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從零開始建立 EMQ X MQTT 服務器 的 K8S 集群

本文轉載自   查看原文   2020-06-16 17:17   686    mqtt/ k8s/ emq/ 物聯網/ iot

EMQ X Team 提供了 Helm chart 方便用戶在 kubernetes 集群上一鍵部署 EMQ X MQTT 服務器, 這是 EMQ X Team 最推薦的在 kubernetes 或 k3s 集群上部署 EMQ X MQTT 服務器的方法。 本文將使用手寫 yaml 文件的方法從零開始部署一個 EMQ X MQTT 服務器的 K8S 集群, 分析部署中的細節與技巧，方便用戶在實際部署中靈活使用。

閱讀本文需要用戶了解 kubernetes 的基本概念，並有一個可操作的 kubernetes 集群。

在 K8S 上部署單個 EMQ X MQTT服務器節點

使用 Pod 直接部署 EMQ X Broker

在Kubernetes中，最小的管理元素不是一個個獨立的容器，而是 Pod，Pod 是 Kubernetes 應用程序的基本執行單元，即它是 Kubernetes 對象模型中創建或部署的最小和最簡單的單元。Pod 表示在 集群 上運行的進程。

EMQ X Broker 在 docker hub 上提供了鏡像, 因此可以很方便的在單個的 pod 上部署 EMQ X Broker，使用 kubectl run 命令創建一個運行着 EMQ X Broker 的 Pod：

$ kubectl run emqx --image=emqx/emqx:v4.1-rc.1  --generator=run-pod/v1
pod/emqx created

查看 EMQ X Broker 的狀態：

$ kubectl get pods -o wide
NAME   READY   STATUS    RESTARTS   AGE
emqx   1/1     Running   0          3m13s

$ kubectl exec emqx -- emqx_ctl status
Node 'emqx@192.168.77.108' is started
emqx 4.1-rc.1 is running

刪除 Pod：

$ kubectl delete pods emqx
pod "emqx" deleted

Pod 並不是被設計成一個持久化的資源，它不會在調度失敗，節點崩潰，或者其他回收中（比如因為資源的缺乏，或者其他的維護中）幸存下來，因此，還需要一個控制器來管理 Pod。

使用 Deoloyment 部署 Pod

Deployment 為 Pod 和 ReplicaSet 提供了一個聲明式定義（declarative）方法，用來替代以前的ReplicationController 來方便的管理應用。典型的應用場景包括：

  • 定義Deployment來創建Pod和ReplicaSet
  • 滾動升級和回滾應用
  • 擴容和縮容
  • 暫停和繼續Deployment

使用 Deployment 部署一個 EMQ X Broker Pod：

  • 定義 Deployment：

    $ cat deployment.yaml

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: emqx-deployment
  labels:
    app: emqx
spec:
  replicas: 1
  selector:
    matchLabels:
      app: emqx
  template:
    metadata:
      labels:
        app: emqx
    spec:
      containers:
      - name: emqx
        image: emqx/emqx:v4.1-rc.1
        ports:
        - name: mqtt
        	containerPort: 1883
        - name: mqttssl
        	containerPort: 8883
        - name: mgmt
        	containerPort: 8081
        - name: ws
        	containerPort: 8083
        - name: wss
        	containerPort: 8084
        - name: dashboard
        	containerPort: 18083

  • 部署 Deployment：

    $  kubectl apply -f deployment.yaml
deployment.apps/emqx-deployment created

  • 查看部署情況：

    $ kubectl get deployment
NAME                              READY   UP-TO-DATE   AVAILABLE   AGE
deployment.apps/emqx-deployment   3/3     3            3           74s

$ kubectl get pods
NAME                                  READY   STATUS    RESTARTS   AGE
pod/emqx-deployment-7c44dbd68-8j77l   1/1     Running   0          74s

$ kubectl exec pod/emqx-deployment-7c44dbd68-8j77l -- emqx_ctl status
Node 'emqx-deployment-7c44dbd68-8j77l@192.168.77.117' is started
emqx 4.1-rc.1 is running

  • 嘗試手動刪除 Pod

    $ kubectl delete pods emqx-deployment-7c44dbd68-8j77l
pod "emqx-deployment-7c44dbd68-8j77l" deleted

$ kubectl get pods
NAME                              READY   STATUS    RESTARTS   AGE
emqx-deployment-68fcb4bfd6-2nhh6   1/1     Running   0          59s

    輸出結果表明成功用 Deployment 部署了 EMQ X Broker Pod，即使是此 Pod 被意外終止，Deployment 也會重新創建一個新的 Pod。

使用 Services 公開 EMQ X Broker Pod 服務

Kubernetes Pods 是有生命周期的。他們可以被創建，而且銷毀不會再啟動。 如果使用 Deployment 來運行應用程序，則它可以動態創建和銷毀 Pod。

每個 Pod 都有自己的 IP 地址，但是在 Deployment 中，在同一時刻運行的 Pod 集合可能與稍后運行該應用程序的 Pod 集合不同。

這導致了一個問題：如果使用 EMQ X Broker Pod 為 MQTT 客戶端提供服務，那么客戶端應該如何如何找出並跟蹤要連接的 IP 地址，以便客戶端使用 EMQ X Broker 服務呢？

答案是：Service

Service 是將運行在一組 Pods 上的應用程序公開為網絡服務的抽象方法。

使用 Service 將 EMQ X Broker Pod 公開為網絡服務：

  • 定義 Service：

    $cat service.yaml

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: emqx-service
spec:
  selector:
    app: emqx
  ports:
    - name: mqtt
      port: 1883
      protocol: TCP
      targetPort: mqtt
    - name: mqttssl
      port: 8883
      protocol: TCP
      targetPort: mqttssl
    - name: mgmt
      port: 8081
      protocol: TCP
      targetPort: mgmt
    - name: ws
      port: 8083
      protocol: TCP
      targetPort: ws
    - name: wss
      port: 8084
      protocol: TCP
      targetPort: wss
    - name: dashboard
      port: 18083
      protocol: TCP
      targetPort: dashboard

  • 部署 Service：

    $ kubectl apply -f service.yaml
service/emqx-service created

  • 查看部署情況

    $ kubectl get svc
NAME           TYPE        CLUSTER-IP     EXTERNAL-IP   PORT(S)                                        AGE
emqx-service   ClusterIP   10.96.54.205   <none>        1883/TCP,8883/TCP,8081/TCP,8083/TCP,8084/TCP,18083/TCP   58s

  • 使用 Service 提供的 IP 查看 EMQ X Broker 的 API

    $ curl 10.96.54.205:8081/status
Node emqx-deployment-68fcb4bfd6-2nhh6@192.168.77.120 is started
emqx is running

至此，單個 EMQ X Broker 節點在 kubernetes 上部署完畢，通過 Deployment 管理 EMQ X Broker Pod，通過 Service 將 EMQ X Broker 服務暴露出去。

通過 kubernetes 自動集群 EMQ X MQTT 服務器

上文中通過 Deployment 部署了單個的 EMQ X Broker Pod，通過 Deployment 擴展 Pod 的數量是極為方便的，執行 kubectl scale deployment ${deployment_name} --replicas ${numer} 命令即可擴展 Pod 的數量，下面將 EMQ X Broker Pod 擴展為 3 個：

$ kubectl scale deployment emqx-deployment --replicas 3
deployment.apps/emqx-deployment scaled

$ kubectl get pods
NAME                               READY   STATUS    RESTARTS   AGE
emqx-deployment-68fcb4bfd6-2nhh6   1/1     Running   0          18m
emqx-deployment-68fcb4bfd6-mpvch   1/1     Running   0          6s
emqx-deployment-68fcb4bfd6-mx55q   1/1     Running   0          6s

$ kubectl exec emqx-deployment-68fcb4bfd6-2nhh6 -- emqx_ctl status
Node 'emqx-deployment-68fcb4bfd6-2nhh6@192.168.77.120' is started
emqx 4.1-rc.1 is running

$ kubectl exec emqx-deployment-68fcb4bfd6-2nhh6 -- emqx_ctl cluster status
Cluster status: #{running_nodes =>
                      ['emqx-deployment-68fcb4bfd6-2nhh6@192.168.77.120'],
                  stopped_nodes => []}

可以看到 EMQ X Broker Pod 的數量被擴展為 3 個，但是每個 Pod 都是獨立的，並沒有集群，接下來嘗試通過 kubernetes 自動集群 EMQ X Broker Pod。

修改 EMQ X Broker 的配置

查看 EMQ X Broker 文檔中關於自動集群的內容，可以看到需要修改 EMQ X Broker 的配置：

cluster.discovery = kubernetes
cluster.kubernetes.apiserver = http://10.110.111.204:8080
cluster.kubernetes.service_name = ekka
cluster.kubernetes.address_type = ip
cluster.kubernetes.app_name = ekka

其中 cluster.kubernetes.apiserver 為 kubernetes apiserver 的地址，可以通過 kubectl cluster-info 命令獲取，cluster.kubernetes.service_name 為上文中 Service 的 name， cluster.kubernetes.app_name 為 EMQ X Broker 的 node.name 中 @ 符號之前的部分，所以還需要將集群中 EMQ X Broker 設置為統一的 node.name 的前綴。

EMQ X Broker 的 docker 鏡像提供了通過環境變量修改配置的功能，具體可以查看 docker hub 或 Github。

  • 修改 Deployment 的 yaml 文件，增加環境變量：

    $ cat deployment.yaml

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: emqx-deployment
  labels:
    app: emqx
spec:
  replicas: 3
  selector:
    matchLabels:
      app: emqx
  template:
    metadata:
      labels:
        app: emqx
    spec:
      containers:
      - name: emqx
        image: emqx/emqx:v4.1-rc.1
        ports:
        - name: mqtt
          containerPort: 1883
        - name: mqttssl
          containerPort: 8883
        - name: mgmt
          containerPort: 8081
        - name: ws
          containerPort: 8083
        - name: wss
          containerPort: 8084
        - name: dashboard
          containerPort: 18083
        env:
        - name: EMQX_NAME
        	value: emqx
        - name: EMQX_CLUSTER__DISCOVERY
          value: k8s
        - name: EMQX_CLUSTER__K8S__APP_NAME
          value: emqx
        - name: EMQX_CLUSTER__K8S__SERVICE_NAME
          value: emqx-service
        - name: EMQX_CLUSTER__K8S__APISERVER
          value: "https://kubernetes.default.svc:443"
        - name: EMQX_CLUSTER__K8S__NAMESPACE
          value: default

    因為 ``kubectl scale deployment ${deployment_name} --replicas ${numer}命令不會修改 yaml 文件，所以修改 yaml 時需要設置spec.replicas: 3` 。

    Pod 中內建 kubernetes 的 DNS 規則，所以 https://kubernetes.default.svc:443 會被解析為 kubernetes apiserver 的地址。

  • 刪除之前的 Deployment，重新部署：

    $ kubectl delete deployment emqx-deployment
deployment.apps "emqx-deployment" deleted

$ kubectl apply -f deployment.yaml
deployment.apps/emqx-deployment created

賦予 Pod 訪問 kubernetes apiserver 的權限

上文部署 Deployment 之后，查看 EMQ X Broker 的狀態，可以看到 EMQ X Broker 雖然成功啟動了，但是依然沒有集群成功，查看 EMQ X Broker Pod 的 log：

$ kubectl get pods
NAME                               READY   STATUS    RESTARTS   AGE
emqx-deployment-5c8cfc4d75-67lmt   1/1     Running   0          5s
emqx-deployment-5c8cfc4d75-r6jgb   1/1     Running   0          5s
emqx-deployment-5c8cfc4d75-wv2hj   1/1     Running   0          5s

$ kubectl exec emqx-deployment-5c8cfc4d75-67lmt -- emqx_ctl status
Node 'emqx@192.168.87.150' is started
emqx 4.1-rc.1 is running

$ kubectl exec emqx-deployment-5c8cfc4d75-67lmt -- emqx_ctl cluster status
Cluster status: #{running_nodes => ['emqx@192.168.87.150'],
                  stopped_nodes => []}
                  
$ kubectl logs emqx-deployment-76f6895c46-4684f

···
(emqx@192.168.87.150)1> 2020-05-20 01:48:39.726 [error] Ekka(AutoCluster): Discovery error: {403,
                                     "{\"kind\":\"Status\",\"apiVersion\":\"v1\",\"metadata\":{},\"status\":\"Failure\",\"message\":\"endpoints \\\"emqx-service\\\" is forbidden: User \\\"system:serviceaccount:default:default\\\" cannot get resource \\\"endpoints\\\" in API group \\\"\\\" in the namespace \\\"default\\\"\",\"reason\":\"Forbidden\",\"details\":{\"name\":\"emqx-service\",\"kind\":\"endpoints\"},\"code\":403}\n"}
···

Pod 因為權限問題在訪問 kubernetes apiserver 的時候被拒絕，返回 HTTP 403，所以集群失敗。

普通 Pod 是無法訪問 kubernetes apiserver 的，解決這個問題有兩種方法，一種是開放 kubernetes apiserver 的 http 接口，但是這種方法存在一定的安全隱患，另外一種是通過 ServiceAccount、Role 和 RoleBinding 配置 RBAC 鑒權。

  • 定義 ServiceAccount、Role 和 RoleBinding：

    $ cat rbac.yaml

apiVersion: v1
kind: ServiceAccount
metadata:
  namespace: default
  name: emqx
---
kind: Role
apiVersion: rbac.authorization.kubernetes.io/v1beta1
metadata:
  namespace: default
  name: emqx
rules:
- apiGroups:
  - ""
  resources:
  - endpoints 
  verbs: 
  - get
  - watch
  - list
---
kind: RoleBinding
apiVersion: rbac.authorization.kubernetes.io/v1beta1
metadata:
  namespace: default
  name: emqx
subjects:
  - kind: ServiceAccount
    name: emqx
    namespace: default
roleRef:
  kind: Role
  name: emqx
  apiGroup: rbac.authorization.kubernetes.io

  • 部署相應的資源：

    $ kubectl apply -f rbac.yaml
serviceaccount/emqx created
role.rbac.authorization.kubernetes.io/emqx created
rolebinding.rbac.authorization.kubernetes.io/emqx created

  • 修改 Deployment 的 yaml 文件，增加 spec.template.spec.serviceAccountName，並重新部署：

    $cat deployment.yaml

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: emqx-deployment
  labels:
    app: emqx
spec:
  replicas: 3
  selector:
    matchLabels:
      app: emqx
  template:
    metadata:
      labels:
        app: emqx
    spec:
      serviceAccountName: emqx
      containers:
      - name: emqx
        image: emqx/emqx:v4.1-rc.1
        ports:
        - name: mqtt
          containerPort: 1883
        - name: mqttssl
          containerPort: 8883
        - name: mgmt
          containerPort: 8081
        - name: ws
          containerPort: 8083
        - name: wss
          containerPort: 8084
        - name: dashboard
          containerPort: 18083
        env:
        - name: EMQX_NAME
        	value: emqx
        - name: EMQX_CLUSTER__DISCOVERY
          value: kubernetes
        - name: EMQX_CLUSTER__K8S__APP_NAME
          value: emqx
        - name: EMQX_CLUSTER__K8S__SERVICE_NAME
          value: emqx-service
        - name: EMQX_CLUSTER__K8S__APISERVER
          value: "https://kubernetes.default.svc:443"
        - name: EMQX_CLUSTER__K8S__NAMESPACE
          value: default
          
$ kubectl delete deployment emqx-deployment
deployment.apps "emqx-deployment" deleted

$ kubectl apply -f deployment.yaml
deployment.apps/emqx-deployment created

  • 查看狀態：

    $ kubectl get pods
NAME                              READY   STATUS    RESTARTS   AGE
emqx-deployment-6b854486c-dhd7p   1/1     Running   0          10s
emqx-deployment-6b854486c-psv2r   1/1     Running   0          10s
emqx-deployment-6b854486c-tdzld   1/1     Running   0          10s

$ kubectl exec emqx-deployment-6b854486c-dhd7p  -- emqx_ctl status
Node 'emqx@192.168.77.92' is started
emqx 4.1-rc.1 is running

$ kubectl exec emqx-deployment-6b854486c-dhd7p  -- emqx_ctl cluster status
Cluster status: #{running_nodes =>
                      ['emqx@192.168.77.115','emqx@192.168.77.92',
                       'emqx@192.168.87.157'],
                  stopped_nodes => []}

  • 中止一個 Pod：

    $ kubectl delete pods emqx-deployment-6b854486c-dhd7p
pod "emqx-deployment-6b854486c-dhd7p" deleted

$ kubectl get pods
NAME                              READY   STATUS    RESTARTS   AGE
emqx-deployment-6b854486c-846v7   1/1     Running   0          56s
emqx-deployment-6b854486c-psv2r   1/1     Running   0          3m50s
emqx-deployment-6b854486c-tdzld   1/1     Running   0          3m50s

$ kubectl exec emqx-deployment-6b854486c-846v7 -- emqx_ctl cluster status
Cluster status: #{running_nodes =>
                      ['emqx@192.168.77.115','emqx@192.168.77.84',
                       'emqx@192.168.87.157'],
                  stopped_nodes => ['emqx@192.168.77.92']}

    輸出結果表明 EMQ X Broker 會正確的顯示已經停掉的 Pod，並將 Deployment 新建的 Pod 加入集群。

至此，EMQ X Broker 在 kubernetes 上成功建立集群。

持久化 EMQ X Broker 集群

上文中使用的 Deployment 來管理 Pod，但是 Pod 的網絡是不停變動的，而且當 Pod 被銷毀重建時，儲存在 EMQ X Broker 的數據和配置也就隨之消失了，這在生產中是不能接受的，接下來嘗試把 EMQ X Broker 的集群持久化，即使 Pod 被銷毀重建，EMQ X Broker 的數據依然可以保存下來。

ConfigMap

ConfigMap 是 configMap 是一種 API 對象，用來將非機密性的數據保存到健值對中。使用時可以用作環境變量、命令行參數或者存儲卷中的配置文件。

ConfigMap 將您的環境配置信息和 容器鏡像 解耦，便於應用配置的修改。

ConfigMap 並不提供保密或者加密功能。如果你想存儲的數據是機密的，請使用 Secret ，或者使用其他第三方工具來保證你的數據的私密性，而不是用 ConfigMap。

接下來使用 ConfigMap 記錄 EMQ X Broker 的配置，並將它們以環境變量的方式導入到 Deployment 中。

  • 定義 Configmap，並部署：

    $cat configmap.yaml

apiVersion: v1
kind: ConfigMap
metadata:
  name: emqx-config
data:
  EMQX_CLUSTER__K8S__ADDRESS_TYPE: "hostname"
  EMQX_CLUSTER__K8S__APISERVER: "https://kubernetes.default.svc:443"
  EMQX_CLUSTER__K8S__SUFFIX: "svc.cluster.local"
  
$ kubectl apply -f configmap.yaml
configmap/emqx-config created

  • 配置 Deployment 來使用 Configmap

    $cat deployment.yaml

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: emqx-deployment
  labels:
    app: emqx
spec:
  replicas: 3
  selector:
    matchLabels:
      app: emqx
  template:
    metadata:
      labels:
        app: emqx
    spec:
      serviceAccountName: emqx
      containers:
      - name: emqx
        image: emqx/emqx:v4.1-rc.1
        ports:
        - name: mqtt
          containerPort: 1883
        - name: mqttssl
          containerPort: 8883
        - name: mgmt
          containerPort: 8081
        - name: ws
          containerPort: 8083
        - name: wss
          containerPort: 8084
        - name: dashboard
          containerPort: 18083
        envFrom:
          - configMapRef:
              name: emqx-config

  • 重新部署 Deployment，查看狀態

    $ kubectl delete -f deployment.yaml
deployment.apps "emqx-deployment" deleted

$ kubectl apply -f deployment.yaml
deployment.apps/emqx-deployment created

$ kubectl get pods
NAME                               READY   STATUS    RESTARTS   AGE
emqx-deployment-5c7696b5d7-k9lzj   1/1     Running   0          3s
emqx-deployment-5c7696b5d7-mdwkt   1/1     Running   0          3s
emqx-deployment-5c7696b5d7-z57z7   1/1     Running   0          3s

$ kubectl exec emqx-deployment-5c7696b5d7-k9lzj -- emqx_ctl status
Node 'emqx@192.168.87.149' is started
emqx 4.1-rc.1 is running

$ kubectl exec emqx-deployment-5c7696b5d7-k9lzj -- emqx_ctl cluster status
Cluster status: #{running_nodes =>
                      ['emqx@192.168.77.106','emqx@192.168.77.107',
                       'emqx@192.168.87.149'],
                  stopped_nodes => []}

EMQ X Broker 的配置文件已經解耦到 Configmap 中了，如果有需要，可以自由的配置一個或多個 Configmap，並把它們作為環境變量或是文件引入到 Pod 內。

StatefulSet

StatefulSet 是為了解決有狀態服務的問題（對應 Deployments 和 ReplicaSets 是為無狀態服務而設計），其應用場景包括

  • 穩定的持久化存儲，即 Pod 重新調度后還是能訪問到相同的持久化數據，基於 PVC 來實現
  • 穩定的網絡標志，即 Pod 重新調度后其 PodName 和 HostName 不變，基於 Headless Service（即沒有Cluster IP的Service）來實現
  • 有序部署，有序擴展，即 Pod 是有順序的，在部署或者擴展的時候要依據定義的順序依次依次進行（即從0到N-1，在下一個Pod運行之前所有之前的 Pod 必須都是 Running 和 Ready 狀態），基於 init containers 來實現
  • 有序收縮，有序刪除（即從N-1到0）

從上面的應用場景可以發現，StatefulSet由以下幾個部分組成：

  • 用於定義網絡標志（DNS domain）的 Headless Service
  • 用於創建 PersistentVolumes 的 volumeClaimTemplates
  • 定義具體應用的 StatefulSet

StatefulSet 中每個 Pod 的 DNS 格式為 statefulSetName-{0..N-1}.serviceName.namespace.svc.cluster.local ，其中

  • serviceName 為 Headless Service 的名字
  • 0..N-1 為 Pod 所在的序號，從 0 開始到 N-1
  • statefulSetName 為StatefulSet的名字
  • namespace 為服務所在的 namespace，Headless Servic 和 StatefulSet 必須在相同的 namespace
  • .cluster.local 為 Cluster Domain

接下來使用 StatefulSet 代替 Deployment 來管理 Pod。

  • 刪除 Deployment：

    $ kubectl delete deployment emqx-deployment
deployment.apps "emqx-deployment" deleted

  • 定義 StatefulSet：

    $cat statefulset.yaml

apiVersion: apps/v1
kind: StatefulSet
metadata:
  name: emqx-statefulset
  labels:
    app: emqx
spec:
	serviceName: emqx-headless
  updateStrategy:
    type: RollingUpdate
  replicas: 3
  selector:
    matchLabels:
      app: emqx
  template:
    metadata:
      labels:
        app: emqx
    spec:
      serviceAccountName: emqx
      containers:
      - name: emqx
        image: emqx/emqx:v4.1-rc.1
        ports:
        - name: mqtt
          containerPort: 1883
        - name: mqttssl
          containerPort: 8883
        - name: mgmt
          containerPort: 8081
        - name: ws
          containerPort: 8083
        - name: wss
          containerPort: 8084
        - name: dashboard
          containerPort: 18083
        envFrom:
          - configMapRef:
              name: emqx-config

    注意，StatefulSet 需要 Headless Service 來實現穩定的網絡標志，因此需要再定義一個 Service

    $cat headless.yaml

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: emqx-headless
spec:
  type: ClusterIP
  clusterIP: None
  selector:
    app: emqx
  ports:
  - name: mqtt
    port: 1883
    protocol: TCP
    targetPort: 1883
  - name: mqttssl
    port: 8883
    protocol: TCP
    targetPort: 8883
  - name: mgmt
    port: 8081
    protocol: TCP
    targetPort: 8081
  - name: websocket
    port: 8083
    protocol: TCP
    targetPort: 8083
  - name: wss
    port: 8084
    protocol: TCP
    targetPort: 8084
  - name: dashboard
    port: 18083
    protocol: TCP
    targetPort: 18083

    因為 Headless Service 並不需要 IP，所以配置了 clusterIP: None 。

  • 部署相應的資源：

    $ kubectl apply -f headless-service.yaml
service/emqx-headless created

$ kubectl apply -f statefulset.yaml
statefulset.apps/emqx-deployment created

$ kubectl get pods
NAME                               READY   STATUS    RESTARTS   AGE
emqx-statefulset-0                 1/1     Running   0          2m59s
emqx-statefulset-1                 1/1     Running   0          2m57s
emqx-statefulset-2                 1/1     Running   0          2m54s

$ kubectl exec emqx-statefulset-0 -- emqx_ctl cluster status
Cluster status: #{running_nodes =>
                      ['emqx@192.168.77.105','emqx@192.168.87.153',
                       'emqx@192.168.87.155'],
                  stopped_nodes => []}

  • 更新 Configmap：

    StatefulSet 提供了穩定的網絡標志，EMQ X Broker 支持使用 hostname 和 dns 規則來代提 IP 實現集群，以 hostname 為例，需要修改 emqx.conf：

    cluster.kubernetes.address_type = hostname
cluster.kubernetes.suffix = "svc.cluster.local"

    kubernetes 集群中 Pod 的 DNS 規則可以由用戶自定義，EMQ X Broker 提供了 cluster.kubernetes.suffix 方便用戶匹配自定的 DNS 規則，本文使用默認的 DNS 規則：statefulSetName-{0..N-1}.serviceName.namespace.svc.cluster.local ，DNS 規則中的 serviceName 為 StatefulSet 使用的 Headless Service，所以還需要將 cluster.kubernetes.service_name 修改為 Headless Service Name。

    將配置項轉為環境變量，需要在 Configmap 中配置：

    EMQX_CLUSTER__K8S__ADDRESS_TYPE: "hostname"
EMQX_CLUSTER__K8S__SUFFIX: "svc.cluster.local"
EMQX_CLUSTER__K8S__SERVICE_NAME: emqx-headless

    Configmap 提供了熱更新功能，執行 $ kubectl edit configmap emqx-config 來熱更新 Configmap。

  • 重新部署 StatefulSet：

    Configmap 更新之后 Pod 並不會重啟，需要我們手動更新 StatefulSet

    $ kubectl delete statefulset emqx-statefulset
statefulset.apps "emqx-statefulset" deleted

$ kubectl apply -f statefulset.yaml
statefulset.apps/emqx-statefulset created

$ kubectl get pods
NAME                 READY   STATUS    RESTARTS   AGE
emqx-statefulset-0   1/1     Running   0          115s
emqx-statefulset-1   1/1     Running   0          112s
emqx-statefulset-2   1/1     Running   0          110s

$ kubectl exec emqx-statefulset-2 -- emqx_ctl cluster status
Cluster status: #{running_nodes =>
                      ['emqx@emqx-statefulset-0.emqx-headless.default.svc.cluster.local',
                       'emqx@emqx-statefulset-1.emqx-headless.default.svc.cluster.local',
                       'emqx@emqx-statefulset-2.emqx-headless.default.svc.cluster.local'],
                  stopped_nodes => []}

    可以看到新的 EMQ X Broker 集群已經成功的建立起來了。

  • 中止一個 Pod：

    StatefulSet 中的 Pod 重新調度后其 PodName 和 HostName 不變，下面來嘗試一下：

    $ kubectl get pods
kuNAME                 READY   STATUS    RESTARTS   AGE
emqx-statefulset-0   1/1     Running   0          6m20s
emqx-statefulset-1   1/1     Running   0          6m17s
emqx-statefulset-2   1/1     Running   0          6m15s

$ kubectl delete pod emqx-statefulset-0
pod "emqx-statefulset-0" deleted

$ kubectl get pods
NAME                 READY   STATUS    RESTARTS   AGE
emqx-statefulset-0   1/1     Running   0          27s
emqx-statefulset-1   1/1     Running   0          9m45s
emqx-statefulset-2   1/1     Running   0          9m43s

$ kubectl exec emqx-statefulset-2 -- emqx_ctl cluster status
Cluster status: #{running_nodes =>
                      ['emqx@emqx-statefulset-0.emqx-headless.default.svc.cluster.local',
                       'emqx@emqx-statefulset-1.emqx-headless.default.svc.cluster.local',
                       'emqx@emqx-statefulset-2.emqx-headless.default.svc.cluster.local'],
                  stopped_nodes => []}

    跟預期的一樣，StatefulSet 重新調度了一個具有相同網絡標志的 Pod，Pod 中的 EMQ X Broker 也成功的加入了集群。

StorageClasses、PersistentVolume 和 PersistentVolumeClaim

PersistentVolume（PV）是由管理員設置的存儲，它是群集的一部分。就像節點是集群中的資源一樣，PV 也是集群中的資源。 PV 是 Volume 之類的卷插件，但具有獨立於使用 PV 的 Pod 的生命周期。此 API 對象包含存儲實現的細節，即 NFS、iSCSI 或特定於雲供應商的存儲系統。

PersistentVolumeClaim（PVC）是用戶存儲的請求。它與 Pod 相似。Pod 消耗節點資源，PVC 消耗 PV 資源。Pod 可以請求特定級別的資源（CPU 和內存）。聲明可以請求特定的大小和訪問模式（例如，可以以讀/寫一次或 只讀多次模式掛載）。

StorageClass 為管理員提供了描述存儲 "class（類）" 的方法。 不同的 class 可能會映射到不同的服務質量等級或備份策略，或由群集管理員確定的任意策略。 Kubernetes 本身不清楚各種 class 代表的什么。這個概念在其他存儲系統中有時被稱為“配置文件”。

在部署 EMQ X Broker 的時候，可以預先創建好 PV 或 StorageClass，然后利用 PVC 將 EMQ X Broker 的 /opt/emqx/data/mnesia 目錄掛載出來，當Pods被重新調度之后，EMQ X 會從 /opt/emqx/data/mnesia 目錄中獲取數據並恢復，從而實現 EMQ X Broker 的持久化。

  • 定義 StatefulSet

    $cat statefulset.yaml

apiVersion: apps/v1
kind: StatefulSet
metadata:
  name: emqx-statefulset
  labels:
    app: emqx
spec:
  replicas: 3
  serviceName: emqx-headless
  updateStrategy:
    type: RollingUpdate
  selector:
    matchLabels:
      app: emqx
  template:
    metadata:
      labels:
        app: emqx
    spec:
      volumes:
      - name: emqx-data
        persistentVolumeClaim:
          claimName: emqx-pvc
      serviceAccountName: emqx
      containers:
      - name: emqx
        image: emqx/emqx:v4.1-rc.1
        ports:
        - name: mqtt
          containerPort: 1883
        - name: mqttssl
          containerPort: 8883
        - name: mgmt
          containerPort: 8081
        - name: ws
          containerPort: 8083
        - name: wss
          containerPort: 8084
        - name: dashboard
          containerPort: 18083
        envFrom:
          - configMapRef:
              name: emqx-config
        volumeMounts:
        - name: emqx-data
          mountPath: "/opt/emqx/data/mnesia"
  volumeClaimTemplates:
  - metadata:
      name: emqx-pvc
      annotations:
        volume.alpha.kubernetes.io/storage-class: manual
    spec:
      accessModes: [ "ReadWriteOnce" ]
      resources:
        requests:
          storage: 1Gi

    該文件首先通過 volumeClaimTemplates 指定了使用 StorageClass 的 name 為 manual 的存儲類創建名稱為 emqx-pvc 的 PVC 資源，PVC 資源的讀寫模式為 ReadWriteOnce，需要 1Gi 的空間，然后將此 PVC 定義為 name 為 emqx-data 的 volumes，並將此 volumes 掛載在 Pod 中的 /opt/emqx/data/mnesia 目錄下。

  • 部署資源：

    部署 StatefulSet 之前，需要用戶或 kubernetes 集群管理員自行創建存儲類。

    $ kubectl apply -f statefulset.yaml
statefulset.apps/emqx-statefulset created

$ kubectl get pods
NAME                 READY   STATUS    RESTARTS   AGE
emqx-statefulset-0   1/1     Running   0          27s
emqx-statefulset-1   1/1     Running   0          9m45s
emqx-statefulset-2   1/1     Running   0          9m43s

$ kubectl get pvc
NAME                  			   STATUS    VOLUME                                 CAPACITY   ACCESS MODES   STORAGECLASS   AGE
emqx-data-emqx-statefulset-0   Bound     pvc-8094cd75-adb5-11e9-80cc-0697b59e8064   1Gi        RWO            gp2            2m11s
emqx-data-emqx-statefulset-0   Bound     pvc-9325441d-adb5-11e9-80cc-0697b59e8064   1Gi        RWO            gp2            99s
emqx-data-emqx-statefulset-0   Bound     pvc-ad425e9d-adb5-11e9-80cc-0697b59e8064   1Gi        RWO            gp2            56s

    輸出結果表明該 PVC 的狀態為 Bound，PVC 存儲已經成功的建立了，當 Pod 被重新調度時，EMQ X Broker 會讀取掛載到 PVC 中的數據，從而實現持久化。

EMQ X Broker 在 kubernetes 上建立持久化的集群就完成了，本文略過了部分細節，部署的過程也是偏向簡單的 Demo，用戶可以自行閱讀 kubernetes 文檔 與 EMQ X Team 提供的 Helm chart 源碼 來繼續深入研究，當然也歡迎在 Github 貢獻 issue、pull requests 以及 start。

版權聲明： 本文為 EMQ 原創，轉載請注明出處。

原文鏈接：https://www.emqx.io/cn/blog/emqx-mqtt-broker-k8s-cluster


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