Container Storage Interface(CSI) - NFS 初體驗

前言

本文會透過使用 CSI 的方式於 kubernetes 內使用 NFS 作為儲存解決方案,並且嘗試觀察各種與 CSI 有關的概念與架構,嘗試將實際部署的結果與前篇文章探討的架構與文件結合。

NFS

先前我有寫過一篇關於 NFS 各種用法的文章,有興趣的人可以前往閱讀 NFS 於 Kubernetes 內的各種應用
在該篇文章裡面我描述了兩種 NFS 的用法,第一種就是最基本的架設一個 NFS 服務器,接者將其分享出來的空間直接掛載到欲使用的 Pod,這種情況下就是 NFS服務器上面有什麼樣的資源與檔案,則 Pod 裡面看到的也就是相同的資源。這種用法也是最常見的使用方法。

而第二種方法則是希望採用 StorageClass 的方式來使用 NFS 伺服器,這種情況下就是 NFS服務器本身也是會分享一個空間,但是每次透過 StorageClass 以及 PVC 綁定的情況下,會在 NFS 分享的資料夾內在創建一個資料夾,專屬給該 PVC 去使用,使用起來的感覺就像是動態分割空間一樣,這部分過去是仰賴額外的 NFS Provisioner 來實現。

而本文要討論的架構屬於第一種,所以到時候掛載的 Pod 內部觀看到的資料就會與 NFS 本身分享的資料一致。

環境建置

本文環境基於

  1. kubernetes: 1.15.3
  2. CSI: 1.0.0
  3. NFS CSI Driver: https://github.com/hwchiu/csi-driver-nfs
    從官方 fork 過來,但是稍微調整了一下 nfs 掛載的位置以及相關的 image tag

上述的環境已經整理成一個 Vagrant 的檔案

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# -*- mode: ruby -*-
# vi: set ft=ruby :

Vagrant.configure("2") do |config|
config.vm.box = "bento/ubuntu-18.04"
config.vm.hostname = 'k8s-dev'
config.vm.define vm_name = 'k8s'

config.vm.provision "shell", privileged: false, inline: <<-SHELL
set -e -x -u
export DEBIAN_FRONTEND=noninteractive

#change the source.list
sudo apt-get update
sudo apt-get install -y vim git cmake build-essential tcpdump tig jq
# Install ntp
sudo apt-get install -y ntp
# Install Docker
# kubernetes official max validated version: 17.03.2~ce-0~ubuntu-xenial
export DOCKER_VERSION="18.06.3~ce~3-0~ubuntu"
curl -fsSL https://download.docker.com/linux/ubuntu/gpg | sudo apt-key add -
sudo add-apt-repository "deb [arch=amd64] https://download.docker.com/linux/ubuntu $(lsb_release -cs) stable"
sudo apt-get update
sudo apt-get install -y docker-ce=${DOCKER_VERSION}

# Install Kubernetes
export KUBE_VERSION="1.15.3"
export NET_IF_NAME="enp0s8"
curl -s https://packages.cloud.google.com/apt/doc/apt-key.gpg | sudo apt-key add -
echo "deb http://apt.kubernetes.io/ kubernetes-xenial main" | sudo tee --append /etc/apt/sources.list.d/kubernetes.list
sudo apt-get update
sudo apt-get install -y kubeadm=${KUBE_VERSION}-00 kubelet=${KUBE_VERSION}-00 kubectl=${KUBE_VERSION}-00 kubernetes-cni=0.7.5-00
# Disable swap
sudo swapoff -a && sudo sysctl -w vm.swappiness=0
sudo sed '/swap.img/d' -i /etc/fstab
sudo kubeadm init --kubernetes-version v${KUBE_VERSION} --apiserver-advertise-address=172.17.8.101 --pod-network-cidr=10.244.0.0/16
mkdir -p $HOME/.kube
sudo cp -i /etc/kubernetes/admin.conf $HOME/.kube/config
sudo chown $(id -u):$(id -g) $HOME/.kube/config
kubectl apply -f https://raw.githubusercontent.com/coreos/flannel/a70459be0084506e4ec919aa1c114638878db11b/Documentation/kube-flannel.yml
kubectl taint nodes --all node-role.kubernetes.io/master-

sudo apt-get install -qqy nfs-kernel-server
sudo mkdir /nfsshare
sudo mkdir /nfsshare/mongodb
sudo mkdir /nfsshare/influxdb
sudo mkdir /nfsshare/user
echo "/nfsshare *(rw,sync,no_root_squash)" | sudo tee /etc/exports
sudo exportfs -r
sudo showmount -e

git clone https://github.com/hwchiu/csi-driver-nfs.git
kubectl apply -f csi-driver-nfs/deploy/kubernetes/
kubectl apply -f csi-driver-nfs/examples/kubernetes/nginx.yaml
SHELL

config.vm.network :private_network, ip: "172.17.8.101"
config.vm.provider :virtualbox do |v|
v.customize ["modifyvm", :id, "--cpus", 2]
v.customize ["modifyvm", :id, "--memory", 4096]
v.customize ['modifyvm', :id, '--nicpromisc1', 'allow-all']
end
end

該檔案會自動架設一個基於 1.15.3kubernetes cluster,同時也會自動安裝 NFS 伺服器,並且將其底下的 /nfsshare 資料夾分享出去。

此外也會自動部署 NFS CSI 解決方案的相關檔案,並且最後部署一個使用該 NFS 服務的 nginx 作為一個範例。

如果遇到下列錯誤,就進到機器後重新創建一次 nginx 相關的檔案即可

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k8s: Error from server (Forbidden): error when creating "csi-driver-nfs/examples/kubernetes/nginx.yaml": pods "nginx" is forbidden: error looking up service account default/default: serviceaccount "default" not found
####
$ kubectl apply -f csi-driver-nfs/examples/kubernetes/nginx.yaml

安裝內容

接下來我們來看一下剛剛安裝的過程到底裝了哪些資源到系統中,這邊我們就忽略其他資源,專注於跟儲存有關的資源上

Controller

首先我們先看一下所謂的 CSI Controller 相關的設定檔案,如之前所述,這種情況通常會使用 StatefulSet 來設定,除非你的 Controller 本身有額外實現多實例的架構,可確保同時只有會一個副本正在運行。

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kind: StatefulSet
apiVersion: apps/v1beta1
metadata:
name: csi-attacher-nfsplugin
spec:
serviceName: "csi-attacher"
replicas: 1
template:
metadata:
labels:
app: csi-attacher-nfsplugin
spec:
serviceAccount: csi-attacher
containers:
- name: csi-attacher
image: quay.io/k8scsi/csi-attacher:v1.0.1
args:
- "--v=5"
- "--csi-address=$(ADDRESS)"
env:
- name: ADDRESS
value: /csi/csi.sock
imagePullPolicy: "IfNotPresent"
volumeMounts:
- name: socket-dir
mountPath: /csi

- name: nfs
image: quay.io/k8scsi/nfsplugin:canary
args :
- "--nodeid=$(NODE_ID)"
- "--endpoint=$(CSI_ENDPOINT)"
env:
- name: NODE_ID
valueFrom:
fieldRef:
fieldPath: spec.nodeName
- name: CSI_ENDPOINT
value: unix://plugin/csi.sock
imagePullPolicy: "IfNotPresent"
volumeMounts:
- name: socket-dir
mountPath: /plugin
volumes:
- name: socket-dir
emptyDir:

Pod 中運行了兩個 Container,分別是

  1. quay.io/k8scsi/nfsplugin:canary
  2. quay.io/k8scsi/csi-attacher:v1.0.1

第一個則是關於基於 NFS 所實現相容於 CSI Controller 的解決方案,而第二個則是由官方推出便於發開者的 sidecar container,用來監聽相關的 kubernetes 事件並且透過 gRPC 的方式告知第一個容器。

這邊同時可以觀察到

  1. 系統上透過 emptyDir 的方式創建了一個空間,並且讓兩個 container 都共同使用,而該檔案則是其實背後就是創建出來的 unix://plugin/csi.sock, 因此這兩個 container 就會透過這種方式來進行 IPC 的交談。

Node

接下來觀察一下另外一個部署,使用 DaemonSet 來部署,對應的就是之前提到的 CSI Node 服務,是必須每台需要使用儲存方案的節點都要部署的。

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kind: DaemonSet
apiVersion: apps/v1beta2
metadata:
name: csi-nodeplugin-nfsplugin
spec:
selector:
matchLabels:
app: csi-nodeplugin-nfsplugin
template:
metadata:
labels:
app: csi-nodeplugin-nfsplugin
spec:
serviceAccount: csi-nodeplugin
hostNetwork: true
containers:
- name: node-driver-registrar
image: quay.io/k8scsi/csi-node-driver-registrar:v1.0.2
lifecycle:
preStop:
exec:
command: ["/bin/sh", "-c", "rm -rf /registration/csi-nfsplugin /registration/csi-nfsplugin-reg.sock"]
args:
- --v=5
- --csi-address=/plugin/csi.sock
- --kubelet-registration-path=/var/lib/kubelet/plugins/csi-nfsplugin/csi.sock
env:
- name: KUBE_NODE_NAME
valueFrom:
fieldRef:
fieldPath: spec.nodeName
volumeMounts:
- name: plugin-dir
mountPath: /plugin
- name: registration-dir
mountPath: /registration
- name: nfs
securityContext:
privileged: true
capabilities:
add: ["SYS_ADMIN"]
allowPrivilegeEscalation: true
image: quay.io/k8scsi/nfsplugin:canary
args :
- "--nodeid=$(NODE_ID)"
- "--endpoint=$(CSI_ENDPOINT)"
env:
- name: NODE_ID
valueFrom:
fieldRef:
fieldPath: spec.nodeName
- name:
- name: CSI_ENDPOINT
value: unix://plugin/csi.sock
imagePullPolicy: "IfNotPresent"
volumeMounts:
- name: plugin-dir
mountPath: /plugin
- name: pods-mount-dir
mountPath: /var/lib/kubelet/pods
mountPropagation: "Bidirectional"
volumes:
- name: plugin-dir
hostPath:
path: /var/lib/kubelet/plugins/csi-nfsplugin
type: DirectoryOrCreate
- name: pods-mount-dir
hostPath:
path: /var/lib/kubelet/pods
type: Directory
- hostPath:
path: /var/lib/kubelet/plugins_registry
type: Directory
name: registration-dir

Pod 中也是部署了兩個 Container,分別是

  1. quay.io/k8scsi/csi-node-driver-registrar:v1.0.2
  2. quay.io/k8scsi/nfsplugin:canary

Controller 的部署一樣,其中一個是自行解決方案的設計,另外一個則是官方提供的好用輔助容器。

首先看一下Volume 的部分,這邊有三個資料夾並且都是透過 hostpath 的方式來使用

  1. /var/lib/kubelet/plugins/csi-nfsplugin
  2. /var/lib/kubelet/pods
  3. /var/lib/kubelet/plugins_registry

第一個 /var/lib/kubelet/plugins/csi-nfsplugin 根據觀察可以發現最後其實是用來指定相關的 unix socket

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[email protected]:~$ sudo ls /var/lib/kubelet/plugins/csi-nfsplugin
csi.sock

[email protected]:~$ sudo file /var/lib/kubelet/plugins/csi-nfsplugin/csi.sock
/var/lib/kubelet/plugins/csi-nfsplugin/csi.sock: socket

第二個 /var/lib/kubelet/pods 比較特別,這個資料夾是 kubelet 用來存放跟 pod 相關的資訊,其中該目錄底下都是基於 pod ID 來區隔的。

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[email protected]:~$ sudo ls /var/lib/kubelet/pods/
16010371-22a4-4152-af23-712def2a764d 7a5a5fa4-ea62-4106-8e2e-69f3a0abf48d 8bf65cf7-a02a-4829-9fab-784355fe5ba5 af50052304877bc1d4cd4d3409c6be5a c3aedceb2d751faeb02f85ebcec869a6 db52b7d4-c828-49d8-b899-e52be600f0b5
28f76958a7cfb29c8091821d6746ddea 7d5d3c0a6786e517a8973fa06754cb75 9f7d3f8c-63a8-46b9-8d69-d70656caf0b7 bd4f816d-01f0-4217-a66c-27bd4893c130 c9da1474-797c-4386-acb1-f7c74cc30dbd

[email protected]:~$ sudo docker ps | grep nginx
2107ec8d04e1 maersk/nginx "nginx" 10 hours ago Up 10 hours k8s_nginx_nginx_default_8bf65cf7-a02a-4829-9fab-784355fe5ba5_0
dad41423889e k8s.gcr.io/pause:3.1 "/pause" 10 hours ago Up 10 hours k8s_POD_nginx_default_8bf65cf7-a02a-4829-9fab-784355fe5ba5_0

[email protected]:~$ sudo ls /var/lib/kubelet/pods/8bf65cf7-a02a-4829-9fab-784355fe5ba5
containers etc-hosts plugins volumes
[email protected]:~$

可以看到基於測試的 nginx pod 底下有個 volumes 的資料夾,接下來往下去看裡面有什麼資訊

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[email protected]:~$ sudo tree /var/lib/kubelet/pods/8bf65cf7-a02a-4829-9fab-784355fe5ba5/volumes
/var/lib/kubelet/pods/8bf65cf7-a02a-4829-9fab-784355fe5ba5/volumes
├── kubernetes.io~csi
│ └── data-nfsplugin
| ├── mount
│ │ ├── influxdb
│ │ ├── mongodb
│ │ ├── test1
│ │ └── user
│ └── vol_data.json
└── kubernetes.io~secret
└── default-token-6bcvc
├── ca.crt -> ..data/ca.crt
├── namespace -> ..data/namespace
└── token -> ..data/token

[email protected]:~$ sudo cat /var/lib/kubelet/pods/8bf65cf7-a02a-4829-9fab-784355fe5ba5/volumes//kubernetes.io~csi/data-nfsplugin/vol_data.json | jq
{
"attachmentID": "csi-f642ae48557f63a1f4377a265c43d6afe2e8d859837925fef2331b9e541e31a3",
"driverMode": "persistent",
"driverName": "csi-nfsplugin",
"nodeName": "k8s-dev",
"specVolID": "data-nfsplugin",
"volumeHandle": "data-id"
}

同時也可以看到上述的 mount 資料夾內有之前設定的 NFS 相關的分享資料夾內容,這部分引起我的好奇心,所以透過 mount 再次觀察。

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[email protected]:~$ mount | grep nfsshare
127.0.0.1:/nfsshare on /var/lib/kubelet/pods/8bf65cf7-a02a-4829-9fab-784355fe5ba5/volumes/kubernetes.io~csi/data-nfsplugin/mount type nfs4 (rw,relatime,vers=4.1,rsize=524288,wsize=524288,namlen=255,hard,proto=tcp,timeo=600,retrans=2,sec=sys,clientaddr=127.0.0.1,local_lock=none,addr=127.0.0.1)

大概可以瞭解整個運作原理了,先透過 CSI 的方式把目標的解決方案掛載到相關節點上,而掛載的地點必須是 /var/lib/kubelet/pods/${pod_id}/volumes/kubernetes.io~csi/${csi_name} 這個位置,當這邊處理完畢後。一旦 Pod 開始啟用後,就會透過 mount namespace 的方式再度的把這個空間給掛載到 Pod 裡面去使用。

最後的 /var/lib/kubelet/plugins_registry 看名稱就跟註冊有關,的確也是專門給 Register 這個額外的容器使用。
根據該專案說明

Registration socket:
Registers the driver with kubelet.
Created by the node-driver-registrar.
Exposed on a Kubernetes node via hostpath in the Kubelet plugin registry. (typically /var/lib/kubelet/plugins_registry/<drivername.example.com>-reg.sock). The hostpath volume must be mounted at /registration.

所以可以看到這算是一個該容器的標準用法,如果要將該CSI解決方案註冊到 Node 上,就直接透過這個容器加上 Unix socketkubelet 溝通,就算是完成註冊相關的功能了。

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[email protected]:~$ sudo ls /var/lib/kubelet/plugins_registry
csi-nfsplugin-reg.sock
[email protected]:~$ sudo file /var/lib/kubelet/plugins_registry/csi-nfsplugin-reg.sock
/var/lib/kubelet/plugins_registry/csi-nfsplugin-reg.sock: socket

根據官方提供的參考部署架構圖

該圖節錄自Recommended Mechanism for Deploying CSI Drivers on Kubernetes

可以對應到上述所描述的部署方式以及相關的 volume 操作,同時對於整體的運作邏輯有更清晰的表達。

Nginx

作為一個使用者 Pod 來說,這邊採用 PV/PVC 這種預先配置的方式來使用前述部署完畢的 CSI 環境,其中只有 PV 的部分使用方式跟過往不同,剩下的 PVC/Pod 都沒有任何變化。

可以看到 PV 之中必須要採用 csi 的架構,並且透過 volumeAttrivutes 傳遞每個解決方案需要的參數過去,以 NFS 為範例,就是目標伺服器的 IP 地址以及欲分享的資料夾。

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apiVersion: v1
kind: PersistentVolume
metadata:
name: data-nfsplugin
labels:
name: data-nfsplugin
spec:
accessModes:
- ReadWriteMany
capacity:
storage: 100Gi
csi:
driver: csi-nfsplugin
volumeHandle: data-id
volumeAttributes:
server: 127.0.0.1
share: /nfsshare
---
apiVersion: v1
kind: PersistentVolumeClaim
metadata:
name: data-nfsplugin
spec:
accessModes:
- ReadWriteMany
resources:
requests:
storage: 100Gi
selector:
matchExpressions:
- key: name
operator: In
values: ["data-nfsplugin"]
---
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
name: nginx
spec:
containers:
- image: maersk/nginx
imagePullPolicy: Always
name: nginx
ports:
- containerPort: 80
protocol: TCP
volumeMounts:
- mountPath: /var/www
name: data-nfsplugin
volumes:
- name: data-nfsplugin
persistentVolumeClaim:
claimName: data-nfsplugin

觀察

環境都架設完畢之後,第一步先觀察 NFS 是否如預期般的運作

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[email protected]:~$ kubectl exec nginx ls /var/www
influxdb
mongodb
user

[email protected]:~$ ls /nfsshare/
influxdb mongodb user

[email protected]:~$ sudo touch /nfsshare/test1

[email protected]:~$ kubectl exec nginx ls /var/www
influxdb
mongodb
test1
user

看起來非常順利,基本的 NFS 掛載已經成功,接下來我們就要來觀察基於 CSI 的環境有什麼不同

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[email protected]:~$ kubectl api-resources | grep -i storage
csidrivers storage.k8s.io false CSIDriver
csinodes storage.k8s.io false CSINode
storageclasses sc storage.k8s.io false StorageClass
volumeattachments storage.k8s.io false VolumeAttachment

我們透過 kubectl api-resources 去觀察系統上目前有哪些跟 storage 有關的資源,發現除了過往的 storageclasses 之外,還多出了三個資源,分別是 csidrivers, csinodes 以及 volumeattachmenets

CSIDriver

非常不幸的,我們的範例中並沒有創建任何資源於這個物件類別下

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[email protected]:~$ kubectl get csidrivers
No resources found.

根據官方開發指南,裡面對於 CSIDriver 的描述是

The CSIDriver Kubernetes API object serves two purposes:
Simplify driver discovery
If a CSI driver creates a CSIDriver object, Kubernetes users can easily discover the CSI Drivers installed on their cluster (simply by issuing kubectl get CSIDriver)
Customizing Kubernetes behavior
Kubernetes has a default set of behaviors when dealing with CSI Drivers (for example, it calls the Attach/Detach operations by default). This object
allows CSI drivers to specify how Kubernetes should interact with it.

簡單來說這個資源不一定會有,主要取決於 CSI 解決方案有沒有要創建,創建的話提供兩個好處

  1. 使用者更容易的觀察到系統上安裝了哪些 CSI 解決方案
    我認為這滿方便的,但是能夠強制要求創建該物件就更棒了
  2. CSI解決方案能夠有機會對 kubelet 進行控制,去管理整個 CSI 的運作邏輯。

一個合法的內容可能如下

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apiVersion: storage.k8s.io/v1beta1
kind: CSIDriver
metadata:
name: mycsidriver.example.com
spec:
attachRequired: true
podInfoOnMount: true
volumeLifecycleModes: # added in Kubernetes 1.16
- Persistent
- Ephemeral

其中 volumeLifycecleModes 甚至是 kubernetes 1.16 所加入的,有興趣的可以自行參閱開發指南 去瞭解每個欄位的定義。

CSINodes

透過 kubectl describe 我們可以看到更多關於 CSINodes 的資料。

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[email protected]:~$ kubectl get csinodes
NAME CREATED AT
k8s-dev 2019-09-29T07:19:27Z
[email protected]:~$ kubectl describe csinodes k8s-dev
Name: k8s-dev
Namespace:
Labels: <none>
Annotations: <none>
API Version: storage.k8s.io/v1beta1
Kind: CSINode
Metadata:
Creation Timestamp: 2019-09-29T07:19:27Z
Owner References:
API Version: v1
Kind: Node
Name: k8s-dev
UID: 8ed067fe-dbe7-4297-8177-c8a9da227962
Resource Version: 540
Self Link: /apis/storage.k8s.io/v1beta1/csinodes/k8s-dev
UID: 1fd550dd-194a-4f20-8d41-fd1f42fbe16a
Spec:
Drivers:
Name: csi-nfsplugin
Node ID: k8s-dev
Topology Keys: <nil>
Events: <none>

其中最重要的就是 spec.drivers 內的資料,包含了

  1. 該解決方案的名稱,定義於該解決方案內的程式碼。
  2. 該節點的名稱,因為 CSI 裡面有很多的介面都會需要 NodeID 來進行一些處理,特別是 Controller 端的介面。

根據 官方開發指南 內的描述, CSINode 有下列的事項要注意

  1. CSI 解決方案本身不需要自行創造,只要透過上篇介紹過的開發小幫手 - sidecar containers 中的 node-device-register 就會自動創造該物件
  2. 該物件創立的目的是希望提供下列資訊
    • 將 kubernetes node 的名稱轉換至 CSI node name
    • 透過相關物件判斷特定節點上是否有註冊相關的 CSI 解決方案

VolumeAttachments

這個物件是用來描述 CSI 使用過程中去掛載 Volume 的相關資訊。

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[email protected]:~$ kubectl get volumeattachments
NAME ATTACHER PV NODE ATTACHED AGE
csi-f642ae48557f63a1f4377a265c43d6afe2e8d859837925fef2331b9e541e31a3 csi-nfsplugin data-nfsplugin k8s-dev true 20m
[email protected]:~$ kubectl describe volumeattachments
Name: csi-f642ae48557f63a1f4377a265c43d6afe2e8d859837925fef2331b9e541e31a3
Namespace:
Labels: <none>
Annotations: <none>
API Version: storage.k8s.io/v1
Kind: VolumeAttachment
Metadata:
Creation Timestamp: 2019-09-29T07:19:49Z
Resource Version: 577
Self Link: /apis/storage.k8s.io/v1/volumeattachments/csi-f642ae48557f63a1f4377a265c43d6afe2e8d859837925fef2331b9e541e31a3
UID: 991d3c32-0d4f-43e8-bcdc-c5a5d038cd38
Spec:
Attacher: csi-nfsplugin
Node Name: k8s-dev
Source:
Persistent Volume Name: data-nfsplugin
Status:
Attached: true
Events: <none>

譬如從 spec 可以看到有一個掛載的行為是

  1. 透過 Attacher csi-nfsplugin 於 node k8s-dev 上掛載一個 volume,而該 volume 的來源是名為 data-nfspluginPVC 所定義的。

這些資訊都可以幫忙釐清與確認當前是否 CSI 的儲存功能有正常運作,我覺得相對於之前單純的 PV/PVC 有來得清楚一些。

Summary

本文基於 CSI 架構下部署了一個 NFS 的儲存方案,並且用一個 Pod 作為掛載的範例,來實際部署的流程與架構,同時觀察整個 kubernetes 本身是否有新增加的資源與內容。

參考