朱常鵬 李剛

摘要：原生云作為云計(jì)算領(lǐng)域中的最新虛擬化技術(shù)，最顯著的優(yōu)勢(shì)是開銷小、易擴(kuò)展、易維護(hù)，越來(lái)越多的企業(yè)使用原生云部署它們的應(yīng)用系統(tǒng)。K8s源自于谷歌，是目前最主流的原始云。文章提出實(shí)現(xiàn)一種基于K8s的MySQL服務(wù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)將MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)遷移到原生云平臺(tái)，并充分利用K8s的自動(dòng)伸縮、數(shù)據(jù)持久化和負(fù)載均衡等特性，使得數(shù)據(jù)庫(kù)突破了單機(jī)存儲(chǔ)空間和計(jì)算能力的限制，這不僅可以有效節(jié)約本地服務(wù)器的維護(hù)成本，而且可以按需提升系統(tǒng)的并發(fā)數(shù)據(jù)查詢與操作性能。

關(guān)鍵詞：容器：Docker；云計(jì)算；數(shù)據(jù)庫(kù)；Kubernetes

中圖分類號(hào)：TP393

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1 系統(tǒng)研究背景與意義

目前，云數(shù)據(jù)庫(kù)正在蓬勃發(fā)展，已經(jīng)成為一個(gè)重要的研究方向[1]。它不僅易于管理、方便擴(kuò)展并且用戶無(wú)需維護(hù)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)、周期性更新數(shù)據(jù)庫(kù)的補(bǔ)丁程序、系統(tǒng)強(qiáng)化和備份等。此外，除了數(shù)據(jù)所需的存儲(chǔ)空間外，集群中的虛擬機(jī)數(shù)量能根據(jù)負(fù)載自動(dòng)增加，從而實(shí)現(xiàn)高可用性和強(qiáng)伸縮性[2]。從服務(wù)角度而言，云數(shù)據(jù)庫(kù)提供了基于Weh的UI界面來(lái)幫助用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)操作和實(shí)例控制，同時(shí)也可以幫助用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)的備份與恢復(fù)，大大地提高了數(shù)據(jù)管理的便捷性與安全性，并且可以在線監(jiān)控和擴(kuò)展數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)滿足不同的應(yīng)用需求?？傮w而言，構(gòu)建在云上的數(shù)據(jù)庫(kù)可以快速、低成本且高效率地?cái)U(kuò)展，也可廣泛地用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境[3]?；诖耍疚拈_發(fā)并完成了一個(gè)基于Kuhernetes的MySQL服務(wù)系統(tǒng)，它可以為每一個(gè)使用該系統(tǒng)的用戶提供一個(gè)MySQL環(huán)境，對(duì)于大規(guī)模彈性部署基于MySQL的應(yīng)用具有重要意義。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 Kubernetes介紹

Kuherneces的主要結(jié)構(gòu)如圖1所示，它采用了典型的主一從架構(gòu)。這種架構(gòu)不僅可以方便集群的日常管理與維護(hù)，也易于集群的橫向擴(kuò)展與收縮。它的核心主鍵分別是apiserv er．scheduler．kubelec和kuhe -proxy。在Kuherneces中，apiserver是消息中樞，它是所有其他主組件和輔助組件可以直接通信的唯一組件。因此，它充當(dāng)所有集群通信的接口，與apiserver的所有聯(lián)系均使用安全端口通信。在實(shí)際生成資源并將其保存到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)之前apiserver負(fù)責(zé)所有資源創(chuàng)建請(qǐng)求的接口驗(yàn)證。

由于Kuherneces是業(yè)務(wù)流程框架，因此它用于管理Pod調(diào)度的內(nèi)置邏輯。sched uler負(fù)責(zé)這種內(nèi)置的邏輯判斷。調(diào)度決策取決于諸多因素，它們能夠影響甚至阻止Pod的調(diào)度與再調(diào)度，具體包括：應(yīng)用程序?qū)Y源的要求、跨節(jié)點(diǎn)的資源可用性、Pod規(guī)范是否具有親和力標(biāo)簽、要求在特定節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行調(diào)度、節(jié)點(diǎn)是否具有某些污點(diǎn)／容差。kuhe - scheduler調(diào)度程序會(huì)量化地綜合考慮上述因素，執(zhí)行對(duì)Pod的調(diào)度。

kuhelec組件是在集群的每個(gè)工作程序節(jié)點(diǎn)上運(yùn)行的代理。以本系統(tǒng)為例，kubelec負(fù)責(zé)管理Pod中運(yùn)行的MySQL容器和PhpMyAdmain容器。它通過(guò)周期性地檢測(cè)容器的當(dāng)前狀態(tài)與存儲(chǔ)在etcd中的期望狀態(tài)是否匹配來(lái)管理容器的運(yùn)行，具體包括容器的終止、重啟或遷移等。podspec可能通過(guò)kube - apiserver傳遞到kuhelec以便在該特定節(jié)點(diǎn)上運(yùn)行Pod．或者通過(guò)命令行工具作為文件傳遞。

kube-proxy組件是在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)代理，負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)請(qǐng)求。該代理比較靈活，可以處理簡(jiǎn)單或循環(huán)的TCP．UDP或SCTP轉(zhuǎn)發(fā)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)kube -proxy與Kubernetes服務(wù)進(jìn)行交互。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)模塊如圖2所示。該系統(tǒng)主要分為5個(gè)部分：MySQL部署模塊、MySQL服務(wù)模塊、PhpMyAdmain部署模塊、PhpMyAdmain服務(wù)模塊和lngress模塊（入口控制器模塊）。MySQL部署模塊主要用來(lái)創(chuàng)建MySQL的Pod并且添加相應(yīng)的鏡像到Pod中。除此之外，該模塊還把容器依附到持久卷上面進(jìn)行持久化存儲(chǔ)。MySQL服務(wù)模塊將Service定義為節(jié)點(diǎn)Pod的邏輯集合，它提供了可以訪問(wèn)Pod的IP地址和DNS。使用該模塊可以非常輕松地通過(guò)Pod擴(kuò)展管理負(fù)載平衡。MySQL服務(wù)模塊中的服務(wù)實(shí)質(zhì)上是Kubernetes中的REST對(duì)象，可以通過(guò)Kubernetesapiserver創(chuàng)建。不同服務(wù)之間通過(guò)TCP/IP協(xié)議通信與數(shù)據(jù)傳輸。PhpMyAdmin模塊主要用來(lái)創(chuàng)建負(fù)責(zé)可視化工具的Pod，并且與MySQL容器進(jìn)行連接。為了簡(jiǎn)化PhpMyAdmin的對(duì)外訪問(wèn)，入口控制器模塊將PhpMyAdmin連接公共Internet網(wǎng)，同時(shí)創(chuàng)建一個(gè)入口資源，將其指向PhpMyAdmin容器的服務(wù)資源。

2.3 系統(tǒng)開發(fā)工具

系統(tǒng)逐漸構(gòu)建并實(shí)現(xiàn)的過(guò)程中，使用了很多不同的工具，這些工具縮短了配置環(huán)境的時(shí)間，同時(shí)也為后續(xù)部署集群和創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)提供了支持。系統(tǒng)使用的開發(fā)環(huán)境為MacOS，開發(fā)工具為DockerDesktop，Kuherneces和ZSHshell等。

3系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)需要構(gòu)建一個(gè)Kuhernetes集群，集群中擁有一個(gè)Masler集群控制節(jié)點(diǎn)，并在集群中創(chuàng)建一個(gè)擁有兩個(gè)Pocl的Node節(jié)點(diǎn)，其中第一個(gè)Pod包含一個(gè)MySQL容器，并通過(guò)Persistent Volume Claim持久化數(shù)據(jù)庫(kù)的存儲(chǔ)，第二個(gè)Pod里面創(chuàng)建PhpMyAdmain容器，并通過(guò)設(shè)置環(huán)境變量來(lái)連接MySQL，這樣就實(shí)現(xiàn)了運(yùn)行在云中的MySQL服務(wù)系統(tǒng)。本系統(tǒng)的核心功能包含：MySQL的持久卷聲明、MySQLPod創(chuàng)建和PVC的使用和MySQLservice的聲明。下面將逐一介紹它們的具體實(shí)現(xiàn)思路與方法。

3.1

MySQL的持久卷聲明

在持久卷聲明中，首先聲明了PVC類型，然后賦予了名字和讀取的模式，最后為聲明分配了1 Gi的存儲(chǔ)空間，隨后可以掛載到MySQL的Pod上來(lái)實(shí)現(xiàn)持久存儲(chǔ)，代碼片段如下：

mysql-persistentVolumeClaim. vaml

apiversion：vl

kind： Persistentvolumec-.laim

metadata：

name：mysql-data-disk

spec.：

accessModes：

-ReadwriteOnceresources：

requests：

storage：1Gi

3.2

MySQL Pod創(chuàng)建和PVC的使用

為了創(chuàng)建Pod．首先應(yīng)聲明資源類型為deployment，然后設(shè)置好相應(yīng)的鏡像名稱、容器端口、數(shù)據(jù)庫(kù)密碼等變量，然后將剛剛聲明好的PVC掛載到這個(gè)Pod上實(shí)現(xiàn)持久化存儲(chǔ)。當(dāng)退出數(shù)據(jù)庫(kù)再次進(jìn)入時(shí)，之前的改變都將被保存。代碼片段如下：

spec：

conrainers：

- name：mysql

image：mnysql：5.7

ports：

- containerPort：3386

voluneMounts：

- mountPaLh：”var/lib/mysql"

subPath：mysql"

name：mysql-data

env：

-name： MYSqL_ROOT_PASSMORD

valueFrom：

secretKeyRef：

name：_mysql-secrets

key：ROOT_PASSNORD

volumes：

- name：mysql-data

persistentNolumec.laim：

claimnName： mysql-data-disk

3.3

MySQL service的聲明

在service類型資源中，筆者通過(guò)設(shè)定了這個(gè)Pod的端口號(hào)從而確定了IP地址，PhpMyAdmain就是通過(guò)設(shè)定對(duì)應(yīng)于servic.e文件的端口號(hào)來(lái)連接數(shù)據(jù)庫(kù)，代碼片段如下所示：

kind：Service

metadata：

name：mysql-service

spec：

selector：

app：mysql

ports：

- prolocol：TCP

port：3306

targetPort：3306

此外，為了解決持久化容器存儲(chǔ)的問(wèn)題，本文引入了兩個(gè)新的API資源-Persiscent Volume和Persiscent Volume Claim。如果Pod是有狀態(tài)的，那么它將始終需要關(guān)聯(lián)一個(gè)持久卷，表示Pod可能消耗的后端存儲(chǔ)實(shí)體將是PersistencVolume。PersistencVolume Claim持久卷聲明則代表特定Pod對(duì)持久卷的專有使用。

4 測(cè)試與驗(yàn)證

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的正確性，本節(jié)構(gòu)建了一個(gè)Kuherneles集群。集群中擁有一個(gè)Masler集群控制節(jié)點(diǎn)，并通過(guò)在集群中創(chuàng)建一個(gè)擁有兩個(gè)Pod的Node節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)行在云中的MySQL服務(wù)系統(tǒng)。在第一個(gè)Pod中，筆者通過(guò)docker拉取的鏡像創(chuàng)建了第一個(gè)MySQL容器，并通過(guò)Persislent Volume Claim持久化數(shù)據(jù)庫(kù)的存儲(chǔ)，成功部署了第一個(gè)servlce。接下來(lái)在第二個(gè)Pod中，通過(guò)docker拉取了PhpMyAdmain的鏡像，并設(shè)置環(huán)境變量以連接集群中的數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)了MySQL的可視化管理。

在下面的測(cè)試中，筆者編寫4組不同的soL測(cè)試代碼，首先創(chuàng)建一個(gè)名字為World的數(shù)據(jù)庫(kù)，然后每組測(cè)試代碼分別創(chuàng)建一個(gè)table，并向其中插入記錄。筆者對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了5次功能測(cè)試。

（1）創(chuàng)建名字為World的數(shù)據(jù)庫(kù)，退出數(shù)據(jù)庫(kù)后再次進(jìn)入，檢查存儲(chǔ)是否持久。

（2）使用SQL語(yǔ)言創(chuàng)建名字為city的表格，并向其中插入25條城市記錄，退出數(shù)據(jù)庫(kù)后再次進(jìn)入，檢查存儲(chǔ)是否持久。

（3）創(chuàng)建名字為Countrv的表格，并向其中插入25條記錄，退出數(shù)據(jù)庫(kù)后再次進(jìn)入，檢查存儲(chǔ)是否持久。

（4）創(chuàng)建名字為Country Language的表格，并向其中插入25條記錄，退出數(shù)據(jù)庫(kù)后再次進(jìn)入，檢查存儲(chǔ)是否持久化。

（5）執(zhí)行選擇SELECT語(yǔ)句，查看數(shù)據(jù)庫(kù)是否可以正常篩選。

測(cè)試結(jié)果表明，本文提出設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)能夠正確地完成預(yù)期的功能。

5 結(jié)語(yǔ)

本文提出一種基于Kubernetes的云上MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法，充分利用基于Kubernetes的原生云的低開銷、集群化、通用性以及靈活的伸縮功能。該系統(tǒng)展示出較好的并發(fā)數(shù)據(jù)查詢、插入和自動(dòng)橫向擴(kuò)展性能。實(shí)驗(yàn)表明該系統(tǒng)具備較好的實(shí)用性，各項(xiàng)性能指標(biāo)符合預(yù)期。本文同時(shí)也展示了該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想以及關(guān)鍵組件的實(shí)現(xiàn)方式與方法，以期為設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)基于Kubernetes的其他服務(wù)軟件系統(tǒng)提供借鑒。

參考文獻(xiàn)

[1]ZHU C P， HAN B， ZHAO Y L.A bi-metricautoscaling approaCh for n-Tier web applications onKubernetes[J].Frontiers of Computer ScienCe， 2021（3）：1-12．

[2] ZHU C P，HAN B，ZHAO Y L.A comparative studyof spark on the bare metal and kubernetes[ EB/OLl.（2020 - 12 - 27）[2023 - 03 - 20].https：//www.researchgaLe. net/publication/350593000一A—Compar -ative_ Study—of—Spark—on—the—bare—metal—and—Kubernetes．

[3]朱常鵬，劉元超，李剛．Spark實(shí)時(shí)大數(shù)據(jù)處理技術(shù)在線開放課程建設(shè)與實(shí)踐[J]．現(xiàn)代信息科技，2021（12）：195-198．

（編輯王雪芬）