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Kubernetes部署MySQL主從服務(wù)

2021-11-04 09:33:43 shuai.chang
一般情況下Kubernetes可以通過(guò)ReplicaSet以一個(gè)Pod模板創(chuàng )建多個(gè)Pod副本,但是它們都是無(wú)狀態(tài)的,任何時(shí)候它們都可以被一個(gè)全新的Pod替換。然而有狀態(tài)的Pod需要另外的方案確保當一個(gè)有狀態(tài)的Pod掛掉后,這個(gè)Pod實(shí)例需要在別的節點(diǎn)上重建,但是新的實(shí)例必須與被替換的實(shí)例擁有相同的名稱(chēng)、網(wǎng)絡(luò )標識和狀態(tài)。這就是StatefulSet管理Pod的手段。


對于容器集群,有狀態(tài)服務(wù)的挑戰在于,通常集群中的任何節點(diǎn)都并非100%可靠的,服務(wù)所需的資源也會(huì )動(dòng)態(tài)地更新改變。當節點(diǎn)由于故障或服務(wù)由于需要更多的資源而無(wú)法繼續運行在原有節點(diǎn)上時(shí),集群管理系統會(huì )為該服務(wù)重新分配一個(gè)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(huì )中斷。若采用本地存儲,當服務(wù)漂移后數據并不會(huì )隨著(zhù)服務(wù)轉移到新的節點(diǎn),重啟服務(wù)就會(huì )出現數據丟失的困境。

本文目的是通過(guò)一個(gè)MySQL的主從集群搭建,深入了解Kubernetes的StatfulSet管理。為了降低實(shí)驗的外部依賴(lài),存儲層面上,我采用的是本地存儲,當然生產(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(dòng)態(tài)供給的特性,允許開(kāi)發(fā)人員通過(guò)PVC的定義,快速實(shí)現數據有效存儲,所以你絕不應該把一個(gè)宿主機上的目錄當作PV使用, 只是本文用于實(shí)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。




  • Kubernetes Master

  • Kubernetes Node (測試演示,所有的副本都會(huì )在其上運行)

  • Kubernetes DNS服務(wù)已開(kāi)啟




實(shí)驗目的

  • 搭建一個(gè)主從復制(Master-Slave)的MySQL集群

  • 從節點(diǎn)可以水平擴展

  • 所有的寫(xiě)操作只能在主節點(diǎn)上執行

  • 讀操作可以在主從節點(diǎn)上執行

  • 從節點(diǎn)能同步主節點(diǎn)的數據




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(shuō),用戶(hù)希望Kubernetes能夠直接使用宿主機上的本地磁盤(pán)目錄,而不依賴(lài)于遠程存儲服務(wù),來(lái)提供持久化的容器Volume。不過(guò)這里有個(gè)難點(diǎn):

我們把存儲固定在一個(gè)節點(diǎn)上,但是Pod在調度的時(shí)候,是飄來(lái)飄去的,怎么能讓Pod通過(guò)PVC也能固定在PVC上?

給這個(gè)Pod加上一個(gè)nodeAffinity行不行?

當然行,但是這變相破壞了開(kāi)發(fā)人員對資源對象的定義規范了,開(kāi)發(fā)人員應該不需要時(shí)刻考慮調度的細節。調度的改動(dòng)應該交給運維就行。所以我們?yōu)榱藢?shí)現本地存儲,我們采用了延遲綁定的方法。方法很簡(jiǎn)單,我們都知道StorageClass一般由運維人員設計,我們只需要在StorageClass指定no-provisioner。這是因為L(cháng)ocal Persistent Volume目前尚不支持Dynamic Provisioning,所以它沒(méi)辦法在用戶(hù)創(chuàng )建PVC的時(shí)候,就自動(dòng)創(chuàng )建出對應的PV。與此同時(shí),這個(gè)StorageClass還定義了一個(gè)volumeBindingMode=WaitForFirstConsumer的屬性。它是Local Persistent Volume里一個(gè)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(shí)驗步驟

一、先在Node (實(shí)驗用的Node節點(diǎn)IP是172.31.170.51 )節點(diǎn)上,預先分配幾個(gè)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(shí)驗用途才這樣手動(dòng)預先創(chuàng )建,正規的做法應該通過(guò)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


執行創(chuàng )建:


kubectl apply -f 03-mysql-namespace.yaml

namespace/mysql created



四、使用ConfigMap為Master/Slave節點(diǎn)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 )建執行:


kubectl apply -f 05-mysql-secret.yaml

secret/mysql-secret created



六、使用Service為MySQL提供讀寫(xiě)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(hù)所有寫(xiě)請求,必須以DNS記錄的方式直接訪(fǎng)問(wèn)到Master節點(diǎn),也就是mysql-0.mysql這條DNS記錄。

用戶(hù)所有讀請求,必須訪(fǎng)問(wèn)自動(dòng)分配的DNS記錄可以被轉發(fā)到任意一個(gè)Master或Slave節點(diǎn)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

07-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
          [[ $(hostname) =~ -([0-9]+)$ ]] || exit 1
          ordinal=${BASH_REMATCH[1]}
          echo [mysqld] > /mnt/conf.d/server-id.cnf
          # 由于server-id不能為0,因此給ID加100來(lái)避開(kāi)它
          echo server-id=$((100 + $ordinal)) >> /mnt/conf.d/server-id.cnf
          # 如果Pod的序號為0,說(shuō)明它是Master節點(diǎn),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 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
          # 拷貝操作只需要在第一次啟動(dòng)時(shí)進(jìn)行,所以數據已經(jīng)存在則跳過(guò)
          [[ -d /var/lib/mysql/mysql ]] && exit 0
          # Master 節點(diǎn)(序號為 0)不需要這個(gè)操作
          [[ $(hostname) =~ -([0-9]+)$ ]] || exit 1
          ordinal=${BASH_REMATCH[1]}
          [[ $ordinal == 0 ]] && exit 0
          # 使用ncat指令,遠程地從前一個(gè)節點(diǎn)拷貝數據到本地
          ncat --recv-only mysql-$(($ordinal-1)).mysql 3307 | xbstream -x -C /var/lib/mysql
          # 執行 --prepare,這樣拷貝來(lái)的數據就可以用作恢復了
          xtrabackup --prepare --target-dir=/var/lib/mysql
        volumeMounts:
        - name: data
          mountPath: /var/lib/mysql
          subPath: mysql
        - name: conf
          mountPath: /etc/mysql/conf.d
      containers:
      - name: mysql
        image: mysql:5.7
        env:
#        - name: MYSQL_ALLOW_EMPTY_PASSWORD
#          value: "1"
        - name: MYSQL_ROOT_PASSWORD
          valueFrom:
            secretKeyRef:
              name: mysql-secret
              key: password
        ports:
        - name: mysql
          containerPort: 3306
        volumeMounts:
        - name: data
          mountPath: /var/lib/mysql
          subPath: mysql
        - name: conf
          mountPath: /etc/mysql/conf.d
        resources:
          requests:
            cpu: 500m
            memory: 1Gi
        livenessProbe:
          exec:
            command: ["mysqladmin", "ping", "-uroot", "-p${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(gè)字段的值,用來(lái)拼裝集群初始化SQL
          if [[ -f xtrabackup_slave_info ]]; then
            # 如果xtrabackup_slave_info文件存在,說(shuō)明這個(gè)備份數據來(lái)自于另一個(gè)Slave節點(diǎn)
            # 這種情況下,XtraBackup工具在備份的時(shí)候,就已經(jīng)在這個(gè)文件里自動(dòng)生成了“CHANGE MASTER TO”SQL語(yǔ)句
            # 所以,只需要把這個(gè)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(zhù)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(shuō)明備份來(lái)自于Master節點(diǎn),就需要解析這個(gè)備份信息文件,讀取所需的兩個(gè)字段的值
            [[ $(cat xtrabackup_binlog_info) =~ ^(.*?)[[:space:]]+(.*?)$ ]] || exit 1
            rm xtrabackup_binlog_info
            # 把兩個(gè)字段的值拼裝成SQL,寫(xiě)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(zhù)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(dòng)之后才能進(jìn)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${MYSQL_ROOT_PASSWORD} -e "SELECT 1"; do sleep 1; done
            echo "Initializing replication from clone position"
            # 將文件change_master_to.sql.in改個(gè)名字
            # 防止這個(gè)Container重啟的時(shí)候,因為又找到了change_master_to.sql.in,從而重復執行一遍初始化流程
            mv change_master_to.sql.in change_master_to.sql.orig
            # 使用change_master_to.sql.orig的內容,也就是前面拼裝的SQL,組成一個(gè)完整的初始化和啟動(dòng)Slave的SQL語(yǔ)句
            mysql -h 127.0.0.1 -uroot -p${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(tīng)3307端口。
          # 它的作用是,在收到傳輸請求的時(shí)候,直接執行xtrabackup --backup命令,備份MySQL的數據并發(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(gè)Replicas,一個(gè)Master,一個(gè)Slave,然后使用init-mysql這個(gè)initContainers進(jìn)行配置文件的初始化。接著(zhù)使用clone-mysql這個(gè)initContainers進(jìn)行數據的傳輸;同時(shí)使用xtrabackup這個(gè)sidecar容器進(jìn)行SQL初始化和數據傳輸功能。


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  0          70s
mysql-1  0/2    Pending  0          5s


可以看到,StatefulSet啟動(dòng)成功后,會(huì )有兩個(gè)Pod運行。

接下來(lái),我們可以嘗試向這個(gè)MySQL集群發(fā)起請求,執行一些SQL操作來(lái)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(lái),我們通過(guò)Master容器創(chuàng )建數據庫和表、插入數據庫。


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)’"


然后,我們觀(guān)察Slave節點(diǎn)是否都同步到數據了。


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。




擴展從節點(diǎn)

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


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


這時(shí)候,一個(gè)新的mysql-2就創(chuàng )建出來(lái)了,我們繼續驗證新擴容的節點(diǎn)是否都同步到主節點(diǎn)的數據。


kubectl -n mysql exec mysql-2 -c mysql -- bash -c "mysql -uroot -p123456 -e 'use test;select * from counter’" 
c
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當看到輸出結果,主從同步正常了。也就是說(shuō)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(shuō),我們的數據備份和恢復,都是有效的。





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