朱常鵬 李剛

摘要：原生云作為云計算領域中的最新虛擬化技術(shù)，最顯著的優(yōu)勢是開銷小、易擴展、易維護，越來越多的企業(yè)使用原生云部署它們的應用系統(tǒng)。K8s源自于谷歌，是目前最主流的原始云。文章提出實現(xiàn)一種基于K8s的MySQL服務系統(tǒng)。該系統(tǒng)將MySQL數(shù)據(jù)庫遷移到原生云平臺，并充分利用K8s的自動伸縮、數(shù)據(jù)持久化和負載均衡等特性，使得數(shù)據(jù)庫突破了單機存儲空間和計算能力的限制，這不僅可以有效節(jié)約本地服務器的維護成本，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；云計算；數(shù)據(jù)庫；Kubernetes

中圖分類號：TP393

文獻標志碼：A

1 系統(tǒng)研究背景與意義

目前，云數(shù)據(jù)庫正在蓬勃發(fā)展，已經(jīng)成為一個重要的研究方向[1]。它不僅易于管理、方便擴展并且用戶無需維護數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、周期性更新數(shù)據(jù)庫的補丁程序、系統(tǒng)強化和備份等。此外，除了數(shù)據(jù)所需的存儲空間外，集群中的虛擬機數(shù)量能根據(jù)負載自動增加，從而實現(xiàn)高可用性和強伸縮性[2]。從服務角度而言，云數(shù)據(jù)庫提供了基于Weh的UI界面來幫助用戶進行數(shù)據(jù)庫操作和實例控制，同時也可以幫助用戶進行數(shù)據(jù)庫的備份與恢復，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)控和擴展數(shù)據(jù)庫來滿足不同的應用需求?？傮w而言，構(gòu)建在云上的數(shù)據(jù)庫可以快速、低成本且高效率地擴展，也可廣泛地用于實驗教學環(huán)境[3]?；诖?，本文開發(fā)并完成了一個基于Kuhernetes的MySQL服務系統(tǒng)，它可以為每一個使用該系統(tǒng)的用戶提供一個MySQL環(huán)境，對于大規(guī)模彈性部署基于MySQL的應用具有重要意義。

2 系統(tǒng)設計

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，也易于集群的橫向擴展與收縮。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。在實際生成資源并將其保存到數(shù)據(jù)存儲之前apiserver負責所有資源創(chuàng)建請求的接口驗證。

由于Kuherneces是業(yè)務流程框架，因此它用于管理Pod調(diào)度的內(nèi)置邏輯。sched uler負責這種內(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：應用程序?qū)Y源的要求、跨節(jié)點的資源可用性、Pod規(guī)范是否具有親和力標簽、要求在特定節(jié)點上進行調(diào)度、節(jié)點是否具有某些污點／容差。kuhe - scheduler調(diào)度程序會量化地綜合考慮上述因素，執(zhí)行對Pod的調(diào)度。

kuhelec組件是在集群的每個工作程序節(jié)點上運行的代理。以本系統(tǒng)為例，kubelec負責管理Pod中運行的MySQL容器和PhpMyAdmain容器。它通過周期性地檢測容器的當前狀態(tài)與存儲在etcd中的期望狀態(tài)是否匹配來管理容器的運行，具體包括容器的終止、重啟或遷移等。podspec可能通過kube - apiserver傳遞到kuhelec以便在該特定節(jié)點上運行Pod．或者通過命令行工具作為文件傳遞。

kube-proxy組件是在每個節(jié)點上運行的網(wǎng)絡代理，負責轉(zhuǎn)發(fā)請求。該代理比較靈活，可以處理簡單或循環(huán)的TCP．UDP或SCTP轉(zhuǎn)發(fā)。每個節(jié)點通過kube -proxy與Kubernetes服務進行交互。

2.2 系統(tǒng)設計

系統(tǒng)模塊如圖2所示。該系統(tǒng)主要分為5個部分：MySQL部署模塊、MySQL服務模塊、PhpMyAdmain部署模塊、PhpMyAdmain服務模塊和lngress模塊（入口控制器模塊）。MySQL部署模塊主要用來創(chuàng)建MySQL的Pod并且添加相應的鏡像到Pod中。除此之外，該模塊還把容器依附到持久卷上面進行持久化存儲。MySQL服務模塊將Service定義為節(jié)點Pod的邏輯集合，它提供了可以訪問Pod的IP地址和DNS。使用該模塊可以非常輕松地通過Pod擴展管理負載平衡。MySQL服務模塊中的服務實質(zhì)上是Kubernetes中的REST對象，可以通過Kubernetesapiserver創(chuàng)建。不同服務之間通過TCP/IP協(xié)議通信與數(shù)據(jù)傳輸。PhpMyAdmin模塊主要用來創(chuàng)建負責可視化工具的Pod，并且與MySQL容器進行連接。為了簡化PhpMyAdmin的對外訪問，入口控制器模塊將PhpMyAdmin連接公共Internet網(wǎng)，同時創(chuàng)建一個入口資源，將其指向PhpMyAdmin容器的服務資源。

2.3 系統(tǒng)開發(fā)工具

系統(tǒng)逐漸構(gòu)建并實現(xiàn)的過程中，使用了很多不同的工具，這些工具縮短了配置環(huán)境的時間，同時也為后續(xù)部署集群和創(chuàng)建節(jié)點提供了支持。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)實現(xiàn)

系統(tǒng)需要構(gòu)建一個Kuhernetes集群，集群中擁有一個Masler集群控制節(jié)點，并在集群中創(chuàng)建一個擁有兩個Pocl的Node節(jié)點，其中第一個Pod包含一個MySQL容器，并通過Persistent Volume Claim持久化數(shù)據(jù)庫的存儲，第二個Pod里面創(chuàng)建PhpMyAdmain容器，并通過設置環(huán)境變量來連接MySQL，這樣就實現(xiàn)了運行在云中的MySQL服務系統(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的存儲空間，隨后可以掛載到MySQL的Pod上來實現(xiàn)持久存儲，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．首先應聲明資源類型為deployment，然后設置好相應的鏡像名稱、容器端口、數(shù)據(jù)庫密碼等變量，然后將剛剛聲明好的PVC掛載到這個Pod上實現(xiàn)持久化存儲。當退出數(shù)據(jù)庫再次進入時，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，筆者通過設定了這個Pod的端口號從而確定了IP地址，PhpMyAdmain就是通過設定對應于servic.e文件的端口號來連接數(shù)據(jù)庫，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的問題，本文引入了兩個新的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)一個持久卷，表示Pod可能消耗的后端存儲實體將是PersistencVolume。PersistencVolume Claim持久卷聲明則代表特定Pod對持久卷的專有使用。

4 測試與驗證

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

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

（1）創(chuàng)建名字為World的數(shù)據(jù)庫，退出數(shù)據(jù)庫后再次進入，檢查存儲是否持久。

（2）使用SQL語言創(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)庫后再次進入，檢查存儲是否持久。

（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)庫后再次進入，檢查存儲是否持久。

（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)庫后再次進入，檢查存儲是否持久化。

（5）執(zhí)行選擇SELECT語句，查看數(shù)據(jù)庫是否可以正常篩選。

測試結(jié)果表明，本文提出設計與實現(xiàn)的系統(tǒng)能夠正確地完成預期的功能。

5 結(jié)語

本文提出一種基于Kubernetes的云上MySQL數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的實現(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、插入和自動橫向擴展性能。實驗表明該系統(tǒng)具備較好的實用性，各項性能指標符合預期。本文同時也展示了該系統(tǒng)的設計思想以及關(guān)鍵組件的實現(xiàn)方式與方法，以期為設計實現(xiàn)基于Kubernetes的其他服務軟件系統(tǒng)提供借鑒。

參考文獻

[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實時大數(shù)據(jù)處理技術(shù)在線開放課程建設與實踐[J]．現(xiàn)代信息科技，2021（12）：195-198．

（編輯王雪芬）