永続ボリュームと動的プロビジョニング


このページでは、Kubernetes の永続ボリュームおよび永続ボリュームのクレームの概要と、Google Kubernetes Engine(GKE)での使用について説明します。このページでは、Compute Engine の永続ディスクを使用してバックアップされたストレージについて重点的に説明します。

PersistentVolume

PersistentVolume リソースは、クラスタ内の耐久性に優れたストレージの管理に使用されます。GKE では通常、PersistentVolume には永続ディスクが使用されます。また、NFS など他のストレージ ソリューションも使用できます。Google Cloud 上の NFS ソリューションは、Filestore です。GKE クラスタの NFS PV ソリューションとして Filestore インスタンスを設定する方法については、Filestore のドキュメントの Filestore CSI ドライバを使用して Filestore インスタンスにアクセスするをご覧ください。

ストレージに関するもう一つの選択肢は、Cloud Volumes Service です。このプロダクトは、高度なデータ マネジメント機能とスケーラビリティに優れたパフォーマンスを提供する、フルマネージド型のクラウドベースのデータ ストレージ サービスです。

PersistentVolume ライフサイクルは Kubernetes によって管理されます。PersistentVolume は動的にプロビジョニングすることが可能であるため、バックアップ ストレージの作成や削除を手動で行う必要はありません。

PersistentVolume は、Pod とは独立して存在するクラスタ リソースです。このため、PersistentVolume で表されるディスクとデータは、クラスタを変更した後や Pod の削除後に再作成した後も引き続き存在します。PersistentVolume リソースは、PersistentVolumeClaims で動的にプロビジョニングすることも、クラスタ管理者が明示的に作成することもできます。

PersistentVolume リソースの詳細については、Kubernetes の Persistent Volumes のドキュメントPersistent Volumes API リファレンスをご覧ください。

PersistentVolumeClaim

PersistentVolumeClaimPersistentVolume リソースに対するリクエスト(クレーム)です。PersistentVolumeClaim オブジェクトによって、PersistentVolume の具体的なサイズ、アクセスモード、StorageClass がリクエストされます。リクエストを満たす PersistentVolume が存在する場合やプロビジョニング可能な場合、PersistentVolumeClaim はその PersistentVolume にバインドされます。

Pod はクレームを Volume として使用します。クラスタはクレームを検査して、バインドされた Volume を検出し、その Volume を Pod 用にマウントします。

PersistentVolumesPersistentVolumeClaims を使用する場合、移植性というメリットも得られます。PersistentVolume は実際のバッキング ストレージのインターフェースであるため、さまざまなクラスタや環境で同じ Pod 仕様を簡単に使用できます。

StorageClass

Compute Engine 永続ディスク Container Storage Interface(CSI)ドライバなどの Volume 実装は、StorageClass リソースで構成されます。

GKE は、バランス永続ディスクタイプ(ext4)を使用するデフォルトの StorageClass を作成します。PersistentVolumeClaimStorageClassName を指定していない場合、デフォルトの StorageClass が使用されます。デフォルトで指定されている StorageClass は、独自のものに置き換えることができます。手順については、デフォルトの StorageClass を変更するをご覧ください。

独自の StorageClass リソースを作成して、さまざまなストレージ クラスを記述できます。たとえば、クラスをサービス品質レベルやバックアップ ポリシーにマッピングできます。このコンセプトは、他のストレージ システムでは「プロファイル」と呼ばれることもあります。

クラスタを Windows ノードプールとともに使用する場合、デフォルトの fstype(ext4)は Windows でサポートされていないため、StorageClass を作成し、PersistentVolumeClaimStorageClassName を指定する必要があります。Compute Engine 永続ディスクを使用している場合は、ファイル ストレージ タイプとして NTFS を使用する必要があります。

StorageClass を定義する場合は、プロビジョナーを指定する必要があります。GKE では、次のいずれかのプロビジョナーを使用することをおすすめします。

PersistentVolume を動的にプロビジョニングする

ほとんどの場合、PersistentVolume オブジェクトを直接構成することや、Compute Engine の永続ディスクを作成する必要はありません。代わりに、PersistentVolumeClaim を作成して、Kubernetes により自動で永続ディスクをプロビジョニングします。

次のマニフェストでは 30 ギガバイト(GiB)の保存容量のディスクをリクエストし、単一のノードによる読み取り / 書き込みモードでマウントするようにアクセスモードを指定しています。また、PersistentVolumeClaim を Volume として使用する Pod も作成されます。

# pvc-pod-demo.yaml
apiVersion: v1
kind: PersistentVolumeClaim
metadata:
  name: pvc-demo
spec:
  accessModes:
    - ReadWriteOnce
  resources:
    requests:
      storage: 30Gi
  storageClassName: standard-rwo
---
kind: Pod
apiVersion: v1
metadata:
  name: pod-demo
spec:
  volumes:
    - name: pvc-demo-vol
      persistentVolumeClaim:
       claimName: pvc-demo
  containers:
    - name: pod-demo
      image: nginx
      resources:
        limits:
          cpu: 10m
          memory: 80Mi
        requests:
          cpu: 10m
          memory: 80Mi
      ports:
        - containerPort: 80
          name: "http-server"
      volumeMounts:
        - mountPath: "/usr/share/nginx/html"
          name: pvc-demo-vol

kubectl apply -f pvc-pod-demo.yaml を使用してこの PersistentVolumeClaim オブジェクトを作成すると、Kubernetes は対応する PersistentVolume オブジェクトを動的に作成します。

ストレージ クラス standard-rwo はボリューム バインディング モード WaitForFirstConsumer を使用するため、Pod が Volume を使用するようにスケジュールされるまで、PersistentVolume は作成されません。

次の例は、作成された PersistentVolume を示しています。

apiVersion: v1
kind: PersistentVolume
metadata:
  annotations:
    pv.kubernetes.io/provisioned-by: pd.csi.storage.gke.io
  finalizers:
  - kubernetes.io/pv-protection
  - external-attacher/pd-csi-storage-gke-io
  name: pvc-c9a44c07-cffa-4cd8-b92b-15bac9a9b984
  uid: d52af557-edf5-4f96-8e89-42a3008209e6
spec:
  accessModes:
  - ReadWriteOnce
  capacity:
    storage: 30Gi
  claimRef:
    apiVersion: v1
    kind: PersistentVolumeClaim
    name: pvc-demo
    namespace: default
    uid: c9a44c07-cffa-4cd8-b92b-15bac9a9b984
  csi:
    driver: pd.csi.storage.gke.io
    csi.storage.k8s.io/fstype: ext4
    volumeAttributes:
      storage.kubernetes.io/csiProvisionerIdentity: 1660085000920-8081-pd.csi.storage.gke.io
    volumeHandle: projects/xxx/zones/us-central1-c/disks/pvc-c9a44c07-cffa-4cd8-b92b-15bac9a9b984
  nodeAffinity:
    required:
      nodeSelectorTerms:
      - matchExpressions:
        - key: topology.gke.io/zone
          operator: In
          values:
          - us-central1-c
  persistentVolumeReclaimPolicy: Delete
  storageClassName: standard-rwo
  volumeMode: Filesystem
status:
  phase: Bound

ストレージ クラス standard-rwo を置き換えていないと仮定すると、この PersistentVolume には新しい空の Compute Engine 永続ディスクが使用されます。

永続ストレージの削除

デフォルトでは、Compute Engine 永続ディスクのように動的にプロビジョニングされた Volume の PersistentVolumeClaim を削除すると、PersistentVolume オブジェクトと実際のバッキング ディスクの両方が削除されます。この動作は、StorageClass と PersistentVolume の再利用ポリシーによって制御されます。これは、デフォルトの Delete または Retain に設定できます。詳細については、Kubernetes のドキュメントの再利用をご覧ください。

クラスタ削除時の永続ストレージの管理

GKE クラスタが削除されると、GKE は Delete または Retain の再利用ポリシーで PersistentVolume リソースを保持します。

クラスタを削除するときに PersistentVolume リソースを削除するには、PersistentVolumeClaim リソースの Namespace を手動で削除します。これにより、Delete ポリシーで PersistentVolume オブジェクトの削除がトリガーされます。また、PersistentVolumeClaim リソースを個別に削除することもできます。ただし、GKE は、これらの削除アクティビティが完了するまで待ってからクラスタの削除を開始するわけではありません。そのため、Namespace を削除してからクラスタをすぐに削除すると、Delete ポリシーを含む PersistentVolume リソースが削除されない場合があります。

クラスタの削除後、Google Cloud コンソールで残りの PersistentVolume リソースを確認できます。

未使用の PersistentVolume リソースなど、未使用のリソースを確認するには、アイドル状態のリソースに関する推奨事項を表示します。

アクセスモード

PersistentVolume リソースでは、次のアクセスモードがサポートされています。

  • ReadWriteOnce: ボリュームを単一のノードで読み取り書き込み可能としてマウントできます。
  • ReadOnlyMany: ボリュームを多数のノードで読み取り専用としてマウントできます。
  • ReadWriteMany: ボリュームを多数のノードで読み取り書き込み可能としてマウントできます。Compute Engine の永続ディスクを使用する PersistentVolume リソースでは、このアクセスモードはサポートされていません。

Compute Engine の永続ディスクを ReadOnlyMany として使用する

永続ディスクは通常は ReadWriteOnce として使用され、ほとんどのアプリケーションでデフォルトのアクセスモードとなっています。Compute Engine の永続ディスクでは ReadOnlyMany モードもサポートされているため、同じアプリケーションで多数のアプリケーションや多数のレプリカが同じディスクを同時に使用できます。その例として、複数のレプリカ間での静的コンテンツの提供があります。

手順については、複数のリーダーを持つ永続ディスクの使用をご覧ください。

既存の永続ディスクを PersistentVolume として使用する

動的にプロビジョニングされた PersistentVolume リソースは、作成時は空の状態です。既存の Compute Engine 永続ディスクにデータが格納されている場合は、対応する PersistentVolume リソースを手動で作成してクラスタに導入できます。永続ディスクはクラスタノードと同じゾーンに存在する必要があります。

詳細については、既存の永続ディスクを使用する永続ボリュームの作成方法をご覧ください。

Deployment と StatefulSet の比較

PersistentVolumeClaim テンプレートや VolumeClaim テンプレートは、それぞれ DeploymentsStatefulSets など、上位レベルのコントローラで使用できます。

Deployment はステートレス アプリケーション用に設計されているため、Deployment のすべてのレプリカで同じ PersistentVolumeClaim が共有されます。作成されたレプリカ Pod はそれぞれ同一であるため、この設定では ReadWrite Many モードの Volume のみが機能します。

ReadWriteOnce ボリュームを使用するレプリカが 1 つしか存在しない Deployment は推奨されません。これは、デフォルトの Deployment 戦略では、再作成時に最初の Pod を停止する前に 2 番目の Pod を作成するためです。ReadWriteOnce ボリュームがすでに使用中であると 2 番目の Pod を起動できず、2 番目の Pod が起動しないと最初の Pod が削除されないため、Deployment はデッドロックで失敗する可能性があります。この場合は ReadWriteOnce ボリュームで StatefulSet を使用します。

レプリカごとに一意のボリュームが必要なステートフル アプリケーションを展開する場合は、StatefulSet を使用することを推奨します。StatefulSet で PersistentVolumeClaim テンプレートを使用することで、各レプリカ Pod に関連付けられた一意の PersistentVolumesClaims を使用して自動的にスケールアップできるアプリケーションを作成できます。

リージョン永続ディスク

リージョン永続ディスクは、同じリージョン内の 2 つのゾーン間でデータを複製するマルチゾーン リソースであり、ゾーン永続ディスクと同様に使用できます。ゾーン全体が停止した場合や、1 つのゾーン内の複数のクラスタノードがスケジュール不可になった場合、Kubernetes がこのボリュームを使用して他のゾーンにワークロードをフェイルオーバーできます。リージョン永続ディスクを使用して、GKE 上のステートフル ワークロード用の高可用性ソリューションを構築できます。プライマリ ゾーンとフェイルオーバー ゾーンの両方が、ワークロードを実行するのに十分なリソース容量で構成されていることを確認する必要があります。

リージョン SSD 永続ディスクは、高可用性とハイ パフォーマンスの両方が必要とされるデータベースなどのアプリケーションに適しています。詳細については、ブロック ストレージのパフォーマンスの比較をご覧ください。

リージョン永続ディスクは、ゾーン永続ディスクと同様に、必要に応じて動的にプロビジョニングすることも、クラスタ管理者が事前に手動でプロビジョニングすることもできます。リージョン永続ディスクを追加する方法については、リージョン永続ディスクのプロビジョニングをご覧ください。

永続ディスクのゾーン

ゾーン永続ディスクはゾーンリソースであり、リージョン永続ディスクはマルチゾーン リソースです。クラスタに永続ストレージを追加するとき、ゾーンが指定されない限り、GKE はディスクを単一のゾーンに割り当てます。その際、GKE はゾーンをランダムに選択します。永続ディスクがプロビジョニングされると、そのディスクを参照するすべての Pod が、ディスクと同じゾーンにスケジュールされます。

ボリューム バインディング モード WaitForFirstConsumer

クラスタ内の永続ディスクを動的にプロビジョニングする場合は、StorageClass で WaitForFirstConsumer ボリューム バインディング モードを設定することをおすすめします。この設定により、Kubernetes は Pod がスケジュールされているのと同じゾーンに永続ディスクをプロビジョニングします。反アフィニティやノードセレクタなどの Pod のスケジューリング制約が考慮されます。ゾーンの反アフィニティにより、StatefulSet Pod がゾーンとそれに対応するディスクに分散されます。

WaitForFirstConsumer を設定するゾーン永続ディスクをプロビジョニングするための StorageClass の例を、次に示します。

apiVersion: storage.k8s.io/v1
kind: StorageClass
metadata:
  name: slow
provisioner: pd.csi.storage.gke.io
parameters:
  type: pd-balanced
  csi.storage.k8s.io/fstype: ext4
volumeBindingMode: WaitForFirstConsumer

リージョン永続ディスクの使用例については、リージョン永続ディスクのプロビジョニングをご覧ください。

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