugin，如下图所示。从图中可以看到，Kubernetes通过访问模式给存储分为三大类，RWO/ROX/RWX。这种分类将原有的存储概念混淆，其中包含存储协议，存储开源产品，存储商业产品，公有云存储产品等等。

干货 | 如何评估Kubernetes持久化存储方案

如何将Kubernetes中的分类和熟知的存储概念对应起来呢？本文选择将其和应用场景进行类比。

  1. 块存储通常只支持RWO，比如AWSElasticBlockStore，Azuredisk，有些产品能做到支持ROX，比如GCEPersistentDisk，RBD，ScaleIO等

  2. 文件存储（分布式文件系统）支持RWO/ROX/RWX三种模式，比如CephFS，GlusterFS和AzureFile

  3. 对象存储不需要PV/PVC来做资源抽象，应用可以直接访问和使用

这里不得不吐槽Kubernetes社区前期对存储层的抽象，一个字——乱，把开源项目和商业项目都纳入进来。现在社区已经意识到问题并设计了统一的存储接口层——Flexvolume/CSI。目前来看，CSI将会是Kubernetes的主流，做了完整的存储抽象层。

多种多样的应用场景

介绍完存储概念之后，选择哪种存储仍然悬而未决。这个时候，请问自己一个问题，业务是什么类型？选择合适的存储，一定要清楚自己的业务对存储的需求。本文整理了使用容器存储的场景及其特点。

配置

无论集群配置信息还是应用配置信息，其特点是并发访问，也就是前边提到的ROX/RWX，在不同集群或者不同节点，都能够访问同样的配置文件，分布式文件存储是最优选择。

日志

在容器场景中，日志是很重要的一部分内容，其特点是高吞吐，有可能会产生大量小文件。如果有日志分析场景，还会有大量并发读操作。分布式文件存储是最优选择。

应用（数据库/消息队列/大数据）

Kafka，MySQL，Cassandra，PostgreSQL，ElasticSearch，HDFS等应用，本身具备了存储数据的能力，对底层存储的要求就是高IOPS，低延迟。底层存储最好有数据冗余机制，上层应用就可以避免复杂的故障和恢复处理。以HDFS为例，当某个datanode节点掉线后，原有逻辑中，会选择启动新的datanode，触发恢复逻辑，完成数据副本补全，这段时间会比较长，而且对业务影响也比较大。如果底层存储有副本机制，HDFS集群就可以设置为单副本，datanode节点掉线后，启动新的datanode，挂载原有的pv，集群恢复正常，对业务的影响缩短为秒级。高性能分布式文件存储和高性能分布式块存储是最优选择。

备份

应用数据的备份或者数据库的备份，其特点是高吞吐，数据量大，低成本。文件存储和对象存储最优。

综合应用场景，高性能文件存储是最优选择。

形形×××的存储产品

市面上的存储产品种类繁多，但是对于容器场景，主要集中在4种方案：分布式文件存储，分布式块存储，Local-Disk和传统NAS。

分布式块存储包括开源社区的Ceph，Sheepdog，商业产品中EMC的Scale IO，Vmware的vSAN等。分布式块存储不适合容器场景，关键问题是缺失RWX的特性。

分布式文件存储包括开源社区的Glusterfs，Cephfs，Lustre，Moosefs，Lizardfs，商业产品中EMC的isilon，IBM的GPFS等。分布式文件存储适合容器场景，但是性能问题比较突出，主要集中在GlusterFS，CephFS，MooseFS/LizardFS。

这里简单对比下开源项目的优缺点，仅供参考。

干货 | 如何评估Kubernetes持久化存储方案

Local-Disk方案有明显的缺点，尤其是针对数据库，大数据类的应用。节点故障后，数据的恢复时间长，对业务影响范围广。

传统NAS也是一种文件存储，但是协议网关（机头）是性能瓶颈，传统NAS已经跟不上时代发展的潮流。

分门别类的评估策略

存储的核心需求是稳定，可靠，可用。无论是开源的存储项目还是商业的存储产品，评估方法具有普适性，本文会介绍常见的评估项和评估方法。

数据可靠性

数据可靠性是指数据不丢失的概率。通常情况下，存储产品会给出几个9的数据可靠性，或者给出最多允许故障盘/节点个数。评估方式就是暴力拔盘，比如说存储提供3副本策略，拔任意2块盘，只要数据不损坏，说明可靠性没问题。存储采用不同的数据冗余策略，提供的可靠性是不一样的。

数据可用性

数据可用性和数据可靠性很容易被混淆，可用性指的是数据是否在线。比如存储集群断电，这段时间数据是不在线，但是数据没有丢失，集群恢复正常后，数据可以正常访问。评估可用性的主要方式是拔服务器电源，再有查看存储的部署组件是否有单点故障的可能。

数据一致性

数据一致性是最难评估的一项，因为大部分场景用户不知道程序写了哪些数据，写到了哪里。该如何评估数据一致性呢？普通的测试工具可以采用fio开启crc校验选项，最好的测试工具就是数据库。如果发生了数据不一致的情况，数据库要么起不来，要么表数据不对。具体的测试用例还要细细斟酌。

存储性能

存储的性能测试很有讲究，块存储和文件存储的侧重点也不一样。

  • 块存储

fio/iozone是两个典型的测试工具，重点测试IOPS，延迟和带宽。以fio为例，测试命令如下：

fio -filename=/dev/sdc -iodepth=${iodepth} -direct=1 -bs=${bs} -size=100% --rw=${iotype} -thread -time_based -runtime=600 -ioengine=${ioengine} -group_reporting -name=fioTest

关注几个主要参数：iodepth，bs，rw和ioengine。

测试IOPS，iodepth=32/64/128，bs=4k/8k，rw=randread/randwrite，ioengine=libaio

测试延迟，iodepth=1，bs=4k/8k，rw=randread/randwrite，ioengine=sync

测试带宽，iodepth=32/64/128，bs=512k/1m，rw=read/write，ioengine=libaio

  • 文件存储

fio/vdbench/mdtest是测试文件系统常用的工具，fio/vdbench用来评估IOPS，延迟和带宽，mdtest评估文件系统元数据性能。以fio和mdtest为例，测试命令如下：

fio -filename=/mnt/yrfs/fio.test -iodepth=1 -direct=1 -bs=${bs} -size=500G --rw=${iotype} -numjobs=${numjobs} -time_based -runtime=600 -ioengine=sync -group_reporting -name=fioTest

与块存储的测试参数有一个很大区别，就是ioengine都是用的sync，用numjobs替换iodepth。

测试IOPS，bs=4k/8k，rw=randread/randwrite，numjobs=32/64

测试延迟，bs=4k/8k，rw=randread/randwrite，numjobs=1

测试带宽，bs=512k/1m，rw=read/write，numjobs=32/64

mdtest是专门针对文件系统元数据性能的测试工具，主要测试指标是creation和stat，需要采用mpirun并发测试：

mpirun --allow-run-as-root -mca btl_openib_allow_ib 1 -host yanrong-node0:${slots},yanrong-node1:${slots},yanrong-node2:${slots} -np ${num_procs} mdtest -C -T -d /mnt/yrfs/mdtest -i 1 -I ${files_per_dir} -z 2 -b 8 -L -F -r -u

存储性能测试不仅仅测试集群正常场景下的指标，还要包含其他场景：

  1. 存储容量在70%以上或者文件数量上亿的性能指标

  2. 节点/磁盘故障后的性能指标

  3. 扩容过程时的性能指标

容器存储功能

除了存储的核心功能（高可靠/高可用/高性能），对于容器存储，还需要几个额外的功能保证生产环境的稳定可用。

  1. Flexvolume/CSI接口的支持，动态/静态PV的支持

  2. 存储配额。对于Kubernetes的管理员来说，存储的配额是必须的，否则存储的使用空间会处于不可控状态

  3. 服务质量（QoS）。如果没有QoS，存储管理员只能期望存储提供其他监控指标，以保证在集群超负荷时，找出罪魁祸首

万变不离其宗的选择

Kubernetes持久化存储方案的重点在存储和容器支持上。因此首要考虑存储的核心功能和容器的场景支持。综合本文所述，将选择项按优先级列举：

  1. 存储的三大核心，高可靠，高可用和高性能

  2. 业务场景，选择分布式文件存储

  3. 扩展性，存储能横向扩展，应对业务增长需求

  4. 可运维性，存储的运维难度不亚于存储的开发，选择运维便捷存储产品

  5. 成本

Q&A

Q：你好，我们公司采用GlusterFS存储，挂载三块盘，现在遇到高并发写小文件（4KB）吞吐量上不去（5MB/S），请问有什么比较好的监控工具或方法么？谢谢！
A：GlusterFS本身对小文件就很不友好，GlusterFS是针对备份场景设计的，不建议用在小文件场景，如果可以的话，要么程序做优化进行小文件合并，要么选用高性能的分布式文件存储，建议看看Lustre或者YRCloudFile。

Q：我们用的是Ceph分布式存储，目前有一个场景是客户视频存储，而对于持续的写入小文件存在丢帧的现象，经过我们系统级别和底层文件系统调优，加上Ceph参数的设置，勉强性能得改善，但是数据量上来性能会如何也不得而知道了（经过客户裸盘测试，前面用软RAID方式性能还是可以）请问在这方面你有什么建议么？谢谢！我们客户是在特殊的场景下，属于特定机型，而且是5400的sata盘！rbd块存储！还有一个现象就是磁盘利用率不均，这也是影响性能的一个人原因，即便我们在调pg数，也会有这个问题。在额外请教一个问题，bcache可以用内存做缓存么？FlushCache相比，这两个哪个会更好一点？
A：您用的是CephFS还是rbdc因为Ceph在性能上缺失做的还不够，有很多队列，导致延迟很不稳定，这个时候，只能忍了，不过还是建议用Bcache做一层缓存，可以有效缓解性能问题。Crush算法虽然比一致性hash要好很多，但是因为没有元数据，还是很难控制磁盘热点问题。FlushCache已经没有人维护了，Bcache还有团队在维护，所以如果自己没有能力，就选用Bcache。

Q：我看您推荐分布式文件存储，文件系统能满足数据库应用的需求吗？块存储会不会好一些？
A：首先，我推荐的是高性能分布式文件系统。数据库一般对延迟都比较敏感，普通的万兆网络+HDD肯定不行，需要采用SSD，一般能将延迟稳定在毫秒以内，通常能够满足要求。如果对延迟有特别要求，可以采用NVMe + RoCE的方案，即使在大压力下，延迟也能稳定在300微秒以内。

Q：请问为什么说块存储不支持RWX？RWX就是指多个节点同时挂载同一块块设备并同时读写吗？很多FC存储都可以做到。
A：传统的SAN要支持RWX，需要ALUA机制，而且这是块级别的多读写，如果要再加上文件系统，是没办法做到的，这需要分布式文件系统来做文件元数据信息同步。

Q：传统SAN支持对同一数据块的并行读写，很多AA阵列都不是用ALUA的，而是多条路径同时有IO，当然要用到多路径软件。相反用ALUA的不是AA阵列。
A：AA阵列解决的是高可用问题，对同一个lun的并发读写，需要trunk级的锁去保证数据一致性，性能不好。

Q：很多传统商业存储，包括块存储，也都做了CSI相关的插件，是不是如果在容器里跑一些性能要求高的业务，这些商业的块存储比文件存储合适？
A：生产环境中，我强烈建议选用商业存储。至于块存储还是文件存储，要看您的业务场景。首选是商业的文件存储。

Q：请问现在的Kubernetes环境下，海量小文件RWX场景，有什么相对比较好的开源分布式存储解决方案么？
A：开源的分布式文件存储项目中，没有能解决海量小文件的，我在文中已经将主流开源文件系统都分析了一遍，在设计之初，都是针对备份场景或者HPC领域。

Q：请问，为什么说Ceph性能不好，有依据吗？
A：直接用数据说话，我们用NVMe + Ceph + Bluestore测试出来的，延迟在毫秒级以上，而且很不稳定，我们用YRCloudFile + NVMe + RoCE，延迟能50微秒左右，差了几十倍。

Q：Lustre没接触过，性能好吗，和Ceph有对比过吗？
A：网上有很多Lustre的性能指标，在同样的配置下，性能绝对要比Ceph好，不过Lustre全部都是内核态的，容器场景没办法用，而且按照部署以及运维难度非常大。Lustre在超算用的比较广泛。

Q：Lustre只能靠本地磁盘阵列来保证数据冗余么？
A：Lustre本身不提供冗余机制，都是靠本地阵列的，不过EC好像已经在开发计划中了。

Q：（对于小公司）如果不选用商业存储，那么推荐哪款开源实现作为生产存储（可靠，高性能）。我们之前试了NFS发现速度不稳定？
A：国内还是有很多创业公司，也不贵的。存储不像其他项目，存储经不起折腾，一定要用稳定可靠的，Ceph/GlusterFS做了这么久，大家在采购的时候，还是会依托于某家商业公司来做，自己生产环境用开源项目，风险太大了。

以上内容根据2019年1月10日晚微信群分享内容整理。分享人张文涛，北京焱融科技存储架构师，负责容器存储产品的架构设计和研发。

关于焱融云

焱融云是一家以软件定义存储技术为核心竞争力的高新技术企业，在分布式存储等关键技术上拥有自主知识产权，是高性能分布式存储解决方案的行业领导者。针对各行业业务特性，打造个性化行业解决方案，提供一站式的产品与服务。焱融云系列产品已服务于金融、政府、制造业、互联网等行业的众多客户。了解更多焱融科技信息，请访问官网http://www.yanrongyun.com。


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