Kubernetes 存储系统概览
Kubernetes 存储系统通过抽象与解耦，实现了持久化存储的灵活管理和多样化扩展，支持从基础卷到快照、克隆、健康监控等企业级需求，是云原生应用数据管理的基石。
存储系统架构
下图展示了 Kubernetes 存储系统的主要组件及其协作关系。
Kubernetes 存储系统由控制面、节点组件、存储资源和外部插件等部分组成，共同实现持久化存储的全生命周期管理。
核心存储概念
卷（Volume）
卷是 Pod 内部可被容器访问的目录，主要解决以下两类问题：
- 数据持久化：容器文件系统易失，重启或崩溃后数据丢失
- 数据共享：同一 Pod 内多个容器需要共享数据
卷在 Pod 规范中声明，并挂载到容器。不同类型的卷有不同的生命周期和后端介质。
卷类型主要包括：
- 临时卷（如
emptyDir、configMap、secret）：生命周期与 Pod 绑定 - 持久卷（如
persistentVolumeClaim）：生命周期超出 Pod - 投射卷：将多个数据源映射到同一目录
持久卷与声明（PV & PVC）
Kubernetes 通过 PV/PVC 子系统实现存储的“提供”与“消费”解耦：
- PersistentVolume（PV）：由管理员预先创建或通过 StorageClass 动态供应的存储资源
- PersistentVolumeClaim（PVC）：用户对存储的请求
PV 与 PVC 的生命周期：
- 供应：管理员静态创建或通过 StorageClass 动态供应 PV
- 绑定：PVC 根据需求与合适的 PV 绑定
- 使用：Pod 通过 PVC 挂载卷
- 回收：PVC 删除后，PV 根据回收策略处理
访问模式
不同存储后端支持不同的访问模式：
| 访问模式 | 说明 |
|---|---|
| ReadWriteOnce (RWO) | 单节点读写挂载 |
| ReadOnlyMany (ROX) | 多节点只读挂载 |
| ReadWriteMany (RWX) | 多节点读写挂载 |
| ReadWriteOncePod (RWOP) | 单 Pod 读写挂载 |
实际支持的模式取决于存储类型和供应商。
存储编排机制
StorageClass（存储类）
StorageClass 允许管理员定义不同的存储“类别”，如性能、备份策略等。
StorageClass 主要字段：
- Provisioner：指定供应插件
- Parameters：卷参数
- ReclaimPolicy：回收策略
- VolumeBindingMode：绑定时机
- AllowVolumeExpansion：是否支持扩容
动态供应
动态供应无需管理员预先创建 PV，用户创建 PVC 时自动分配存储。PVC 指定 StorageClass 后，若无匹配 PV，则自动创建。
卷绑定模式
volumeBindingMode 控制绑定时机：
- Immediate：PVC 创建即绑定（默认）
- WaitForFirstConsumer：等有 Pod 使用时再绑定，适合有拓扑约束的场景
高级存储特性
卷快照
快照可为卷创建时间点副本，常用于备份等场景。
关键资源：
- VolumeSnapshot：用户请求快照
- VolumeSnapshotContent：实际快照对象
- VolumeSnapshotClass：快照参数定义
生命周期包括供应、绑定、删除（Delete/Retain）。
卷克隆
卷克隆允许基于现有 PVC 创建新 PVC，要求：
- 仅支持支持克隆的 CSI 驱动
- 源 PVC 已绑定且可用
- 源/目标 PVC 在同一命名空间
- 卷模式一致
卷健康监控
CSI 驱动可上报卷异常，分为：
- 外部健康监控器：在 PVC 上报告事件
- Kubelet：在 Pod 上报告事件
健康状态也可通过 kubelet 指标暴露。
存储接口
CSI（容器存储接口）
CSI 标准化了存储系统与编排器的集成方式，便于供应商开发通用插件。
CSI 优势：
- 解耦核心与存储实现
- 插件一次开发多平台复用
- 支持新存储系统快速集成
CSI 支持：供应/删除、挂载/卸载、快照、扩容、指标、健康监控等功能。
临时卷（Ephemeral Volumes）
临时卷为 Pod 提供生命周期内的临时存储，适用于无需持久化的场景。
支持类型包括：
| 类型 | 说明 |
|---|---|
| emptyDir | 空目录，适合临时空间 |
| configMap | 注入配置信息 |
| downwardAPI | 暴露 Pod 信息 |
| secret | 注入敏感数据 |
| CSI ephemeral | 支持该特性的 CSI 驱动 |
| generic ephemeral | 支持 PV 的任意驱动 |
Generic Ephemeral Volume 的 PVC 生命周期与 Pod 绑定，Pod 删除后 PVC 及底层卷也被删除。
特殊注意事项
存储容量跟踪
容量跟踪可让调度器在调度带未绑定 PVC 的 Pod 时考虑实际可用容量，避免调度失败。
实现方式：
- CSI 驱动上报 CSIStorageCapacity
- 调度器据此决策
- 若容量不足自动重调度
需 CSI 驱动支持、StorageClass 使用 WaitForFirstConsumer、CSIDriver 配置 StorageCapacity: true。
节点卷数量限制
云厂商通常限制单节点可挂载卷数，Kubernetes 会自动遵循：
- Amazon EBS：每节点 39 个
- Google Persistent Disk：每节点 16 个
- Azure Disk：每节点 16 个
Kubernetes 还支持动态卷限制，自动识别节点类型和驱动上报的限制。
存储系统生命周期
主要阶段：
- 供应：静态或动态创建 PV
- 绑定：PVC 匹配并绑定 PV
- 使用：Pod 通过 PVC 挂载卷
- 保护：防止正在使用的 PV/PVC 被删除
- 释放：PVC 删除，PV 等待回收
- 回收：根据策略 Retain/Delete/Recycle（Recycle 已废弃）
总结
Kubernetes 存储系统通过抽象与解耦，实现了存储供应与消费的分离，支持多种卷类型和高级特性，满足企业级应用对数据持久化、备份、扩展和健康监控的需求。其灵活的架构既简化了用户操作，也赋予管理员强大的管理能力，是云原生基础设施不可或缺的重要组成部分。
参考文献
- Kubernetes 官方文档 - kubernetes.io
- Kubernetes StorageClass 设计 - kubernetes.io
- Kubernetes CSI 介绍 - kubernetes-csi.github.io