18 | 深入理解StatefulSet（一）：拓扑状态
你好，我是张磊。今天我和你分享的主题是：深入理解 StatefulSet 之拓扑状态。
在上一篇文章中，我在结尾处讨论到了 Deployment 实际上并不足以覆盖所有的应用编排问题。
造成这个问题的根本原因，在于 Deployment 对应用做了一个简单化假设。
它认为，一个应用的所有 Pod，是完全一样的。所以，它们互相之间没有顺序，也无所谓运行在哪台宿主机上。需要的时候，Deployment 就可以通过 Pod 模板创建新的 Pod；不需要的时候，Deployment 就可以“杀掉”任意一个 Pod。
但是，在实际的场景中，并不是所有的应用都可以满足这样的要求。
尤其是分布式应用，它的多个实例之间，往往有依赖关系，比如：主从关系、主备关系。
还有就是数据存储类应用，它的多个实例，往往都会在本地磁盘上保存一份数据。而这些实例一旦被杀掉，即便重建出来，实例与数据之间的对应关系也已经丢失，从而导致应用失败。
所以，这种实例之间有不对等关系，以及实例对外部数据有依赖关系的应用，就被称为“有状态应用”（Stateful Application）。
容器技术诞生后，大家很快发现，它用来封装“无状态应用”（Stateless Application），尤其是 Web 服务，非常好用。但是，一旦你想要用容器运行“有状态应用”，其困难程度就会直线上升。而且，这个问题解决起来，单纯依靠容器技术本身已经无能为力，这也就导致了很长一段时间内，“有状态应用”几乎成了容器技术圈子的“忌讳”，大家一听到这个词，就纷纷摇头。
不过，Kubernetes 项目还是成为了“第一个吃螃蟹的人”。
得益于“控制器模式”的设计思想，Kubernetes 项目很早就在 Deployment 的基础上，扩展出了对“有状态应用”的初步支持。这个编排功能，就是：StatefulSet。
StatefulSet 的设计其实非常容易理解。它把真实世界里的应用状态，抽象为了两种情况：
拓扑状态。这种情况意味着，应用的多个实例之间不是完全对等的关系。这些应用实例，必须按照某些顺序启动，比如应用的主节点 A 要先于从节点 B 启动。而如果你把 A 和 B 两个 Pod 删除掉，它们再次被创建出来时也必须严格按照这个顺序才行。并且，新创建出来的 Pod，必须和原来 Pod 的网络标识一样，这样原先的访问者才能使用同样的方法，访问到这个新 Pod。
存储状态。这种情况意味着，应用的多个实例分别绑定了不同的存储数据。对于这些应用实例来说，Pod A 第一次读取到的数据，和隔了十分钟之后再次读取到的数据，应该是同一份，哪怕在此期间 Pod A 被重新创建过。这种情况最典型的例子，就是一个数据库应用的多个存储实例。
所以，StatefulSet 的核心功能，就是通过某种方式记录这些状态，然后在 Pod 被重新创建时，能够为新 Pod 恢复这些状态。
在开始讲述 StatefulSet 的工作原理之前，我就必须先为你讲解一个 Kubernetes 项目中非常实用的概念：Headless Service。
我在和你一起讨论 Kubernetes 架构的时候就曾介绍过，Service 是 Kubernetes 项目中用来将一组 Pod 暴露给外界访问的一种机制。比如，一个 Deployment 有 3 个 Pod，那么我就可以定义一个 Service。然后，用户只要能访问到这个 Service，它就能访问到某个具体的 Pod。
那么，这个 Service 又是如何被访问的呢？
第一种方式，是以 Service 的 VIP（Virtual IP，即：虚拟 IP）方式。比如：当我访问 10.0.23.1 这个 Service 的 IP 地址时，10.0.23.1 其实就是一个 VIP，它会把请求转发到该 Service 所代理的某一个 Pod 上。这里的具体原理，我会在后续的 Service 章节中进行详细介绍。
第二种方式，就是以 Service 的 DNS 方式。比如：这时候，只要我访问“my-svc.my-namespace.svc.cluster.local”这条 DNS 记录，就可以访问到名叫 my-svc 的 Service 所代理的某一个 Pod。
而在第二种 Service DNS 的方式下，具体还可以分为两种处理方法：
第一种处理方法，是 Normal Service。这种情况下，你访问“my-svc.my-namespace.svc.cluster.local”解析到的，正是 my-svc 这个 Service 的 VIP，后面的流程就跟 VIP 方式一致了。
而第二种处理方法，正是 Headless Service。这种情况下，你访问“my-svc.my-namespace.svc.cluster.local”解析到的，直接就是 my-svc 代理的某一个 Pod 的 IP 地址。可以看到，这里的区别在于，Headless Service 不需要分配一个 VIP，而是可以直接以 DNS 记录的方式解析出被代理 Pod 的 IP 地址。
那么，这样的设计又有什么作用呢？
想要回答这个问题，我们需要从 Headless Service 的定义方式看起。
下面是一个标准的 Headless Service 对应的 YAML 文件：
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
name: nginx
labels:
app: nginx
spec:
ports:
- port: 80
name: web
clusterIP: None
selector:
app: nginx
可以看到，所谓的 Headless Service，其实仍是一个标准 Service 的 YAML 文件。只不过，它的 clusterIP 字段的值是：None，即：这个 Service，没有一个 VIP 作为“头”。这也就是 Headless 的含义。所以，这个 Service 被创建后并不会被分配一个 VIP，而是会以 DNS 记录的方式暴露出它所代理的 Pod。
而它所代理的 Pod，依然是采用我在前面第 12 篇文章《牛刀小试：我的第一个容器化应用》中提到的 Label Selector 机制选择出来的，即：所有携带了 app=nginx 标签的 Pod，都会被这个 Service 代理起来。
然后关键来了。
当你按照这样的方式创建了一个 Headless Service 之后，它所代理的所有 Pod 的 IP 地址，都会被绑定一个这样格式的 DNS 记录，如下所示：
<pod-name>.<svc-name>.<namespace>.svc.cluster.local
这个 DNS 记录，正是 Kubernetes 项目为 Pod 分配的唯一的“可解析身份”（Resolvable Identity）。
有了这个“可解析身份”，只要你知道了一个 Pod 的名字，以及它对应的 Service 的名字，你就可以非常确定地通过这条 DNS 记录访问到 Pod 的 IP 地址。
那么，StatefulSet 又是如何使用这个 DNS 记录来维持 Pod 的拓扑状态的呢？
为了回答这个问题，现在我们就来编写一个 StatefulSet 的 YAML 文件，如下所示：
apiVersion: apps/v1
kind: StatefulSet
metadata:
name: web
spec:
serviceName: "nginx"
replicas: 2
selector:
matchLabels:
app: nginx
template:
metadata:
labels:
app: nginx
spec:
containers:
- name: nginx
image: nginx:1.9.1
ports:
- containerPort: 80
name: web
这个 YAML 文件，和我们在前面文章中用到的 nginx-deployment 的唯一区别，就是多了一个 serviceName=nginx 字段。
这个字段的作用，就是告诉 StatefulSet 控制器，在执行控制循环（Control Loop）的时候，请使用 nginx 这个 Headless Service 来保证 Pod 的“可解析身份”。
所以，当你通过 kubectl create 创建了上面这个 Service 和 StatefulSet 之后，就会看到如下两个对象：
$ kubectl create -f svc.yaml
$ kubectl get service nginx
NAME TYPE CLUSTER-IP EXTERNAL-IP PORT(S) AGE
nginx ClusterIP None <none> 80/TCP 10s
$ kubectl create -f statefulset.yaml
$ kubectl get statefulset web
NAME DESIRED CURRENT AGE
web 2 1 19s
这时候，如果你手比较快的话，还可以通过 kubectl 的 -w 参数，即：Watch 功能，实时查看 StatefulSet 创建两个有状态实例的过程：
备注：如果手不够快的话，Pod 很快就创建完了。不过，你依然可以通过这个 StatefulSet 的 Events 看到这些信息。
$ kubectl get pods -w -l app=nginx
NAME READY STATUS RESTARTS AGE
web-0 0/1 Pending 0 0s
web-0 0/1 Pending 0 0s
web-0 0/1 ContainerCreating 0 0s
web-0 1/1 Running 0 19s
web-1 0/1 Pending 0 0s
web-1 0/1 Pending 0 0s
web-1 0/1 ContainerCreating 0 0s
web-1 1/1 Running 0 20s
通过上面这个 Pod 的创建过程，我们不难看到，StatefulSet 给它所管理的所有 Pod 的名字，进行了编号，编号规则是：-。
而且这些编号都是从 0 开始累加，与 StatefulSet 的每个 Pod 实例一一对应，绝不重复。
更重要的是，这些 Pod 的创建，也是严格按照编号顺序进行的。比如，在 web-0 进入到 Running 状态、并且细分状态（Conditions）成为 Ready 之前，web-1 会一直处于 Pending 状态。
备注：Ready 状态再一次提醒了我们，为 Pod 设置 livenessProbe 和 readinessProbe 的重要性。
当这两个 Pod 都进入了 Running 状态之后，你就可以查看到它们各自唯一的“网络身份”了。
我们使用 kubectl exec 命令进入到容器中查看它们的 hostname：
$ kubectl exec web-0 -- sh -c 'hostname'
web-0
$ kubectl exec web-1 -- sh -c 'hostname'
web-1
可以看到，这两个 Pod 的 hostname 与 Pod 名字是一致的，都被分配了对应的编号。接下来，我们再试着以 DNS 的方式，访问一下这个 Headless Service：
$ kubectl run -i --tty --image busybox dns-test --restart=Never --rm /bin/sh
通过这条命令，我们启动了一个一次性的 Pod，因为–rm 意味着 Pod 退出后就会被删除掉。然后，在这个 Pod 的容器里面，我们尝试用 nslookup 命令，解析一下 Pod 对应的 Headless Service：
$ kubectl run -i --tty --image busybox dns-test --restart=Never --rm /bin/sh
$ nslookup web-0.nginx
Server: 10.0.0.10
Address 1: 10.0.0.10 kube-dns.kube-system.svc.cluster.local
Name: web-0.nginx
Address 1: 10.244.1.7
$ nslookup web-1.nginx
Server: 10.0.0.10
Address 1: 10.0.0.10 kube-dns.kube-system.svc.cluster.local
Name: web-1.nginx
Address 1: 10.244.2.7
从 nslookup 命令的输出结果中，我们可以看到，在访问 web-0.nginx 的时候，最后解析到的，正是 web-0 这个 Pod 的 IP 地址；而当访问 web-1.nginx 的时候，解析到的则是 web-1 的 IP 地址。
这时候，如果你在另外一个 Terminal 里把这两个“有状态应用”的 Pod 删掉：
$ kubectl delete pod -l app=nginx
pod "web-0" deleted
pod "web-1" deleted
然后，再在当前 Terminal 里 Watch 一下这两个 Pod 的状态变化，就会发现一个有趣的现象：
$ kubectl get pod -w -l app=nginx
NAME READY STATUS RESTARTS AGE
web-0 0/1 ContainerCreating 0 0s
NAME READY STATUS RESTARTS AGE
web-0 1/1 Running 0 2s
web-1 0/1 Pending 0 0s
web-1 0/1 ContainerCreating 0 0s
web-1 1/1 Running 0 32s
可以看到，当我们把这两个 Pod 删除之后，Kubernetes 会按照原先编号的顺序，创建出了两个新的 Pod。并且，Kubernetes 依然为它们分配了与原来相同的“网络身份”：web-0.nginx 和 web-1.nginx。
通过这种严格的对应规则，StatefulSet 就保证了 Pod 网络标识的稳定性。
比如，如果 web-0 是一个需要先启动的主节点，web-1 是一个后启动的从节点，那么只要这个 StatefulSet 不被删除，你访问 web-0.nginx 时始终都会落在主节点上，访问 web-1.nginx 时，则始终都会落在从节点上，这个关系绝对不会发生任何变化。
所以，如果我们再用 nslookup 命令，查看一下这个新 Pod 对应的 Headless Service 的话：
$ kubectl run -i --tty --image busybox dns-test --restart=Never --rm /bin/sh
$ nslookup web-0.nginx
Server: 10.0.0.10
Address 1: 10.0.0.10 kube-dns.kube-system.svc.cluster.local
Name: web-0.nginx
Address 1: 10.244.1.8
$ nslookup web-1.nginx
Server: 10.0.0.10
Address 1: 10.0.0.10 kube-dns.kube-system.svc.cluster.local
Name: web-1.nginx
Address 1: 10.244.2.8
我们可以看到，在这个 StatefulSet 中，这两个新 Pod 的“网络标识”（比如：web-0.nginx 和 web-1.nginx），再次解析到了正确的 IP 地址（比如：web-0 Pod 的 IP 地址 10.244.1.8）。
通过这种方法，Kubernetes 就成功地将 Pod 的拓扑状态（比如：哪个节点先启动，哪个节点后启动），按照 Pod 的“名字 + 编号”的方式固定了下来。此外，Kubernetes 还为每一个 Pod 提供了一个固定并且唯一的访问入口，即：这个 Pod 对应的 DNS 记录。
这些状态，在 StatefulSet 的整个生命周期里都会保持不变，绝不会因为对应 Pod 的删除或者重新创建而失效。
不过，相信你也已经注意到了，尽管 web-0.nginx 这条记录本身不会变，但它解析到的 Pod 的 IP 地址，并不是固定的。这就意味着，对于“有状态应用”实例的访问，你必须使用 DNS 记录或者 hostname 的方式，而绝不应该直接访问这些 Pod 的 IP 地址。
总结
在今天这篇文章中，我首先和你分享了 StatefulSet 的基本概念，解释了什么是应用的“状态”。
紧接着 ，我为你分析了 StatefulSet 如何保证应用实例之间“拓扑状态”的稳定性。
如果用一句话来总结的话，你可以这么理解这个过程：
StatefulSet 这个控制器的主要作用之一，就是使用 Pod 模板创建 Pod 的时候，对它们进行编号，并且按照编号顺序逐一完成创建工作。而当 StatefulSet 的“控制循环”发现 Pod 的“实际状态”与“期望状态”不一致，需要新建或者删除 Pod 进行“调谐”的时候，它会严格按照这些 Pod 编号的顺序，逐一完成这些操作。
所以，StatefulSet 其实可以认为是对 Deployment 的改良。
与此同时，通过 Headless Service 的方式，StatefulSet 为每个 Pod 创建了一个固定并且稳定的 DNS 记录，来作为它的访问入口。
实际上，在部署“有状态应用”的时候，应用的每个实例拥有唯一并且稳定的“网络标识”，是一个非常重要的假设。
在下一篇文章中，我将会继续为你剖析 StatefulSet 如何处理存储状态。
思考题
你曾经运维过哪些有拓扑状态的应用呢（比如：主从、主主、主备、一主多从等结构）？你觉得这些应用实例之间的拓扑关系，能否借助这种为 Pod 实例编号的方式表达出来呢？如果不能，你觉得 Kubernetes 还应该为你提供哪些支持来管理这个拓扑状态呢？
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