스테이트풀셋

스테이트풀셋은 애플리케이션의 스테이트풀을 관리하는데 사용하는 워크로드 API 오브젝트이다.

파드 집합의 디플로이먼트와 스케일링을 관리하며, 파드들의 순서 및 고유성을 보장한다 .

디플로이먼트와 유사하게, 스테이트풀셋은 동일한 컨테이너 스펙을 기반으로 둔 파드들을 관리한다. 디플로이먼트와는 다르게, 스테이트풀셋은 각 파드의 독자성을 유지한다. 이 파드들은 동일한 스팩으로 생성되었지만, 서로 교체는 불가능하다. 다시 말해, 각각은 재스케줄링 간에도 지속적으로 유지되는 식별자를 가진다.

스토리지 볼륨을 사용해서 워크로드에 지속성을 제공하려는 경우, 솔루션의 일부로 스테이트풀셋을 사용할 수 있다. 스테이트풀셋의 개별 파드는 장애에 취약하지만, 퍼시스턴트 파드 식별자는 기존 볼륨을 실패한 볼륨을 대체하는 새 파드에 더 쉽게 일치시킬 수 있다.

스테이트풀셋 사용

스테이트풀셋은 다음 중 하나 또는 이상이 필요한 애플리케이션에 유용하다.

• 안정된, 고유한 네트워크 식별자.
• 안정된, 지속성을 갖는 스토리지.
• 순차적인, 정상 배포(graceful deployment)와 스케일링.
• 순차적인, 자동 롤링 업데이트.

위의 안정은 파드의 (재)스케줄링 전반에 걸친 지속성과 같은 의미이다. 만약 애플리케이션이 안정적인 식별자 또는 순차적인 배포, 삭제 또는 스케일링이 필요하지 않으면, 스테이트리스 레플리카셋(ReplicaSet)을 제공하는 워크로드 오브젝트를 사용해서 애플리케이션을 배포해야 한다. 디플로이먼트 또는 레플리카셋과 같은 컨트롤러가 스테이트리스 요구에 더 적합할 수 있다.

제한사항

• 파드에 지정된 스토리지는 관리자에 의해 퍼시스턴트 볼륨 프로비저너 를 기반으로 하는 storage class 를 요청해서 프로비전하거나 사전에 프로비전이 되어야 한다.
• 스테이트풀셋을 삭제 또는 스케일 다운해도 스테이트풀셋과 연관된 볼륨이 삭제되지 않는다. 이는 일반적으로 스테이트풀셋과 연관된 모든 리소스를 자동으로 제거하는 것보다 더 중요한 데이터의 안전을 보장하기 위함이다.
• 스테이트풀셋은 현재 파드의 네트워크 신원을 책임지고 있는 헤드리스 서비스 가 필요하다. 사용자가 이 서비스를 생성할 책임이 있다.
• 스테이트풀셋은 스테이트풀셋의 삭제 시 파드의 종료에 대해 어떠한 보증을 제공하지 않는다. 스테이트풀셋에서는 파드가 순차적이고 정상적으로 종료(graceful termination)되도록 하려면, 삭제 전 스테이트풀셋의 스케일을 0으로 축소할 수 있다.
• 롤링 업데이트와 기본 파드 매니지먼트 폴리시 (OrderedReady)를 함께 사용시 복구를 위한 수동 개입이 필요한 파손 상태로 빠질 수 있다.

구성 요소

아래의 예시에서는 스테이트풀셋의 구성요소를 보여 준다.

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: nginx
  labels:
    app: nginx
spec:
  ports:
  - port: 80
    name: web
  clusterIP: None
  selector:
    app: nginx
---
apiVersion: apps/v1
kind: StatefulSet
metadata:
  name: web
spec:
  selector:
    matchLabels:
      app: nginx # .spec.template.metadata.labels 와 일치해야 한다
  serviceName: "nginx"
  replicas: 3 # 기본값은 1
  minReadySeconds: 10 # 기본값은 0
  template:
    metadata:
      labels:
        app: nginx # .spec.selector.matchLabels 와 일치해야 한다
    spec:
      terminationGracePeriodSeconds: 10
      containers:
      - name: nginx
        image: registry.k8s.io/nginx-slim:0.8
        ports:
        - containerPort: 80
          name: web
        volumeMounts:
        - name: www
          mountPath: /usr/share/nginx/html
  volumeClaimTemplates:
  - metadata:
      name: www
    spec:
      accessModes: [ "ReadWriteOnce" ]
      storageClassName: "my-storage-class"
      resources:
        requests:
          storage: 1Gi

위의 예시에서:

• 이름이 nginx라는 헤드리스 서비스는 네트워크 도메인을 컨트롤하는데 사용 한다.
• 이름이 web인 스테이트풀셋은 3개의 nginx 컨테이너의 레플리카가 고유의 파드에서 구동될 것이라 지시하는 Spec을 갖는다.
• volumeClaimTemplates은 퍼시스턴트 볼륨 프로비저너에서 프로비전한 퍼시스턴트 볼륨을 사용해서 안정적인 스토리지를 제공한다.

스테이트풀셋 오브젝트의 이름은 유효한 DNS 서브도메인 이름이어야 한다.

파드 셀렉터

스테이트풀셋의 .spec.selector 필드는 .spec.template.metadata.labels 레이블과 일치하도록 설정해야 한다. 해당되는 파드 셀렉터를 찾지 못하면 스테이트풀셋 생성 과정에서 검증 오류가 발생한다.

볼륨 클레임 템플릿

.spec.volumeClaimTemplates 를 설정하여, 퍼시스턴트볼륨 프로비저너에 의해 프로비전된 퍼시스턴트볼륨을 이용하는 안정적인 스토리지를 제공할 수 있다.

최소 준비 시간 초

.spec.minReadySeconds 는 파드가 '사용 가능(available)'이라고 간주될 수 있도록 파드의 모든 컨테이너가 문제 없이 실행되고 준비되는 최소 시간(초)을 나타내는 선택적인 필드이다. 롤링 업데이트 전략을 사용할 때 롤아웃 진행 상황을 확인하는 데 사용된다. 이 필드의 기본값은 0이다(이 경우, 파드가 Ready 상태가 되면 바로 사용 가능하다고 간주된다.) 파드가 언제 사용 가능하다고 간주되는지에 대한 자세한 정보는 컨테이너 프로브(probe)를 참고한다.

파드 신원

스테이트풀셋 파드는 순서, 안정적인 네트워크 신원 그리고 안정적인 스토리지로 구성되는 고유한 신원을 가진다. 신원은 파드가 어떤 노드에 있고, (재)스케줄과도 상관없이 파드에 붙어있다.

순서 색인

N개의 레플리카가 있는 스테이트풀셋은 스테이트풀셋에 있는 각 파드에 0에서 N-1 까지의 정수가 순서대로 할당되며 해당 스테이트풀셋 내에서 고유 하다. 기본적으로 파드는 0부터 N-1까지의 순서대로 할당된다.

시작 순서

.spec.ordinals은 각 파드에 할당할 순서에 대한 정수값을 설정할 수 있게 해주는 선택적인 필드로, 기본값은 nil이다. 이 필드를 사용하기 위해서는 StatefulSetStartOrdinal 기능 게이트를 활성화해야 한다. 활성화 시, 다음과 같은 옵션들을 설정할 수 있다.

• .spec.ordinals.start: 만약 .spec.ordinals.start 필드가 세팅되지 않을 경우, 파드는 .spec.ordinals.start 부터 .spec.ordinals.start + .spec.replicas - 1의 순서대로 할당된다.

안정적인 네트워크 신원

스테이트풀셋의 각 파드는 스테이트풀셋의 이름과 파드의 순번에서 호스트 이름을 얻는다. 호스트 이름을 구성하는 패턴은 $(statefulset name)-$(ordinal) 이다. 위의 예시에서 생성된 3개 파드의 이름은 web-0,web-1,web-2 이다. 스테이트풀셋은 스테이트풀셋에 있는 파드의 도메인을 제어하기위해 헤드리스 서비스를 사용할 수 있다. 이 서비스가 관리하는 도메인은 $(service name).$(namespace).svc.cluster.local 의 형식을 가지며, 여기서 "cluster.local"은 클러스터 도메인이다. 각 파드는 생성되면 $(podname).$(governing service domain) 형식을 가지고 일치되는 DNS 서브도메인을 가지며, 여기서 거버닝 서비스(governing service)는 스테이트풀셋의 serviceName 필드에 의해 정의된다.

클러스터에서 DNS가 구성된 방식에 따라, 새로 실행된 파드의 DNS 이름을 즉시 찾지 못할 수 있다. 이 동작은 클러스터의 다른 클라이언트가 파드가 생성되기 전에 파드의 호스트 이름에 대한 쿼리를 이미 보낸 경우에 발생할 수 있다. 네거티브 캐싱(DNS에서 일반적)은 이전에 실패한 조회 결과가 파드가 실행된 후에도 적어도 몇 초 동안 기억되고 재사용됨을 의미한다.

파드를 생성한 후 즉시 파드를 검색해야 하는 경우, 몇 가지 옵션이 있다.

• DNS 조회에 의존하지 않고 쿠버네티스 API를 직접(예를 들어 watch 사용) 쿼리한다.
• 쿠버네티스 DNS 공급자의 캐싱 시간(일반적으로 CoreDNS의 컨피그맵을 편집하는 것을 의미하며, 현재 30초 동안 캐시함)을 줄인다.

제한사항 섹션에서 언급한 것처럼 사용자는 파드의 네트워크 신원을 책임지는 헤드리스 서비스를 생성할 책임이 있다.

여기 클러스터 도메인, 서비스 이름, 스테이트풀셋 이름을 선택을 하고, 그 선택이 스테이트풀셋 파드의 DNS이름에 어떻게 영향을 주는지에 대한 약간의 예시가 있다.

안정된 스토리지

스테이트풀셋에 정의된 VolumeClaimTemplate 항목마다, 각 파드는 하나의 PersistentVolumeClaim을 받는다. 위의 nginx 예시에서 각 파드는 my-storage-class 라는 스토리지 클래스와 1 Gib의 프로비전된 스토리지를 가지는 단일 퍼시스턴트 볼륨을 받게 된다. 만약 스토리지 클래스가 명시되지 않은 경우, 기본 스토리지 클래스가 사용된다. 파드가 노드에서 스케줄 혹은 재스케줄이 되면 파드의 volumeMounts 는 퍼시스턴트 볼륨 클레임과 관련된 퍼시스턴트 볼륨이 마운트 된다. 참고로, 파드 퍼시스턴트 볼륨 클레임과 관련된 퍼시스턴트 볼륨은 파드 또는 스테이트풀셋이 삭제되더라도 삭제되지 않는다. 이것은 반드시 수동으로 해야 한다.

파드 이름 레이블

스테이트풀셋 컨트롤러 가 파드를 생성할 때 파드 이름으로 statefulset.kubernetes.io/pod-name 레이블이 추가된다. 이 레이블로 스테이트풀셋의 특정 파드에 서비스를 연결할 수 있다.

디플로이먼트와 스케일링 보증

• N개의 레플리카가 있는 스테이트풀셋이 파드를 배포할 때 연속해서 {0..N-1}의 순서로 생성한다.
• 파드가 삭제될 때는 {N-1..0}의 순서인 역순으로 종료된다.
• 파드에 스케일링 작업을 적용하기 전에 모든 선행 파드가 Running 및 Ready 상태여야 한다.
• 파드가 종료되기 전에 모든 후속 파드가 완전히 종료 되어야 한다.

스테이트풀셋은 pod.Spec.TerminationGracePeriodSeconds 을 0으로 명시해서는 안된다. 이 방법은 안전하지 않으며, 사용하지 않기를 강권한다. 자세한 설명은 스테이트풀셋 파드 강제 삭제를 참고한다.

위의 nginx 예시가 생성될 때 web-0, web-1, web-2 순서로 3개 파드가 배포된다. web-1은 web-0이 Running 및 Ready 상태가 되기 전에는 배포되지 않으며, web-2 도 web-1이 Running 및 Ready 상태가 되기 전에는 배포되지 않는다. 만약 web-1이 Running 및 Ready 상태가 된 이후, web-2가 시작되기 전에 web-0이 실패하게 된다면, web-2는 web-0이 성공적으로 재시작이되고, Running 및 Ready 상태가 되기 전까지 시작되지 않는다.

만약 사용자가 배포된 예제의 스테이트풀셋을 replicas=1 으로 패치해서 스케일한 경우 web-2가 먼저 종료된다. web-1은 web-2가 완전히 종료 및 삭제되기 전까지 정지되지 않는다. 만약 web-2의 종료 및 완전히 중지되고, web-1이 종료되기 전에 web-0이 실패할 경우 web-1은 web-0이 Running 및 Ready 상태가 되기 전까지 종료되지 않는다.

파드 관리 정책

스테이트풀셋의 .spec.podManagementPolicy 필드를 통해 고유성 및 신원 보증을 유지하면서 순차 보증을 완화한다.

OrderedReady 파드 관리

OrderedReady 파드 관리는 스테이트풀셋의 기본이다. 이것은 위에서 설명한 행위를 구현한다.

Parallel 파드 관리

Parallel 파드 관리는 스테이트풀셋 컨트롤러에게 모든 파드를 병렬로 실행 또는 종료하게 한다. 그리고 다른 파드의 실행이나 종료에 앞서 파드가 Running 및 Ready 상태가 되거나 완전히 종료되기를 기다리지 않는다. 이 옵션은 오직 스케일링 작업에 대한 동작에만 영향을 미친다. 업데이트는 영향을 받지 않는다.

업데이트 전략

스테이트풀셋의 .spec.updateStrategy 필드는 스테이트풀셋의 파드에 대한 컨테이너, 레이블, 리소스의 요청/제한 그리고 주석에 대한 자동화된 롤링 업데이트를 구성하거나 비활성화할 수 있다. 두 가지 가능한 전략이 있다.

OnDelete(삭제시)

스테이트풀셋의 .spec.updateStrategy.type 은 OnDelete 를 설정하며, 스테이트풀셋 컨트롤러는 스테이트풀셋의 파드를 자동으로 업데이트하지 않는다. 사용자는 컨트롤러가 스테이트풀셋의 .spec.template를 반영하는 수정된 새로운 파드를 생성하도록 수동으로 파드를 삭제해야 한다.

RollingUpdate(롤링 업데이트)

RollingUpdate 업데이트 전략은 스테이트풀셋의 파드에 대한 롤링 업데이트를 구현한다. 기본 업데이트 전략이다.

롤링 업데이트

스테이트풀셋에 롤링 업데이트 가 .spec.updateStrategy.type 에 설정되면 스테이트풀셋 컨트롤러는 스테이트풀셋의 각 파드를 삭제 및 재생성한다. 이 과정에서 똑같이 순차적으로 파드가 종료되고(가장 큰 순서 색인에서부터에서 작은 순서 색인쪽으로), 각 파드의 업데이트는 한 번에 하나씩 한다.

쿠버네티스 컨트롤 플레인은 이전 버전을 업데이트 하기 전에, 업데이트된 파드가 실행 및 준비될 때까지 기다린다. .spec.minReadySeconds(최소 준비 시간 초 참조)를 설정한 경우, 컨트롤 플레인은 파드가 준비 상태로 전환된 후 해당 시간을 추가로 기다린 후 이동한다.

파티션 롤링 업데이트

롤링 업데이트 의 업데이트 전략은 .spec.updateStrategy.rollingUpdate.partition 를 명시해서 파티션 할 수 있다. 만약 파티션을 명시하면 스테이트풀셋의 .spec.template 가 업데이트 될 때 부여된 수가 파티션보다 크거나 같은 모든 파드가 업데이트 된다. 파티션보다 작은 수를 가진 모든 파드는 업데이트 되지 않으며, 삭제 된 경우라도 이전 버전에서 재생성된다. 만약 스테이트풀셋의 .spec.updateStrategy.rollingUpdate.partition 이 .spec.replicas 보다 큰 경우 .spec.template 의 업데이트는 해당 파드에 전달하지 않는다. 대부분의 케이스는 파티션을 사용할 필요가 없지만 업데이트를 준비하거나, 카나리의 롤 아웃 또는 단계적인 롤 아웃을 행하려는 경우에는 유용하다.

최대 사용 불가능(unavailable) 파드 수

.spec.updateStrategy.rollingUpdate.maxUnavailable 필드를 명시하여, 업데이트 과정에서 사용 불가능(unavailable) 파드를 최대 몇 개까지 허용할 것인지를 조절할 수 있다. 값은 절대값(예: 5) 또는 목표 파드 퍼센티지(예: 10%)로 명시할 수 있다. 절대값은 퍼센티지 값으로 계산한 뒤 올림하여 얻는다. 이 필드는 0일 수 없다. 기본값은 1이다.

이 필드는 0 에서 replicas - 1 사이 범위에 있는 모든 파드에 적용된다. 이 범위 내에 사용 불가능한 파드가 있으면, maxUnavailable로 집계된다.

강제 롤백

기본 파드 관리 정책 (OrderedReady)과 함께 롤링 업데이트를 사용할 경우 직접 수동으로 복구를 해야하는 고장난 상태가 될 수 있다.

만약 파드 템플릿을 Running 및 Ready 상태가 되지 않는 구성으로 업데이트하는 경우(예시: 잘못된 바이너리 또는 애플리케이션-레벨 구성 오류로 인한) 스테이트풀셋은 롤아웃을 중지하고 기다린다.

이 상태에서는 파드 템플릿을 올바른 구성으로 되돌리는 것으로 충분하지 않다. 알려진 이슈로 인해 스테이트풀셋은 손상된 파드가 준비(절대 되지 않음)될 때까지 기다리며 작동하는 구성으로 되돌아가는 시도를 하기 전까지 기다린다.

템플릿을 되돌린 이후에는 스테이트풀셋이 이미 잘못된 구성으로 실행하려고 시도한 모든 파드를 삭제해야 한다. 그러면 스테이트풀셋은 되돌린 템플릿을 사용해서 파드를 다시 생성하기 시작한다.

퍼시스턴트볼륨클레임 유보

선택적 필드인 .spec.persistentVolumeClaimRetentionPolicy 는 스테이트풀셋의 생애주기동안 PVC를 삭제할 것인지, 삭제한다면 어떻게 삭제하는지를 관리한다. 이 필드를 사용하려면 API 서버와 컨트롤러 매니저에 StatefulSetAutoDeletePVC 기능 게이트를 활성화해야 한다. 활성화 시, 각 스테이트풀셋에 대해 두 가지 정책을 설정할 수 있다.

whenDeleted

스테이트풀셋이 삭제될 때 적용될 볼륨 유보 동작을 설정한다.

whenScaled

스테이트풀셋의 레플리카 수가 줄어들 때, 예를 들면 스테이트풀셋을 스케일 다운할 때 적용될 볼륨 유보 동작을 설정한다.

설정 가능한 각 정책에 대해, 그 값을 Delete 또는 Retain 으로 설정할 수 있다.

Delete

volumeClaimTemplate 스테이트풀셋으로부터 생성된 PVC는 정책에 영향을 받는 각 파드에 대해 삭제된다. whenDeleted 가 이 값으로 설정되어 있으면 volumeClaimTemplate 으로부터 생성된 모든 PVC는 파드가 삭제된 뒤에 삭제된다. whenScaled 가 이 값으로 설정되어 있으면 스케일 다운된 파드 레플리카가 삭제된 뒤, 삭제된 파드에 해당되는 PVC만 삭제된다.

Retain (기본값)

파드가 삭제되어도 volumeClaimTemplate 으로부터 생성된 PVC는 영향을 받지 않는다. 이는 이 신기능이 도입되기 전의 기본 동작이다.

이러한 정책은 파드의 삭제가 스테이트풀셋 삭제 또는 스케일 다운으로 인한 것일 때에만 적용됨에 유의한다. 예를 들어, 스테이트풀셋의 파드가 노드 실패로 인해 실패했고, 컨트롤 플레인이 대체 파드를 생성했다면, 스테이트풀셋은 기존 PVC를 유지한다. 기존 볼륨은 영향을 받지 않으며, 새 파드가 실행될 노드에 클러스터가 볼륨을 연결(attach)한다.

정책의 기본값은 Retain 이며, 이는 이 신기능이 도입되기 전의 스테이트풀셋 기본 동작이다.

다음은 정책 예시이다.

apiVersion: apps/v1
kind: StatefulSet
...
spec:
  persistentVolumeClaimRetentionPolicy:
    whenDeleted: Retain
    whenScaled: Delete
...

스테이트풀셋 컨트롤러는 자신이 소유한 PVC에 소유자 정보(reference)를 추가하며, 파드가 종료된 이후에는 가비지 콜렉터가 이 정보를 삭제한다. 이로 인해 PVC가 삭제되기 전에 (그리고 유보 정책에 따라, 매칭되는 기반 PV와 볼륨이 삭제되기 전에) 파드가 모든 볼륨을 깨끗하게 언마운트할 수 있다. whenDeleted 정책을 Delete 로 설정하면, 해당 스테이트풀셋에 연결된 모든 PVC에 스테이트풀셋 인스턴스의 소유자 정보가 기록된다.

whenScaled 정책은 파드가 스케일 다운되었을 때에만 PVC를 삭제하며, 파드가 다른 원인으로 삭제되면 PVC를 삭제하지 않는다. 조정 상황 발생 시, 스테이트풀셋 컨트롤러는 목표 레플리카 수와 클러스터 상의 실제 파드 수를 비교한다. 레플리카 카운트보다 큰 ID를 갖는 스테이트풀셋 파드는 부적격 판정을 받으며 삭제 대상으로 표시된다. whenScaled 정책이 Delete 이면, 부적격 파드는 삭제되기 전에, 연결된 스테이트풀셋 템플릿 PVC의 소유자로 지정된다. 이로 인해, 부적격 파드가 종료된 이후에만 PVC가 가비지 콜렉트된다.

이는 곧 만약 컨트롤러가 강제 종료되어 재시작되면, 파드의 소유자 정보가 정책에 적합하게 업데이트되기 전에는 어떤 파드도 삭제되지 않을 것임을 의미한다. 만약 컨트롤러가 다운된 동안 부적격 파드가 강제로 삭제되면, 컨트롤러가 강제 종료된 시점에 따라 소유자 정보가 설정되었을 수도 있고 설정되지 않았을 수도 있다. 소유자 정보가 업데이트되기까지 몇 번의 조정 절차가 필요할 수 있으며, 따라서 일부 부적격 파드는 소유자 정보 설정을 완료하고 나머지는 그러지 못했을 수 있다. 이러한 이유로, 컨트롤러가 다시 켜져서 파드를 종료하기 전에 소유자 정보를 검증할 때까지 기다리는 것을 추천한다. 이것이 불가능하다면, 관리자는 PVC의 소유자 정보를 확인하여 파드가 강제 삭제되었을 때 해당되는 오브젝트가 삭제되도록 해야 한다.

레플리카

.spec.replicas 은 필요한 파드의 수를 지정하는 선택적 필드이다. 기본값은 1이다.

예를 들어 kubectl scale deployment deployment --replicas=X 명령으로 디플로이먼트의 크기를 수동으로 조정한 뒤, 매니페스트를 이용하여 디플로이먼트를 업데이트하면(예: kubectl apply -f deployment.yaml 실행), 수동으로 설정했던 디플로이먼트의 크기가 오버라이드된다.

HorizontalPodAutoscaler(또는 수평 스케일링을 위한 유사 API)가 디플로이먼트 크기를 관리하고 있다면, .spec.replicas 를 설정해서는 안 된다. 대신, 쿠버네티스 컨트롤 플레인이 .spec.replicas 필드를 자동으로 관리한다.

다음 내용

• 파드에 대해 배운다.
• 스테이트풀셋을 사용하는 방법을 알아본다.
  • 스테이트풀셋 애플리케이션 배포 예제를 따라한다.
  • 스테이트풀셋으로 카산드라 배포 예제를 따라한다.
  • 복제된 스테이트풀셋 애플리케이션 구동하기 예제를 따라한다.
  • 스테이트풀셋 확장하기에 대해 배운다.
  • 스테이트풀셋을 삭제하면 어떤 일이 수반되는지를 배운다.
  • 스토리지의 볼륨을 사용하는 파드 구성을 하는 방법을 배운다.
  • 스토리지로 퍼시스턴트볼륨(PersistentVolume)을 사용하도록 파드 설정하는 방법을 배운다.
• StatefulSet은 쿠버네티스 REST API의 상위-수준 리소스이다. 스테이트풀셋 API에 대해 이해하기 위해 StatefulSet 오브젝트 정의를 읽는다.
• PodDisruptionBudget과 이를 사용해서 어떻게 중단 중에 애플리케이션 가용성을 관리할 수 있는지에 대해 읽는다.