Kubernetes StatefulSets

Introduction

ใน Kubernetes, StatefulSet เป็น Resource ที่ใช้ในการจัดการการใช้งาน Pods ที่ต้องการสถานะคงที่และการติดตามการระบุตัว (Identity) สำหรับแต่ละ Pod ที่ถูกสร้างขึ้นใน Cluster โดยที่แต่ละ Pod จะมีชื่อที่ไม่ซ้ำกันและสามารถมีการเก็บข้อมูลใน Persistent Volumes ซึ่งเป็นการรับประกันความสมบูรณ์ของข้อมูลสำหรับแอปพลิเคชันที่ต้องการสถานะหรือการจำแนกที่ไม่เปลี่ยนแปลง

StatefulSet ถูกออกแบบมาสำหรับแอปพลิเคชันที่มีการเก็บข้อมูล (stateful applications) เช่น databases, caches, หรืออื่น ๆ ที่ต้องการให้แต่ละ Pod มีการระบุตัวเฉพาะและข้อมูลที่คงที่เมื่อมีการปรับขนาดหรือการกระจาย Pod ใหม่

ในบทนี้, เราจะเรียนรู้เกี่ยวกับ StatefulSet การทำงานของมัน และวิธีการติดตั้งและใช้งานใน Kubernetes Cluster

Key Concepts

1. StatefulSet:

   • StatefulSet เป็นการจัดการ Pods ที่มีสถานะและต้องการการติดตามการระบุตัว (Stable Network Identity) โดยที่ Pods แต่ละตัวจะมีชื่อที่แตกต่างกันและสามารถเก็บข้อมูลใน Persistent Volume ที่เชื่อมโยงกับแต่ละ Pod ได้
   • StatefulSet จะแตกต่างจาก Deployment ตรงที่มันช่วยให้สามารถรักษาความสมบูรณ์ของข้อมูลและการตั้งค่าเช่นชื่อ, hostname, และ Persistent Volumes ที่ใช้โดย Pod

2. Stable Network Identity:

   • Pods ที่ถูกจัดการโดย StatefulSet จะมีชื่อที่ไม่ซ้ำกันและสามารถเข้าถึงได้ผ่าน DNS ที่มีรูปแบบ pod-name.statefulset-name.default.svc.cluster.local
   • ชื่อนี้จะไม่เปลี่ยนแปลง แม้ว่าจะมีการเพิ่มหรือลบ Pod ภายใน StatefulSet

3. Persistent Storage:

   • StatefulSet รองรับการใช้ Persistent Volumes เพื่อให้แอปพลิเคชันสามารถเก็บข้อมูลในลักษณะที่ไม่หายไปเมื่อ Pod ถูกลบหรือถูกแทนที่ใหม่
   • การใช้ Persistent Volume Claims (PVC) ใน StatefulSet ช่วยให้แต่ละ Pod สามารถเชื่อมต่อกับ Volume เฉพาะของมันเองได้

4. Scaling StatefulSets:

   • การขยาย (Scaling) StatefulSet จะค่อย ๆ เพิ่ม Pods โดยไม่ทำให้มีการเปลี่ยนแปลงในลำดับการทำงานหรือระบุตัว (Identity)
   • Pods ใหม่จะถูกสร้างขึ้นและตั้งชื่อตามลำดับ เช่น pod-name-0, pod-name-1, pod-name-2 เป็นต้น

How StatefulSets Work

StatefulSet จะสร้างและจัดการ Pods โดยทำตามลำดับที่กำหนด (ตามเลขลำดับ) และรักษาการระบุตัว (Identity) ที่ไม่ซ้ำกันสำหรับแต่ละ Pod การตั้งค่าของ StatefulSet จะถูกกำหนดในรูปแบบของ YAML Manifest ซึ่งจะกำหนดข้อมูลเช่น:

• จำนวน Replica ของ Pods
• ชื่อของ StatefulSet
• Persistent Volume Claims (PVCs)
• เงื่อนไขที่เกี่ยวข้องกับการ Deploy และการ Scaling Pods

Example of StatefulSet Resource

apiVersion: apps/v1
kind: StatefulSet
metadata:
  name: web-app
spec:
  serviceName: "web-app"
  replicas: 3
  selector:
    matchLabels:
      app: web-app
  template:
    metadata:
      labels:
        app: web-app
    spec:
      containers:
      - name: web-app-container
        image: nginx:latest
        volumeMounts:
        - name: web-app-storage
          mountPath: /usr/share/nginx/html
  volumeClaimTemplates:
  - metadata:
      name: web-app-storage
    spec:
      accessModes: [ "ReadWriteOnce" ]
      resources:
        requests:
          storage: 1Gi

ในตัวอย่างนี้:

• serviceName คือ web-app ซึ่งเป็นชื่อของ Service ที่จะจัดการการเข้าถึง Pods
• replicas กำหนดจำนวน Pods ที่ต้องการสร้าง (ในที่นี้คือ 3 Pods)
• volumeClaimTemplates ใช้ในการสร้าง Persistent Volume Claims สำหรับแต่ละ Pod

Key Features of StatefulSet

1. Stable Pod Names:

   • Pods ที่ถูกสร้างโดย StatefulSet จะมีชื่อที่คงที่ เช่น web-app-0, web-app-1, web-app-2, ซึ่งทำให้แอปพลิเคชันสามารถระบุตัว Pods ได้อย่างชัดเจน

2. Ordered Deployment and Scaling:

   • เมื่อมีการเพิ่มหรือปรับขนาด StatefulSet, Pods จะถูกสร้างในลำดับและลำดับการลบหรือปรับขนาดจะถูกกำหนดตามลำดับที่ Pod ถูกสร้างขึ้น
   • ตัวอย่าง: เมื่อมีการเพิ่มจำนวน replicas, Pod web-app-0 จะถูกสร้างขึ้นก่อน web-app-1 ตามลำดับ

3. Persistent Storage:

   • Persistent Volumes จะถูกสร้างขึ้นสำหรับแต่ละ Pod และจะไม่สูญหายแม้ว่า Pod จะถูกลบหรือล้มเหลว
   • การใช้ PVC ใน StatefulSet ช่วยให้แต่ละ Pod สามารถเข้าถึง Persistent Volume เฉพาะตัว

4. Headless Service:

   • StatefulSet มักจะใช้งาน Headless Service ซึ่งเป็น Service ที่ไม่ใช่ Load Balancer, แต่สามารถให้ DNS สำหรับแต่ละ Pod
   • ตัวอย่างของ Headless Service:

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: web-app
spec:
  clusterIP: None
  selector:
    app: web-app
  ports:
    - port: 80
      targetPort: 80

Differences Between StatefulSet and Deployment

Feature	StatefulSet	Deployment
Identity	Stable and unique names for Pods	No guarantee of stable identities
Scaling	Pods are created and deleted in order	Pods can be created or deleted randomly
Persistent Storage	Each Pod gets its own Persistent Volume	Pods do not have Persistent Volumes
Pod Restart Policy	Ordered and controlled	Pods are created and destroyed randomly

StatefulSet เหมาะสำหรับแอปพลิเคชันที่ต้องการการระบุตัวที่คงที่และการเก็บข้อมูลที่ต้องการคงอยู่ (stateful applications) เช่นฐานข้อมูลหรือแอปพลิเคชันที่ต้องการการจัดเก็บข้อมูลใน Persistent Volumes

Scaling StatefulSets

ในการขยายหรือย่อขนาด StatefulSet สามารถทำได้โดยการแก้ไขจำนวน replicas ในการกำหนดค่า StatefulSet:

kubectl scale statefulset web-app --replicas=5

การเพิ่มหรือลดจำนวน replicas จะทำให้ Pods ใหม่ถูกสร้างขึ้นหรือลบไปตามลำดับ

Best Practices for StatefulSets

1. Use Persistent Volumes:

   • ใช้ Persistent Volumes และ Persistent Volume Claims เพื่อให้แน่ใจว่าแอปพลิเคชันสามารถเก็บข้อมูลได้แม้ว่า Pods จะถูกลบหรือแทนที่

2. Headless Service:

   • ใช้ Headless Service เพื่อให้สามารถเข้าถึง Pods ได้โดยตรงผ่าน DNS และรักษาการระบุตัว (Identity) ของ Pods

3. Ordered Deployment:

   • ใช้ลำดับการปรับขนาด (Scaling) และการเปิด/ปิด (Rolling Updates) เพื่อให้การเปลี่ยนแปลง Pod เป็นไปอย่างราบรื่นและปลอดภัย

4. Use Stateful Applications:

   • ใช้ StatefulSet สำหรับแอปพลิเคชันที่ต้องการการระบุตัว (Stable Identity) และข้อมูลที่ต้องคงอยู่ เช่นฐานข้อมูล, caches, หรือระบบที่ต้องมีการเก็บข้อมูล

Conclusion

StatefulSet เป็น Resource ที่สำคัญสำหรับการจัดการแอปพลิเคชันที่มีสถานะ (stateful applications) ใน Kubernetes โดยช่วยให้สามารถจัดการกับ Pods ที่มีการเก็บข้อมูลและจำเป็นต้องมีการระบุตัวที่คงที่ พร้อมทั้งสามารถใช้ Persistent Volumes สำหรับการจัดการข้อมูลที่ไม่สูญหายเมื่อ Pods ถูกลบหรือแทนที่ นอกจากนี้ยังรองรับการปรับขนาด (Scaling) ที่เป็นลำดับและการใช้งาน Headless Service เพื่อให้แอปพลิเคชันสามารถเข้าถึงแต่ละ Pod ได้โดยตรง