如何在 Kubernetes 上优雅的运行一个 MySQL 主从架构集群

一般情况下Kubernetes可以通过ReplicaSet以一个Pod模板创建多个Pod副本，但是它们都是无状态的，任何时候它们都可以被一个全新的Pod替换。然而有状态的Pod需要另外的方案确保当一个有状态的Pod挂掉后，这个Pod实例需要在别的节点上重建，但是新的实例必须与被替换的实例拥有相同的名称、网络标识和状态。这就是StatefulSet管理Pod的手段。

对于容器集群，有状态服务的挑战在于，通常集群中的任何节点都并非100%可靠的，服务所需的资源也会动态地更新改变。当节点由于故障或服务由于需要更多的资源而无法继续运行在原有节点上时，集群管理系统会为该服务重新分配一个新的运行位置，从而确保从整体上看，集群对外的服务不会中断。

若采用本地存储，当服务漂移后数据并不会随着服务转移到新的节点，重启服务就会出现数据丢失的困境。本文目的是通过一个MySQL的主从集群搭建，深入了解Kubernetes的StatfulSet管理。为了降低实验的外部依赖，存储层面上，我采用的是本地存储，当然生产上不建议这样做，生产环境的存储推荐官方介绍到的的GCE、NFS、Ceph等存储方案，因为这些方案支持动态供给的特性，允许开发人员通过PVC的定义，快速实现数据有效存储，所以你绝不应该把一个宿主机上的目录当作PV使用，只是本文用于实验需要，采用Local Persistent Volume的手段，目的只是为了验证StatefulSet的状态管理功能。

• Kubernetes Master
• Kubernetes Node （测试演示，所有的副本都会在其上运行）
• Kubernetes DNS服务已开启

1实验目的

• 搭建一个主从复制（Master-Slave）的MySQL集群
• 从节点可以水平扩展
• 所有的写操作只能在MySQL主节点上执行
• 读操作可以在MySQL主从节点上执行
• 从节点能同步主节点的数据

2本地存储原理

为了快速搭建测试环境，我们这里使用了本地存储，也就是说，用户希望Kubernetes能够直接使用宿主机上的本地磁盘目录，而不依赖于远程存储服务，来提供持久化的容器Volume。不过这里有个难点：

1. 我们把存储固定在一个节点上，但是Pod在调度的时候，是飘来飘去的，怎么能让Pod通过PVC也能固定在PVC上？
2. 给这个Pod加上一个nodeAffinity行不行？

当然行，但是这变相破坏了开发人员对资源对象的定义规范了，开发人员应该不需要时刻考虑调度的细节。调度的改动应该交给运维就行。所以我们为了实现本地存储，我们采用了延迟绑定的方法。方法很简单，我们都知道StorageClass一般由运维人员设计，我们只需要在StorageClass指定no-provisioner。这是因为Local Persistent Volume目前尚不支持Dynamic Provisioning，所以它没办法在用户创建PVC的时候，就自动创建出对应的PV。与此同时，这个StorageClass还定义了一个volumeBindingMode=WaitForFirstConsumer的属性。它是Local Persistent Volume里一个非常重要的特性，即：延迟绑定。

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

3实验步骤

创建PV

先在Node （实验用的Node节点IP是node1）节点上，预先分配几个PV（不建议在生产上这样操作），要保证在node1上有对应的目录

ssh root@node1
mkdir -pv /data/svr/projects/{mysql,mysql2,mysql3}

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:
          - node1

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:
          - node1

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:
          - node1

记住，这是在生产上不推荐的做法，我只是实验用途才这样手动预先创建，正规的做法应该通过StorageClass采用Dynamic Provisioning， 而不是Static Provisioning机制生产PV。

kubectl apply -f 01-persistentVolume-{1..3}.yaml

persistentvolume/example-mysql-pv1 created
persistentvolume/example-mysql-pv2 created
persistentvolume/example-mysql-pv3 created

创建StorageClass

02-storageclass.yaml

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

执行创建：

kubectl apply -f 02-storageclass.yaml

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

创建Namespace

03-mysql-namespace.yaml

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

执行创建：

kubectl apply -f 03-mysql-namespace.yaml

namespace/mysql created

创建数据库的配置文件configmap

使用ConfigMap为Master/Slave节点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

创建执行：

kubectl apply -f 04-mysql-configmap.yaml

configmap/mysql created

创建MySQL密码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

创建执行：

kubectl apply -f 05-mysql-secret.yaml

secret/mysql-secret created

使用Service为MySQL提供读写分离

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

• 用户所有写请求，必须以DNS记录的方式直接访问到Master节点，也就是mysql-0.mysql这条DNS记录。

• 用户所有读请求，必须访问自动分配的DNS记录可以被转发到任意一个Master或Slave节点上，也就是mysql-read这条DNS记录。

kubectl apply -f 06-mysql-services.yaml

$ kubectl get svc -n mysql
NAME         TYPE        CLUSTER-IP   EXTERNAL-IP   PORT(S)    AGE
mysql        ClusterIP   None         <none>        3306/TCP   20s
mysql-read   ClusterIP   10.0.0.63    <none>        3306/TCP   20s

创建MySQL集群实例

使用StatefulSet搭建MySQL主从集群

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
          # 从Pod的序号，生成server-id
          [[ $(hostname) =~ -([0-9]+)$ ]] || exit 1
          ordinal=${BASH_REMATCH[1]}
          echo [mysqld] > /mnt/conf.d/server-id.cnf
          # 由于server-id不能为0，因此给ID加100来避开它
          echo server-id=$((100 + $ordinal)) >> /mnt/conf.d/server-id.cnf
          # 如果Pod的序号为0，说明它是Master节点，从ConfigMap里把Master的配置文件拷贝到/mnt/conf.d目录下
          # 否则，拷贝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
          # 拷贝操作只需要在第一次启动时进行，所以数据已经存在则跳过
          [[ -d /var/lib/mysql/mysql ]] && exit 0
          # Master 节点（序号为 0）不需要这个操作
          [[ $(hostname) =~ -([0-9]+)$ ]] || exit 1
          ordinal=${BASH_REMATCH[1]}
          [[ $ordinal == 0 ]] && exit 0
          # 使用ncat指令，远程地从前一个节点拷贝数据到本地
          ncat --recv-only mysql-$(($ordinal-1)).mysql 3307 | xbstream -x -C /var/lib/mysql
          # 执行 --prepare，这样拷贝来的数据就可以用作恢复了
          xtrabackup --prepare --target-dir=/var/lib/mysql
        volumeMounts:
        - name: data
          mountPath: /var/lib/mysql
          subPath: mysql
        - name: conf
          mountPath: /etc/mysql/conf.d
      containers:
      - name: mysql
        image: mysql:5.7
        env:
 #        - name: MYSQL_ALLOW_EMPTY_PASSWORD
 #          value: "1"
        - name: MYSQL_ROOT_PASSWORD
          valueFrom:
            secretKeyRef:
              name: mysql-secret
              key: password
        ports:
        - name: mysql
          containerPort: 3306
        volumeMounts:
        - name: data
          mountPath: /var/lib/mysql
          subPath: mysql
        - name: conf
          mountPath: /etc/mysql/conf.d
        resources:
          requests:
            cpu: 500m
            memory: 1Gi
        livenessProbe:
          exec:
            command: ["mysqladmin", "ping", "-uroot", "-p${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
          # 从备份信息文件里读取MASTER_LOG_FILE和MASTER_LOG_POS这2个字段的值，用来拼装集群初始化SQL
          if [[ -f xtrabackup_slave_info ]]; then
            # 如果xtrabackup_slave_info文件存在，说明这个备份数据来自于另一个Slave节点
            # 这种情况下，XtraBackup工具在备份的时候，就已经在这个文件里自动生成了“CHANGE MASTER TO”SQL语句
            # 所以，只需要把这个文件重命名为change_master_to.sql.in，后面直接使用即可
            mv xtrabackup_slave_info change_master_to.sql.in
            # 所以，也就用不着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，说明备份来自于Master节点，就需要解析这个备份信息文件，读取所需的两个字段的值
            [[ $(cat xtrabackup_binlog_info) =~ ^(.*?)[[:space:]]+(.*?)$ ]] || exit 1
            rm xtrabackup_binlog_info
            # 把两个字段的值拼装成SQL，写入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，就意味着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容器启动之后才能进行下一步连接MySQL的操作
            echo "Waiting for mysqld to be ready（accepting connections）"
            until mysql -h 127.0.0.1 -uroot -p${MYSQL_ROOT_PASSWORD} -e "SELECT 1"; do sleep 1; done
            echo "Initializing replication from clone position"
            # 将文件change_master_to.sql.in改个名字
            # 防止这个Container重启的时候，因为又找到了change_master_to.sql.in，从而重复执行一遍初始化流程
            mv change_master_to.sql.in change_master_to.sql.orig
            # 使用change_master_to.sql.orig的内容，也就是前面拼装的SQL，组成一个完整的初始化和启动Slave的SQL语句
            mysql -h 127.0.0.1 -uroot -p${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监听3307端口。
          # 它的作用是，在收到传输请求的时候，直接执行xtrabackup --backup命令，备份MySQL的数据并发送给请求者
          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

整体的StatefulSet有两个Replicas，一个Master，一个Slave，然后使用init-mysql这个initContainers进行配置文件的初始化。接着使用clone-mysql这个initContainers进行数据的传输；同时使用xtrabackup这个sidecar容器进行SQL初始化和数据传输功能。

创建 StatefulSet：

kubectl apply -f 07-mysql-statefulset.yaml

可以看到，StatefulSet启动成功后，会有两个Pod运行。接下来，我们可以尝试向这个MySQL集群发起请求，执行一些SQL操作来验证它是否正常。整个过程因为拉取mysql和一个gcr.io/google-samples/xtrabackup:1.0国外的镜像会很慢,但是在创建mysql-0拉取一次之后，后续创建mysql-1就相对很快了。

最后，容器检查pod的运行状态

服务验证

1. 验证主从状态：

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:

2. 接下来，我们通过Master容器创建数据库和表、插入数据库。

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)’"

3. 然后，我们观察Slave节点是否都同步到数据了。

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

当看到输出结果，主从同步正常了。

扩展从节点

在有了StatefulSet以后，你就可以像Deployment那样，非常方便地扩展这个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

这时候，一个新的mysql-2就创建出来了，我们继续验证新扩容的节点是否都同步到主节点的数据。

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

当看到输出结果，主从同步正常了。也就是说从StatefulSet为我们新创建的mysql-2上，同样可以读取到之前插入的记录。也就是说，我们的数据备份和恢复，都是有效的。