K8s 系列(五) - 浅谈 CSI

1. 概述

进入 K8s 的世界，会发现有很多方便扩展的 Interface，包括 CSI, CNI, CRI 等，将这些接口抽象出来，是为了更好的提供开放、扩展、规范等能力。

K8s 持久化存储经历了从 in-tree Volume 到 CSI Plugin(out-of-tree) 的迁移，一方面是为了将 K8s 核心主干代码与 Volume 相关代码解耦，便于更好的维护；另一方面则是为了方便各大云厂商实现统一的接口，提供个性化的云存储能力，以期达到云存储生态圈的开放共赢。

本文将从持久卷 PV 的 创建(Create)、附着(Attach)、分离(Detach)、挂载(Mount)、卸载(Unmount)、删除(Delete) 等核心生命周期，对 CSI 实现机制进行了解析。

相关术语

Term	Definition
CSI	Container Storage Interface.
CNI	Container Network Interface.
CSI	Container Runtime Interface.
PV	Persistent Volume.
PVC	Persistent Volume Claim.
Volume	A unit of storage that will be made available inside of a CO-managed container, via the CSI.
Block Volume	A volume that will appear as a block device inside the container.
Mounted Volume	A volume that will be mounted using the specified file system and appear as a directory inside the container.
CO	Container Orchestration system, communicates with Plugins using CSI service RPCs.
SP	Storage Provider, the vendor of a CSI plugin implementation.
RPC	Remote Procedure Call.
Node	A host where the user workload will be running, uniquely identifiable from the perspective of a Plugin by a node ID.
Plugin	Aka “plugin implementation”, a gRPC endpoint that implements the CSI Services.
Plugin Supervisor	Process that governs the lifecycle of a Plugin, MAY be the CO.
Workload	The atomic unit of "work" scheduled by a CO. This MAY be a container or a collection of containers.

本文及后续相关文章都基于 K8s v1.22

K8s-CSI.png

2. 从 CSI 说起

CSI(Container Storage Interface) 是由来自 Kubernetes、Mesos、Docker 等社区 member 联合制定的一个行业标准接口规范(https://github.com/container-storage-interface/spec)，旨在将任意存储系统暴露给容器化应用程序。

CSI 规范定义了存储提供商实现 CSI 兼容的 Volume Plugin 的最小操作集和部署建议。CSI 规范的主要焦点是声明 Volume Plugin 必须实现的接口。

先看一下 Volume 的生命周期：

   CreateVolume +------------+ DeleteVolume
 +------------->|  CREATED   +--------------+
 |              +---+----^---+              |
 |       Controller |    | Controller       v
+++         Publish |    | Unpublish       +++
|X|          Volume |    | Volume          | |
+-+             +---v----+---+             +-+
                | NODE_READY |
                +---+----^---+
               Node |    | Node
              Stage |    | Unstage
             Volume |    | Volume
                +---v----+---+
                |  VOL_READY |
                +---+----^---+
               Node |    | Node
            Publish |    | Unpublish
             Volume |    | Volume
                +---v----+---+
                | PUBLISHED  |
                +------------+

The lifecycle of a dynamically provisioned volume, from
creation to destruction, when the Node Plugin advertises the
STAGE_UNSTAGE_VOLUME capability.

从 Volume 生命周期可以看到，一块持久卷要达到 Pod 可使用状态，需要经历以下阶段：

CreateVolume -> ControllerPublishVolume -> NodeStageVolume -> NodePublishVolume

而当删除 Volume 的时候，会经过如下反向阶段：

NodeUnpublishVolume -> NodeUnstageVolume -> ControllerUnpublishVolume -> DeleteVolume

上面流程的每个步骤，其实就对应了 CSI 提供的标准接口，云存储厂商只需要按标准接口实现自己的云存储插件，即可与 K8s 底层编排系统无缝衔接起来，提供多样化的云存储、备份、快照(snapshot)等能力。

3. 多组件协同

为实现具有高扩展性、out-of-tree 的持久卷管理能力，在 K8s CSI 实现中，相关协同的组件有：

K8s-CSI-component.png

3.1 组件介绍

• kube-controller-manager：K8s 资源控制器，主要通过 PVController, AttachDetach 实现持久卷的绑定(Bound)/解绑(Unbound)、附着(Attach)/分离(Detach)；
• CSI-plugin：K8s 独立拆分出来，实现 CSI 标准规范接口的逻辑控制与调用，是整个 CSI 控制逻辑的核心枢纽；
• node-driver-registrar：是一个由官方 K8s sig 小组维护的辅助容器(sidecar)，它使用 kubelet 插件注册机制向 kubelet 注册插件，需要请求 CSI 插件的 Identity 服务来获取插件信息；
• external-provisioner：是一个由官方 K8s sig 小组维护的辅助容器(sidecar)，主要功能是实现持久卷的创建(Create)、删除(Delete)；
• external-attacher：是一个由官方 K8s sig 小组维护的辅助容器(sidecar)，主要功能是实现持久卷的附着(Attach)、分离(Detach)；
• external-snapshotter：是一个由官方 K8s sig 小组维护的辅助容器(sidecar)，主要功能是实现持久卷的快照(VolumeSnapshot)、备份恢复等能力；
• external-resizer：是一个由官方 K8s sig 小组维护的辅助容器(sidecar)，主要功能是实现持久卷的弹性扩缩容，需要云厂商插件提供相应的能力；
• kubelet：K8s 中运行在每个 Node 上的控制枢纽，主要功能是调谐节点上 Pod 与 Volume 的附着、挂载、监控探测上报等；
• cloud-storage-provider：由各大云存储厂商基于 CSI 标准接口实现的插件，包括 Identity 身份服务、Controller 控制器服务、Node 节点服务；

3.2 组件通信

由于 CSI plugin 的代码在 K8s 中被认为是不可信的，因此 CSI Controller Server 和 External CSI SideCar、CSI Node Server 和 Kubelet 通过 Unix Socket 来通信，与云存储厂商提供的 Storage Service 通过 gRPC(HTTP/2) 通信：

K8s-CSI-network.png

4. RPC 调用

从 CSI 标准规范可以看到，云存储厂商想要无缝接入 K8s 容器编排系统，需要按规范实现相关接口，相关接口主要为：

K8s-CSI-PRC.png

• Identity 身份服务：Node Plugin 和 Controller Plugin 都必须实现这些 RPC 集，协调 K8s 与 CSI 的版本信息，负责对外暴露这个插件的信息。
• Controller 控制器服务：Controller Plugin 必须实现这些 RPC 集，创建以及管理 Volume，对应 K8s 中 attach/detach volume 操作。
• Node 节点服务：Node Plugin 必须实现这些 RPC 集，将 Volume 存储卷挂载到指定目录中，对应 K8s 中的 mount/unmount volume 操作。

相关 RPC 接口功能如下：

K8s-CSI-RPC-info.png

5. 创建/删除 PV

K8s 中持久卷 PV 的创建(Create)与删除(Delete)，由 external-provisioner 组件实现，相关工程代码在：
https://github.com/kubernetes-csi/external-provisioner

首先，通过标准的 cmd 方式获取命令行参数，执行 newController -> Run() 逻辑，相关代码如下：

// external-provisioner/cmd/csi-provisioner/csi-provisioner.go
main() {
...
    // 初始化控制器，实现 Volume 创建/删除接口
    csiProvisioner := ctrl.NewCSIProvisioner(
        clientset,
        *operationTimeout,
        identity,
        *volumeNamePrefix,
        *volumeNameUUIDLength,
        grpcClient,
        snapClient,
        provisionerName,
        pluginCapabilities,
        controllerCapabilities,
        ...
    )
    ...
    // 真正的 ProvisionController，包装了上面的 CSIProvisioner
    provisionController = controller.NewProvisionController(
        clientset,
        provisionerName,
        csiProvisioner,
        provisionerOptions...,
    )
    ...
    run := func(ctx context.Context) {
        ...
        // Run 运行起来
        provisionController.Run(ctx)
    }
}

接着，调用 PV 创建/删除流程：

PV 创建：runClaimWorker -> syncClaimHandler -> syncClaim -> provisionClaimOperation -> Provision -> CreateVolume
PV 删除：runVolumeWorker -> syncVolumeHandler -> syncVolume -> deleteVolumeOperation -> Delete -> DeleteVolume

K8s-CSI-provisioner.png

由 sigs.k8s.io/sig-storage-lib-external-provisioner 抽象了相关接口：

// 通过 vendor 方式引入 sigs.k8s.io/sig-storage-lib-external-provisioner
// external-provisioner/vendor/sigs.k8s.io/sig-storage-lib-external-provisioner/v7/controller/volume.go
type Provisioner interface {
    // 调用 PRC CreateVolume 接口实现 PV 创建
    Provision(context.Context, ProvisionOptions) (*v1.PersistentVolume, ProvisioningState, error)
    // 调用 PRC DeleteVolume 接口实现 PV 删除
    Delete(context.Context, *v1.PersistentVolume) error
}

6. Controller 调谐

K8s 中与 PV 相关的控制器有 PVController、AttachDetachController。

6.1 PVController

PVController 通过在 PVC 添加相关 Annotation(如 pv.kubernetes.io/provisioned-by)，由 external-provisioner 组件负责完成对应 PV 的创建/删除，然后 PVController 监测到 PV 创建成功的状态，完成与 PVC 的绑定(Bound)，调谐(reconcile)任务完成。然后交给 AttachDetachController 控制器进行下一步逻辑处理。

值得一提的是，PVController 内部通过使用 local cache，高效实现了 PVC 与 PV 的状态更新与绑定事件处理，相当于在 K8s informer 机制之外，又自己维护了一个 local store 进行 Add/Update/Delete 事件处理。

首先，通过标准的 newController -> Run() 逻辑：

// kubernetes/pkg/controller/volume/persistentvolume/pv_controller_base.go
func NewController(p ControllerParameters) (*PersistentVolumeController, error) {
    ...
    // 初始化 PVController
    controller := &PersistentVolumeController{
        volumes:                       newPersistentVolumeOrderedIndex(),
        claims:                        cache.NewStore(cache.DeletionHandlingMetaNamespaceKeyFunc),
        kubeClient:                    p.KubeClient,
        eventRecorder:                 eventRecorder,
        runningOperations:             goroutinemap.NewGoRoutineMap(true /* exponentialBackOffOnError */),
        cloud:                         p.Cloud,
        enableDynamicProvisioning:     p.EnableDynamicProvisioning,
        clusterName:                   p.ClusterName,
        createProvisionedPVRetryCount: createProvisionedPVRetryCount,
        createProvisionedPVInterval:   createProvisionedPVInterval,
        claimQueue:                    workqueue.NewNamed("claims"),
        volumeQueue:                   workqueue.NewNamed("volumes"),
        resyncPeriod:                  p.SyncPeriod,
        operationTimestamps:           metrics.NewOperationStartTimeCache(),
    }
    ...
    // PV 增删改事件监听
    p.VolumeInformer.Informer().AddEventHandler(
        cache.ResourceEventHandlerFuncs{
            AddFunc:    func(obj interface{}) { controller.enqueueWork(controller.volumeQueue, obj) },
            UpdateFunc: func(oldObj, newObj interface{}) { controller.enqueueWork(controller.volumeQueue, newObj) },
            DeleteFunc: func(obj interface{}) { controller.enqueueWork(controller.volumeQueue, obj) },
        },
    )
    ...
    // PVC 增删改事件监听
    p.ClaimInformer.Informer().AddEventHandler(
        cache.ResourceEventHandlerFuncs{
            AddFunc:    func(obj interface{}) { controller.enqueueWork(controller.claimQueue, obj) },
            UpdateFunc: func(oldObj, newObj interface{}) { controller.enqueueWork(controller.claimQueue, newObj) },
            DeleteFunc: func(obj interface{}) { controller.enqueueWork(controller.claimQueue, obj) },
        },
    )
    ...
    return controller, nil
}

接着，调用 PVC/PV 绑定/解绑逻辑：

PVC/PV 绑定：claimWorker -> updateClaim -> syncClaim -> syncBoundClaim -> bind
PVC/PV 解绑：volumeWorker -> updateVolume -> syncVolume -> unbindVolume

6.2 AttachDetachController

AttachDetachController 将已经绑定(Bound) 成功的 PVC/PV，内部经过 InTreeToCSITranslator 转换器，实现由 in-tree 方式管理的 Volume 向 out-of-tree 方式管理的 CSI 插件模式转换。

接着，由 CSIPlugin 内部逻辑实现 VolumeAttachment 资源类型的创建/删除，调谐(reconcile) 任务完成。然后交给 external-attacher 组件进行下一步逻辑处理。

相关核心代码在 reconciler.Run() 中实现如下：

// kubernetes/pkg/controller/volume/attachdetach/reconciler/reconciler.go
func (rc *reconciler) reconcile() {

    // 先进行 DetachVolume，确保因 Pod 重新调度到其他节点的 Volume 提前分离(Detach)
    for _, attachedVolume := range rc.actualStateOfWorld.GetAttachedVolumes() {
        // 如果不在期望状态的 Volume，则调用 DetachVolume 删除 VolumeAttachment 资源对象
        if !rc.desiredStateOfWorld.VolumeExists(
            attachedVolume.VolumeName, attachedVolume.NodeName) {
            ...
            err = rc.attacherDetacher.DetachVolume(attachedVolume.AttachedVolume, verifySafeToDetach, rc.actualStateOfWorld)
            ...
        }
    }
    // 调用 AttachVolume 创建 VolumeAttachment 资源对象
    rc.attachDesiredVolumes()
    ...
}

7. 附着/分离 Volume

K8s 中持久卷 PV 的附着(Attach)与分离(Detach)，由 external-attacher 组件实现，相关工程代码在：
https://github.com/kubernetes-csi/external-attacher

external-attacher 组件观察到由上一步 AttachDetachController 创建的 VolumeAttachment 对象，如果其 .spec.Attacher 中的 Driver name 指定的是自己同一 Pod 内的 CSI Plugin，则调用 CSI Plugin 的ControllerPublish 接口进行 Volume Attach。

首先，通过标准的 cmd 方式获取命令行参数，执行 newController -> Run() 逻辑，相关代码如下：

// external-attacher/cmd/csi-attacher/main.go
func main() {
    ...
    ctrl := controller.NewCSIAttachController(
        clientset,
        csiAttacher,
        handler,
        factory.Storage().V1().VolumeAttachments(),
        factory.Core().V1().PersistentVolumes(),
        workqueue.NewItemExponentialFailureRateLimiter(*retryIntervalStart, *retryIntervalMax),
        workqueue.NewItemExponentialFailureRateLimiter(*retryIntervalStart, *retryIntervalMax),
        supportsListVolumesPublishedNodes,
        *reconcileSync,
    )

    run := func(ctx context.Context) {
        stopCh := ctx.Done()
        factory.Start(stopCh)
        ctrl.Run(int(*workerThreads), stopCh)
    }
    ...
}

接着，调用 Volume 附着/分离逻辑：

Volume 附着(Attach)：syncVA -> SyncNewOrUpdatedVolumeAttachment -> syncAttach -> csiAttach -> Attach -> ControllerPublishVolume
Volume 分离(Detach)：syncVA -> SyncNewOrUpdatedVolumeAttachment -> syncDetach -> csiDetach -> Detach -> ControllerUnpublishVolume

K8s-CSI-attacher.png

8. kubelet 挂载/卸载 Volume

K8s 中持久卷 PV 的挂载(Mount)与卸载(Unmount)，由 kubelet 组件实现。

kubelet 通过 VolumeManager 启动 reconcile loop，当观察到有新的使用 PersistentVolumeSource 为CSI 的 PV 的 Pod 调度到本节点上，于是调用 reconcile 函数进行 Attach/Detach/Mount/Unmount 相关逻辑处理。

// kubernetes/pkg/kubelet/volumemanager/reconciler/reconciler.go
func (rc *reconciler) reconcile() {
    // 先进行 UnmountVolume，确保因 Pod 删除被重新 Attach 到其他 Pod 的 Volume 提前卸载(Unmount)
    rc.unmountVolumes()

    // 接着通过判断 controllerAttachDetachEnabled || PluginIsAttachable 及当前 Volume 状态
    // 进行 AttachVolume / MountVolume / ExpandInUseVolume
    rc.mountAttachVolumes()

    // 卸载(Unmount) 或分离(Detach) 不再需要(Pod 删除)的 Volume
    rc.unmountDetachDevices()
}

相关调用逻辑如下：

Volume 挂载(Mount)：reconcile -> mountAttachVolumes -> MountVolume -> SetUp -> SetUpAt -> NodePublishVolume
Volume 卸载(Unmount)：reconcile -> unmountVolumes -> UnmountVolume -> TearDown -> TearDownAt -> NodeUnpublishVolume

K8s-CSI-kubelet.png

9. 小结

本文通过分析 K8s 中持久卷 PV 的 创建(Create)、附着(Attach)、分离(Detach)、挂载(Mount)、卸载(Unmount)、删除(Delete) 等核心生命周期流程，对 CSI 实现机制进行了解析，通过源码、图文方式说明了相关流程逻辑，以期更好的理解 K8s CSI 运行流程。

可以看到，K8s 以 CSI Plugin(out-of-tree) 插件方式开放存储能力，一方面是为了将 K8s 核心主干代码与 Volume 相关代码解耦，便于更好的维护；另一方面在遵从 CSI 规范接口下，便于各大云厂商根据业务需求实现相关的接口，提供个性化的云存储能力，以期达到云存储生态圈的开放共赢。

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参考资料

1. CSI 规范
2. Kubernetes 源码
3. kubernetes-csi 源码
4. kubernetes-sig-storage 源码
5. K8s CSI 概念
6. K8s CSI 介绍