在微服务环境中，由于服务的动态性和分布性，存储问题变得比较棘手。一方面，我们需要确保数据的一致性和可靠性；另一方面，我们也需要提供足够的性能和可扩展性来满足服务的需求。此外，由于存储系统通常是底层基础设施的一部分，它的问题往往很难排查，而且也难以为上层服务带来直接的收益（难以说服客户为解决这块的工单花钱买专门对应的维保）。
Kubernetes 作为目前最被广泛使用的容器编排平台，提供了容器存储接口 (CSI Container Storage Interface) 来帮助使用者解决存储相关的问题，是一种将存储系统集成到 Kubernetes 的标准化方法。在这篇文章中，我们以 Ceph CSI 来举例，对集群中存储系统从底层磁盘到pod使用做一个分析。
存储系统概述
首先介绍下 Kubernetes 和容器存储接口（CSI）的概念，以及它们如何从底层磁盘存储到 PV、PVC 等 Kubernetes 存储相关的组件。
Kubernetes 存储概述
K8s 本身提供了一套灵活且可扩展的存储解决方案，包括以下几个主要组件：
- Persistent Volume（PV）：PV 是集群中的一块物理存储，可以是网络存储、本地磁盘等。它提供了一种让用户不用关心底层存储设备的具体实现。
- Persistent Volume Claim（PVC）：PVC ，从名字里加了个Claim可以看出来是对 PV 的一种申请，用户可以通过 PVC 请求存储资源。K8s 则会根据 PVC 的申请自动分配合适的 PV。
- Storage Class：Storage Class 是一种描述不同类型存储的模板，用于动态创建 PV。它可以包含存储类型、分配策略、回收策略等信息。
容器存储接口（CSI）
容器存储接口（CSI）是一种标准化的接口，提供她的目的是将第三方存储系统集成到K8s和其他容器编排平台。通过 CSI，存储提供商就可以直接通过开发插件来支持K8s，而无需修改其对应的核心代码。当然，CSI也提供了一组通用的 API，使得K8s可以与各种存储系统进行交互，包括创建、删除、扩展、挂载和卸载存储卷等操作。
从存储提供者的服务到 PV、PVC 的过程
存储提供者通过实现 CSI 插件来支持 Kubernetes。这个插件通常包括了控制器组件（负责处理创建、删除、扩展等操作）和节点组件（负责处理挂载和卸载操作）。
集群管理员根据存储提供商的文档创建一个或多个 Storage Class，描述不同类型的存储。这些 Storage Class 可以包含预配置的参数，如性能、分配策略、回收策略等。
用户根据需要创建 PVC，请求存储资源。在 PVC 中，用户可以指定所需的存储大小、访问模式（如只读、读写等）和 Storage Class。
Kubernetes 根据 PVC 的请求和 Storage Class 的配置，自动创建一个匹配的 PV。如果使用动态存储分配，Kubernetes 的 External Provisioner（是 Kubernetes 中的一个组件，用于动态创建 PV） 会通过 CSI 插件调用存储系统的 API，创建一个新的存储卷。
用户在 Pod 的配置文件中引用 PVC，将存储卷挂载到容器中。当 Pod 被调度到节点上时，Kubernetes 会通过 CSI 插件将存储卷挂载到容器的指定目录。
当 Pod 和 PVC 不再需要时，用户可以删除它们。Kubernetes 会根据 Storage Class 的reclaimPolicy字段定义的回收策略来处理 PV，例如释放存储资源或保留数据。
通过这种方式，Kubernetes 和 CSI 共同实现了从存储服务商提供的存储到集群中 PV、PVC 等存储相关组件的管理。给用户提供了一种灵活且可扩展的存储解决方案，使得用户可以更加专注于应用程序侧的开发和运维。
三种不同的存储技术
而在了解ceph之前，先看下三种不同的ceph会用到的存储技术，分别是块存储，文件存储和对象存储
块存储（Block Storage）
数据组织：块存储将数据分割成固定大小的块，每个块都有一个唯一的地址。这些块在逻辑上是连续的，但在物理存储设备上可能是分散的。块存储本身提供了一种底层的、灵活的数据存储方式，它允许用户自定义数据的组织和访问方式。甚至你可以理解块存储就类似于给了你一块磁盘，你自己去定义文件的存储访问方式。
访问方式：块存储使用块地址进行数据访问，一般通过 SCSI、iSCSI、Fibre Channel 等常见的数据存储和传输协议实现。操作系统可以将块设备抽象为一个虚拟磁盘，并在其上创建文件系统。
使用场景：块存储一般用于需要低延迟、高吞吐量和高 IOPS 的场景，如数据库、虚拟机等。它可以提供高性能的随机读写能力，但需要操作系统来管理文件系统和数据的组织。
文件存储（File Storage）
数据组织：文件存储以文件和目录的形式组织数据，提供了一种层次化的命名空间。文件系统负责管理文件的元数据（如文件名、大小、权限等）和数据块的映射关系，目前QAPM依赖TCS的存储主要也是用的文件存储。
访问方式：文件存储使用文件路径进行数据访问，支持标准的文件操作（如打开、关闭、读取、写入等）。文件存储可以通过网络文件系统协议（如 NFS、SMB/CIFS 等）在多个客户端之间共享。
使用场景：文件存储适用于需要共享数据、简化数据管理的场景，如文件服务器、备份、归档等。它提供了一种直观的数据访问方式，但相较于块存储，性能可能较低，因为构造文件系统会带来额外的文件系统开销(需要维护文件的元数据、目录结构以及数据块的映射关系)及文件锁还有文件存储系统多端同步时造成的网络延迟问题。
对象存储（Object Storage）
数据组织：对象存储将数据存储为一个个对象，每个对象包含了数据(Data)、元数据(MetaData)和唯一标识符(Unique Identifier)，元数据也就是些文件名、文件大小、创建时间、修改时间、权限等信息。元数据使得存储系统能够组织、管理和检索数据。对象存储提供了一个扁平的地址空间，对象之间没有层次关系(或者说是没有文件层级关系)。
访问方式：对象存储使用唯一标识符（如 URL）进行数据访问，支持简单的操作（如创建、删除、读取、写入等）。对象存储通常通过 RESTful API、HTTP/HTTPS 协议实现，可以方便地进行互联网访问。
使用场景：对象存储适用于需要大规模、高可扩展、高可用性的场景，如云存储、大数据、备份、归档等。它可以轻松地存储和管理海量数据，但不支持随机读写和文件系统语义，即对象存储的 API 通常只支持对整个对象的读取和写入，而不支持对对象内部的特定位置进行随机读写，且没有提供类似于文件系统的层次化命名空间和文件操作语义。
当然Ceph的三种存储的实现方式和此理念相同，但是作为一个分布式的系统，增加了一些特性，这里不多去赘述，文章主要目的也是从上到下捋一下集群存储的过程，而不是详述每个细节。
Ceph CSI 概述
作为我们例子重的存储提供者Ceph和K8s交互的桥梁，Ceph CSI（Container Storage Interface for Ceph）顾名思义，是一个用于将 Ceph 存储系统集成到 Kubernetes 和其他容器编排平台的插件。是一个目前被广泛应用的高性能、可扩展的分布式存储系统，适用于各种场景，如对象存储、块存储和文件系统。遵循K8s的CSI规范，提供了一组标准化的 API，使得K8s能和Ceph 存储系统进行交互，完成诸如创建、删除、扩展、挂载和卸载存储卷等操作。
Ceph CSI 的特点
支持多种 Ceph 存储类型：Ceph CSI 插件支持 Ceph 的多种存储类型，包括了我们介绍过的 Ceph RBD（块存储）、CephFS（文件系统）和 Ceph Object Storage（对象存储）。让用户能根据应用程序的需求灵活选择合适的存储类型。
动态存储分配：Ceph CSI 插件支持 K8s 的动态存储分配功能。用户可以通过创建 PVC 来请求存储资源，然后 K8s 会自动创建和分配一个匹配的 PV。这个过程是通过 Ceph CSI 插件与 Ceph 存储系统的 API 进行交互来完成的，用户不需要做什么操作。
存储卷快照和克隆：插件支持存储卷快照和克隆功能。用户可以创建存储卷的快照，用于数据备份或者创建新的存储卷。此外，用户还可以通过克隆功能创建一个与现有存储卷相同的副本，用于测试或者数据分析等场景。
数据加密：插件支持存储卷的数据加密功能。用户可以选择在 Ceph 存储系统中对数据进行加密，来增强数据的安全性和隐私性。
Ceph CSI 的工作原理
插件主要由两部分组成：控制器组件和节点组件。
控制器组件：负责处理存储卷的生命周期管理操作，如创建、删除、扩展、快照和克隆等。控制器组件通常部署在 K8s 控制平面上，通过与 Ceph 存储系统的 API 进行交互。
节点组件：负责在 K8s 工作节点上处理存储卷的挂载和卸载操作。节点组件部署在每个工作节点上，通过与 Ceph 存储系统的 API 或者直接访问存储设备来实现存储卷的挂载和卸载。
如果你选择Ceph来作为存储提供者，那么当用户创建一个 PVC 时，流程就是K8s 的 External Provisioner 会根据 PVC 的请求和 Storage Class 的配置，通过 Ceph CSI 插件调用 Ceph 存储系统的 API，在底层磁盘中创建一个新的存储卷。然后，当 Pod 被调度到节点上时，Kubernetes 会通过 Ceph CSI 插件将存储卷挂载到容器的指定目录。
至于Ceph本身，已经有大量文档去做详细的剖析和介绍，这里也不多赘述了。
总结
总的来说，在设计分布式集群的存储系统时，为了确保高可用性和性能，通常会选择使用类似于Ceph这样的分布式存储服务，而不是直接依赖本地磁盘作为持久化存储卷（PV）。K8s通过容器存储接口（CSI）为开发者提供了一种更加灵活和简化的方式来管理存储资源，让开发者可以更加专注于应用程序的开发，而不需要过多地关注底层基础设施的细节。
