如何保证应用实例的拓扑状态，在 Pod 删除和再创建的过程中保持稳定

Kubernetes架构master节点有一个很重要的组件-Service，Service 是 Kubernetes 项目中用来将一组 Pod 暴露给外界访问的一种机制。比如，一个 Deployment 有 3 个 Pod，那么我就可以定义一个 Service。然后，用户只要能访问到这个 Service，它就能访问到某个具体的 Pod。

那么，这个 Service 又是如何被访问的呢？

第一种方式，是以 Service 的 VIP（Virtual IP，即：虚拟 IP）方式。

比如：当我访问 10.0.23.1 这个 Service 的 IP 地址时，10.0.23.1 其实就是一个 VIP，它会把请求转发到该 Service 所代理的某一个 Pod 上。

第二种方式，就是以 Service 的 DNS 方式。

比如：这时候，只要我访问“my-svc.my-namespace.svc.cluster.local”这条 DNS 记录，就可以访问到名叫 my-svc 的 Service 所代理的某一个 Pod。

而在第二种 Service DNS 的方式下，具体还可以分为两种处理方法：

第一种处理方法，是 Normal Service。这种情况下，你访问“my-svc.my-namespace.svc.cluster.local”解析到的，正是 my-svc 这个 Service 的 VIP，后面的流程就跟 VIP 方式一致了。

而第二种处理方法，正是 Headless Service。这种情况下，你访问“my-svc.my-namespace.svc.cluster.local”解析到的，直接就是 my-svc 代理的某一个 Pod 的 IP 地址。可以看到，这里的区别在于，Headless Service 不需要分配一个 VIP，而是可以直接以 DNS 记录的方式解析出被代理 Pod 的 IP 地址。

那么，这样的设计又有什么作用呢？

想要回答这个问题，我们需要从 Headless Service 的定义方式看起。

下面是一个标准的 Headless Service 对应的 YAML 文件：

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

可以看到，所谓的 Headless Service，其实仍是一个标准 Service 的 YAML 文件。只不过，它的 clusterIP 字段的值是：None，即：这个 Service，没有一个 VIP 作为“头”。这也就是 Headless 的含义。所以，这个 Service 被创建后并不会被分配一个 VIP，而是会以 DNS 记录的方式暴露出它所代理的 Pod。

而它所代理的 Pod，依然是 Label Selector 机制选择出来的，即：所有携带了 app=nginx 标签的 Pod，都会被这个 Service 代理起来。

然后关键来了。当你按照这样的方式创建了一个 Headless Service 之后，它所代理的所有 Pod 的 IP 地址，都会被绑定一个这样格式的 DNS 记录，如下所示：

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<pod-name>.<svc-name>.<namespace>.svc.cluster.local

这个 DNS 记录，正是 Kubernetes 项目为 Pod 分配的唯一的“可解析身份”（Resolvable Identity）。

有了这个“可解析身份”，只要你知道了一个 Pod 的名字，以及它对应的 Service 的名字，你就可以非常确定地通过这条 DNS 记录访问到 Pod 的 IP 地址。

那么，StatefulSet 又是如何使用这个 DNS 记录来维持 Pod 的拓扑状态的呢？

为了回答这个问题，现在我们就来编写一个 StatefulSet 的 YAML 文件，如下所示：

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apiVersion: apps/v1
kind: StatefulSet
metadata:
  name: web
spec:
  serviceName: "nginx"
  replicas: 2
  selector:
    matchLabels:
      app: nginx
  template:
    metadata:
      labels:
        app: nginx
    spec:
      containers:
      - name: nginx
        image: nginx:1.9.1
        ports:
        - containerPort: 80
          name: web

这个 YAML 文件，和我们在前面文章中用到的 nginx-deployment 的唯一区别，就是多了一个 serviceName=nginx 字段。

这个字段的作用，就是告诉 StatefulSet 控制器，在执行控制循环（Control Loop）的时候，请使用 nginx 这个 Headless Service 来保证 Pod 的“可解析身份”。

所以，当你通过 kubectl create 创建了上面这个 Service 和 StatefulSet 之后，就会看到如下两个对象：

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$ kubectl create -f svc.yaml
$ kubectl get service nginx
NAME    TYPE        CLUSTER-IP   EXTERNAL-IP   PORT(S)   AGE
nginx   ClusterIP   None         <none>        80/TCP    9s

$ kubectl create -f statefulset.yaml
$ kubectl get statefulset web
NAME   READY   AGE
web    2/2     32s

READY 字段里面的字段表示的是 当前运行副本个数/期望运行个数

这时候，如果你手比较快的话，还可以通过 kubectl 的 -w 参数，即：Watch 功能，实时查看 StatefulSet 创建两个有状态实例的过程：

备注：如果手不够快的话，Pod 很快就创建完了。不过，你依然可以通过这个 StatefulSet 的 Events 看到这些信息。

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$ kubectl get pods -w -l app=nginx
NAME    READY   STATUS    RESTARTS   AGE
web-0   1/1     Running   0          3m21s
web-1   1/1     Running   0          3m8s

通过上面这个 Pod 的创建过程，我们不难看到，StatefulSet 给它所管理的所有 Pod 的名字，进行了编号，编号规则是 [statefulset name]-[ordinal index]。

而且这些编号都是从 0 开始累加，与 StatefulSet 的每个 Pod 实例一一对应，绝不重复。

更重要的是，这些 Pod 的创建，也是严格按照编号顺序进行的。比如，在 web-0 进入到 Running 状态、并且细分状态（Conditions）成为 Ready 之前，web-1 会一直处于 Pending 状态。

备注：Ready 状态再一次提醒了我们，为 Pod 设置 livenessProbe 和 readinessProbe 的重要性。

当这两个 Pod 都进入了 Running 状态之后，你就可以查看到它们各自唯一的“网络身份”了。

我们使用 kubectl exec 命令进入到容器中查看它们的 hostname：

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$ kubectl exec web-0 -- sh -c 'hostname'
web-0
$ kubectl exec web-1 -- sh -c 'hostname'
web-1

可以看到，这两个 Pod 的 hostname 与 Pod 名字是一致的，都被分配了对应的编号。接下来，我们再试着以 DNS 的方式，访问一下这个 Headless Service：

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$ kubectl run -i --tty --image busybox:1.28.4 dns-test --restart=Never --rm /bin/sh

通过这条命令，我们启动了一个一次性的 Pod，因为 –rm 意味着 Pod 退出后就会被删除掉。然后，在这个 Pod 的容器里面，我们尝试用 nslookup 命令，解析一下 Pod 对应的 Headless Service：

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$ kubectl run -i --tty --image busybox:1.28.4 dns-test --restart=Never --rm /bin/sh
If you don't see a command prompt, try pressing enter.
/ # nslookup web-0.nginx
Server:    10.96.0.10
Address 1: 10.96.0.10 kube-dns.kube-system.svc.cluster.local

Name:      web-0.nginx
Address 1: 10.44.0.5 web-0.nginx.default.svc.cluster.local
/ # nslookup web-1.nginx
Server:    10.96.0.10
Address 1: 10.96.0.10 kube-dns.kube-system.svc.cluster.local

Name:      web-1.nginx
Address 1: 10.32.0.7 web-1.nginx.default.svc.cluster.local

我们可以看到，在这个 StatefulSet 中，这两个新 Pod 的“网络标识”（比如：web-0.nginx 和 web-1.nginx），再次解析到了正确的 IP 地址（比如：web-0 Pod 的 IP 地址 10.44.0.5）。

通过这种方法，Kubernetes 就成功地将 Pod 的拓扑状态（比如：哪个节点先启动，哪个节点后启动），按照 Pod 的“名字 + 编号”的方式固定了下来。此外，Kubernetes 还为每一个 Pod 提供了一个固定并且唯一的访问入口，即：这个 Pod 对应的 DNS 记录。

这些状态，在 StatefulSet 的整个生命周期里都会保持不变，绝不会因为对应 Pod 的删除或者重新创建而失效。

不过，相信你也已经注意到了，尽管 web-0.nginx 这条记录本身不会变，但它解析到的 Pod 的 IP 地址，并不是固定的。这就意味着，对于“有状态应用”实例的访问，你必须使用 DNS 记录或者 hostname 的方式，而绝不应该直接访问这些 Pod 的 IP 地址。