使用 Stateful HA Operator 提高有状态应用的可用性

Stateful High Availability (HA) Operator 使您可以使用 GKE 与区域级 Persistent Disk 永久性磁盘的内置集成来自动执行 StatefulSet Pod 故障切换并控制其速度。在故障切换期间，Operator 会自动检测节点故障、将卷与故障节点分离，并确保将卷安全地挂接到故障切换节点。

为何使用 Stateful HA Operator

用于实现高可用性的一个常用有状态架构使用区域级 Persistent Disk 永久性磁盘作为存储层。这些磁盘可在同一区域中的两个可用区之间同步复制数据。在节点或可用区网络故障期间，此架构可让您的工作负载将副本故障切换（通过强制挂接）到其他可用区中另一个节点上的存储空间。

Stateful HA Operator 可让您进行以下优化：

  • 缩短单副本应用的恢复时间：如果您只使用一个副本，则可以使用 Stateful HA Operator 并在预配应用时将可用区级存储替换为区域级存储，以提高节点故障时的数据耐用性和可用性。
  • 降低跨可用区网络费用：对于高吞吐量应用，跨多个可用区复制数据会产生高昂的费用。您可以使用 Stateful HA Operator 在单个可用区中运行应用，同时维护到符合应用服务等级协议 (SLA) 的备用可用区的故障切换路径。

限制

GKE 采用单副本 Stateful HA Operator 架构，通过区域级 Persistent Disk 永久性磁盘将数据保存在两个可用区中，但数据只有在应用副本健康时才可访问。在故障切换期间，当副本被重新安排到健康的新节点时，应用将暂时不可用。如果您的应用具有非常低的恢复时间目标 (RTO)，我们建议您使用多副本方法。

准备工作

在开始之前，请确保您已执行以下任务：

  • 启用 Google Kubernetes Engine API。
    • 启用 Google Kubernetes Engine API
  • 如果您要使用 Google Cloud CLI 执行此任务，请安装并初始化 gcloud CLI。 如果您之前安装了 gcloud CLI，请运行 gcloud components update 以获取最新版本。

使用要求

  • 您的集群控制平面和节点必须运行 GKE 1.28 版或更高版本。
  • 使用 Stateful HA Operator 时，它会自动将关联的 StatefulSet 配置为使用区域级 Persistent Disk 永久性磁盘。但是，您需要负责确保 Pod 配置为使用这些磁盘，并且能够在与底层存储关联的所有可用区中运行。
  • 确保您的应用在区域级 Persistent Disk 永久性磁盘支持的机器类型上运行，包括 E2、N1、N2、N2D。
  • 确保已启用 Compute Engine Persistent Disk CSI 驱动程序。Persistent Disk CSI 驱动程序在新的 Autopilot 和 Standard 集群上默认启用，并且在使用 Autopilot 时无法停用或修改。如果您需要在集群中手动添加 Persistent Disk CSI 驱动程序，请参阅在现有集群上启用 Persistent Disk CSI 驱动程序。
  • 如果您使用的是自定义 StorageClass，请使用 pd.csi.storage.gke.io 预配工具和以下参数配置 Persistent Disk CSI 驱动程序：
    • availability-class: regional-hard-failover
    • replication-type: regional-pd

设置和使用 Stateful HA Operator

请按照以下步骤为有状态工作负载设置 Stateful HA Operator：

  1. 启用 StatefulHA 插件。
  2. 安装 HighAvailabilityApplication 资源。
  3. 安装 StatefulSet。
  4. 检查 HighAvailabilityApplication 资源。

启用 StatefulHA 插件

如需使用 Stateful HA Operator，您必须在集群上启用 StatefulHA 插件。

  • Autopilot 集群：GKE 会在创建集群时自动启用 StatefulHA 插件。如果要为现有工作负载使用 Stateful HA Operator，请在新的 Autopilot 集群上重新部署工作负载。

  • Standard 集群：

    • 创建新集群：按照 gcloud CLI 说明创建 Standard 集群并添加以下标志：--add-on=StatefulHA。
    • 现有 Standard 集群：按照 gcloud CLI 说明更新 Standard 集群的设置，并使用以下标志启用插件：--update-addons=StatefulHA=ENABLED。

启用插件后，GKE 会自动为您安装名为 standard-rwo-regional 的 StorageClass。

安装 HighAvailabilityApplication 资源

HighAvailabilityApplication 是一种 Kubernetes 资源，可简化 StatefulSet 设置并提高 GKE 上的 Pod 可用性。Stateful HA Operator 会协调 GKE 上的 HighAvailabilityApplication 资源。

在 HighAvailabilityApplication 规范中，您必须将 HighAvailabilityApplication.spec.resourceSelection.resourceKind 设置为 StatefulSet。

如需了解如何配置 HighAvailability 资源，请参阅 HighAvailabilityApplication 参考文档。

查看以下 PostgreSQL 示例：

  1. 将以下清单保存到名为 stateful-ha-example-resource.yaml 的文件中：

    kind: HighAvailabilityApplication
apiVersion: ha.gke.io/v1
metadata:
  name: APP_NAME
  namespace: APP_NAMESPACE
spec:
  resourceSelection:
    resourceKind: StatefulSet
  policy:
    storageSettings:
      requireRegionalStorage: true
    failoverSettings:
      forceDeleteStrategy: AfterNodeUnreachable
      afterNodeUnreachable:
        afterNodeUnreachableSeconds: 20

    替换以下内容：

    • APP_NAME：您的集群中要保护的应用的名称。此名称必须由 HighAvailabilityApplication 和 StatefulSet 共享。
    • APP_NAMESPACE：应用命名空间。此命名空间必须由被保护的 HighAvailabilityApplication 和 StatefulSet 共享。

    在此示例中：

    • HighAvailabilityApplication.spec.policy.storageSettings.requireRegionalSettings 设置为 true。这会强制执行 Regional Storage。
    • HighAvailabilityApplication.spec.policy.failoverSettings 设置为 AfterNodeUnreachable。这决定了节点故障时如何触发强制删除。
    • HighAvailabilityApplication.spec.policy.failoverSettings.afterNodeUnreachable 设置为 20。这是运行 Pod 的节点被标记为无法访问后强制删除 Pod 的超时时间。

  2. 创建资源。HighAvailabilityApplication 资源用于识别具有匹配命名空间和名称的 StatefulSet。

    kubectl apply -f stateful-ha-example-resource.yaml

安装 StatefulSet

安装 StatefulSet。例如，您可以使用 Helm（Cloud Shell 预装了 Helm）安装 PostgreSQL StatefulSet：

helm install postgresql oci://registry-1.docker.io/bitnamicharts/postgresql \
  --namespace=APP_NAMESPACE \
  --set fullnameOverride=APP_NAME

HighAvailabilityApplication 资源会自动将 StatefulSet 的 StorageClass 修改为 standard-rwo-regional，即使用区域级 Persistent Disk 永久性磁盘。

检查 HighAvailabilityApplication 资源

运行以下命令以验证示例应用已启用自动故障切换：

kubectl describe highavailabilityapplication APP_NAME

您应该会看到类似如下所示的输出：

Status:
Conditions:
  Last Transition Time:  2023-08-09T23:59:52Z
  Message:               Application is protected
  Observed Generation:   1
  Reason:                ApplicationProtected
  Status:                True
  Type:                  Protected