在云原生场景下构建企业级存储方案

引言

随着云原生技术日益普及的今天，在 Kubernetes 上运行无状态应用已经非常成熟，平滑扩展能力也很强，但对于有状态的应用，数据需要持久化存储，这还有很大提升的空间，面临着很多挑战。

云原生存储的挑战

上图是 CNCF 对于“在使用/部署容器的过程中遇到的挑战”做出的调查报告。根据报告的结果，可以总结出云原生存储遇到的挑战表现在以下几个方面：

• 易用性：存储服务部署、运维复杂，云原生化程度低，缺少与主流编排平台整合
• 高性能：大量应用 IO 访问，IOPS 需求高，低时延，性能成为应用运行效率瓶颈
• 高可用：云原生存储已经应用到生产环境，需要高可靠/高可用，不能出现单点故障
• 敏捷性：PV 快速创建、销毁、平滑的扩展/收缩，PV 随 Pod 迁移而快速迁移等

常见云原生存储解决方案

Rook-Ceph：Rook-Ceph 是一个可以提供 Ceph 集群管理能力的 Operator，使用底层云原生容器管理，调度和编排平台提供的功能来执行其职责。

OpenEBS：OpenEBS 存储控制器本身就运行在容器中。OpenEBS Volume 由一个或多个以微服务方式运行的容器组成。

优势

1.与云原生编排系统的融合，具有很好的容器数据卷接入能力； 2.完全开源，社区较为活跃，网络资源、使用资料丰富，容易入手；

劣势

Rook-Ceph 不足：

• 性能差：IO 性能、吞吐、时延等方面都表现欠佳，很难应用在高性能服务场景；
• 维护成本高：虽然部署、入门简单，但组件多，架构复杂，排错困难，一旦运行中出现问题解决起来非常棘手，需要有很强的技术团队加以保障；

OpenEBS-hostpath 不足：没有高可用功能，单点故障； OpenEBS-zfs-localpv 不足：在磁盘上安装 zfs，然后在 zfs上 创建 vol，也是没有高可用功能；

因此多在企业内部测试环境，很少用于持久化关键应用数据，部署到生产环境中；

NeonIO 为什么适合云原生存储

NeonIO 简介

NeonIO 是一款支持容器化部署的企业级分布式块存储系统，能够给 Kubernetes 平台上提供动态创建（Dynamic Provisioning) 持久存储卷（Persistent Volume) 的能力,支持 Clone、Snapshot、Restore、Resize 等功能，NeonIO 的结构图如下：

NeonIO 包括的服务组件如下：

• zk/etcd: 提供集群发现、分布式协调、选 master 等服务
• mysql：提供元数据存储服务，如 PV 存储卷的元数据
• center：提供逻辑管理服务，如创建 PV 卷，快照
• monitor: 提供监控服务，能够把采集监控指标暴露给 Promethus
• store：存储服务，处理应用 IO 的功能
• portal：提供 UI 界面服务
• CSI：提供 csi 的标准 IO 接入服务

下面从以下几个方面来看 NeonIO 为什么适合云原生存储：

易用性

1. 组件容器化：服务组件、CSI、Portal 容器化

2. 支持 CSI：提供标准的 IO 接入能力，可静态、动态创建 PV

3. UI 界面，运维方便：

   • 存储运维操作界面化、告警、监控可视管理；
   • 有基于 PV 粒度的性能监控，如 IOPS、吞吐量，可以快速定位到热点 PV；
   • 有基于 PV 粒度的 Qos，能够保证用户高优先级的服务质量；

1. 与云原生高度融合：

   • 支持 Promethus，通过 ServiceMonitor 把 NeonIO 的采集指标暴露给 Promethus、Grafana，进行图形化展示
   • 同时 UI 界面可与 Promethus 对接，展示其他云原生监控的指标，如 node-exporter 的磁盘 IO 负载、带宽等
   • 平台化的运维方式，存储的扩容、升级、灾难恢复运维操作、只需要 Kubernetes 的一些命令即可实现，不需要额外掌握过多的存储相关的运维知识
   • 服务发现、分布式协调支持 etcd、元数据的管理，使用 CRD 的方式

2. 一键式部署：： helm install neonio ./neonio --namespace kube-system

1. 部署简单灵活：和 Rook-Ceph 对比：

节点规划部署	通过对对应节点打 label	通过修改 cluster.yaml，需要配置节点 IP 配置那些服务
Quick Start	总共 4 步:<br>1.检查确保有可给供 neonio 的设备；<br>2.检查是否已经安装 QBD；<br>3.添加 helm repo；<br>4.安装部署： helm install neonio ./neonio --namespace kube-system	总共 5 步<br>1.检查确保有可给供 ceph 的设备；<br>2.检查是否已经安装 RBD；<br>3.apt-get install -y lvm2<br>4.下载代码：git clone --single-branch --branch master<br>https://github.com/rook/rook.git<br>5.cd<br>rook/cluster/examples/kubernetes/ceph<br>kubectl create -f crds.yaml -f common.yaml -f operator.yaml<br>kubectl create -f cluster.yaml
单机 all-in-one	helm install neonio ./neonio --namespace kube-system --set sc.rep_count=1 --set center.servers=1 --	cd<br>rook/cluster/examples/kubernetes/ceph<br>kubectl create -f crds.yaml -f common.yaml -f operator.yaml<br>kubectl create -f cluster-test.yaml<br>使用区别与集群部署时的另一个配置 cluster-test.yaml 进行部署，不能做到配置共用
RDMA/TCP	helm install neonio ./neonio --namespace kube-system --set store.type=RDMA	ceph 本身支持 RDMA，rook-ceph 不支持
管理、存储网络分离/共有	helm install neonio ./neonio --namespace kube-system --set store.port=eth0 --set rep_port.port=eth1	ceph 本身 pubic、cluster 网口的分离公用，rook-ceph 适配复杂

高性能

性能单 PV IOPS 100K，时延亚毫秒。

1. 全闪的分布式存储架构

   • 集群中所有节点共同承担压力，IO 性能随着节点增加而线性增长
   • 存储介质支持 NVME SSD
   • 支持 RDMA：通过高速的RDMA技术将节点连接

2. 极短的 IO 路径：抛弃文件系统，自研元数据管理系统，使 IO 路径极短

1. 使用 HostNetwork 网络模式

好处：

• Store CSI Pod 使用 HostNetwork，直接使用物理网络，减少网络层次
• 管理网络、前端网络、数据同步网络分离，避免网络竞争；

高可用

1. 服务组件可靠性与可用性

   • 管理服务默认使用 3 副本 Pod,副本数可以配置，推荐使用 3/5 副本，任何一 Pod 因故障无法提供服务，还有其他 Pod 提供服务
   • 使用探针检测 Pod 服务是否可用，是否存活，检测到 Pod 服务部可用剔除组件服务，检测到 Pod 死掉后重启 Pod，使其重新启动服务

2. 数据的可靠性与可用性

• Volume 分片为 Shard
• 每个 Shard 独立选择存储位置
• 每个 Shard 的 3 个副本存储在不同的物理节点上
• 写入时同步写入 3 个副本，强一致
• 读取时只从主副本读
• 副本数按 volume 可配

敏捷性

1. Pod 跨节点重建高效：2000PV 的挂载/卸载 16s
2. 批量创建 PV 能力：2000PV 的创建 5min

NeonIO性能表现

Teststand: NeonIO hyper-converged all-in-one cluster (3 nodes, 192.168.101.174 - 192.168.101.176)

Note: All tests use NVMe SSDs. Volume size = 1TiB. Performance tool: https://github.com/leeliu/dbench

图中黄色表示的是 NeonIO，第一张图纵坐标是 IOPS，第二张图纵坐标是毫秒，从结果来看，无论是单副本还是 3 副本，NeonIO 在 IOPS、时延都有明显的优势。

NeonIO应用场景

1. Devops 场景：批量快速创建/销毁 PV 能力，2000PV 创建 5min
2. 数据库场景：WEB 网站后端数据库 MySQL 等提供稳定的持久化存储，提供高 IOPS、低时延
3. 大数据应用分析场景：提供超大容量，PV 可扩容到 100TB