容器存储接口 CSI

Container Storage Interface (CSI) 是从 v1.9 引入的容器存储接口，并于 v1.13 版本正式 GA。实际上，CSI 是整个容器生态的标准存储接口，同样适用于 Mesos、Cloud Foundry 等其他的容器集群调度系统。

版本信息

Kubernetes	CSI Spec	Status
v1.9	v0.1.0	Alpha
v1.10	v0.2.0	Beta
v1.11-v1.12	v0.3.0	Beta
v1.13	v0.3.0, v1.0.0	GA

Sidecar 容器版本

Container Name	Description	CSI spec	Latest Release Tag
external-provisioner	Watch PVC and create PV	v1.0.0	v1.0.1
external-attacher	Operate VolumeAttachment	v1.0.0	v1.0.1
external-snapshotter	Operate VolumeSnapshot	v1.0.0	v1.0.1
node-driver-registrar	Register kubelet plugin	v1.0.0	v1.0.2
cluster-driver-registrar	Register CSIDriver Object	v1.0.0	v1.0.1
livenessprobe	Monitors health of CSI driver	v1.0.0	v1.0.2

原理

类似于 CRI，CSI 也是基于 gRPC 实现。详细的 CSI SPEC 可以参考 这里，它要求插件开发者要实现三个 gRPC 服务：

• Identity Service：用于 Kubernetes 与 CSI 插件协调版本信息

• Controller Service：用于创建、删除以及管理 Volume 存储卷

• Node Service：用于将 Volume 存储卷挂载到指定的目录中以便 Kubelet 创建容器时使用（需要监听在 /var/lib/kubelet/plugins/[SanitizedCSIDriverName]/csi.sock）

由于 CSI 监听在 unix socket 文件上， kube-controller-manager 并不能直接调用 CSI 插件。为了协调 Volume 生命周期的管理，并方便开发者实现 CSI 插件，Kubernetes 提供了几个 sidecar 容器并推荐使用下述方法来部署 CSI 插件：

Recommended CSI Deployment Diagram

该部署方法包括：

• StatefuelSet：副本数为 1 保证只有一个实例运行，它包含三个容器

  • 用户实现的 CSI 插件

  • External Attacher：Kubernetes 提供的 sidecar 容器，它监听 VolumeAttachment 和 PersistentVolume 对象的变化情况，并调用 CSI 插件的 ControllerPublishVolume 和 ControllerUnpublishVolume 等 API 将 Volume 挂载或卸载到指定的 Node 上

  • External Provisioner：Kubernetes 提供的 sidecar 容器，它监听 PersistentVolumeClaim 对象的变化情况，并调用 CSI 插件的 ControllerPublish 和 ControllerUnpublish 等 API 管理 Volume

• Daemonset：将 CSI 插件运行在每个 Node 上，以便 Kubelet 可以调用。它包含 2 个容器

  • 用户实现的 CSI 插件

  • Driver Registrar：注册 CSI 插件到 kubelet 中，并初始化 NodeId（即给 Node 对象增加一个 Annotation csi.volume.kubernetes.io/nodeid）

配置

• API Server 配置：

--allow-privileged=true
--feature-gates=CSIPersistentVolume=true,MountPropagation=true
--runtime-config=storage.k8s.io/v1alpha1=true

• Controller-manager 配置：

--feature-gates=CSIPersistentVolume=true

• Kubelet 配置：

--allow-privileged=true
--feature-gates=CSIPersistentVolume=true,MountPropagation=true

Kubernetes 1.33 新特性：动态 CSI 节点分配计数

从 Kubernetes 1.33 开始，引入了一个 Alpha 特性 MutableCSINodeAllocatableCount，允许 CSI 驱动程序动态更新节点可以处理的最大卷数量。这解决了静态卷附件限制报告的局限性，提高了 Pod 调度的准确性。

主要功能

• 动态更新能力：CSI 驱动程序可以实时更新节点的卷附件容量限制

• 两种更新机制：

  • 周期性更新：CSI 驱动程序可设置间隔时间来刷新节点附件容量

  • 反应式更新：当卷附件失败时触发立即更新

• 改善调度准确性：防止将 Pod 调度到卷容量不足的节点上

配置要求

需要在以下组件上启用 MutableCSINodeAllocatableCount 特性门控：

# API Server
--feature-gates=MutableCSINodeAllocatableCount=true

# Kubelet  
--feature-gates=MutableCSINodeAllocatableCount=true

CSI 驱动程序配置示例

apiVersion: storage.k8s.io/v1
kind: CSIDriver
metadata:
  name: example.csi.k8s.io
spec:
  # 设置节点分配计数更新周期（秒）
  nodeAllocatableUpdatePeriodSeconds: 60

好处

• 防止 Pod 被调度到卷容量不足的节点

• 减少 Pod 卡在 "ContainerCreating" 状态的情况

• 提供更动态和准确的资源分配

• 改善存储资源的利用效率

注意：这是 Kubernetes v1.33 中的 Alpha 特性。在生产环境中使用前，建议先进行充分测试并向 Kubernetes Storage SIG 提供反馈。

示例

Kubernetes 提供了几个 CSI 示例，包括 NFS、ISCSI、HostPath、Cinder 以及 FlexAdapter 等。在实现 CSI 插件时，这些示例可以用作参考。

Name	Status	More Information
Cinder	v0.2.0	A Container Storage Interface (CSI) Storage Plug-in for Cinder
DigitalOcean Block Storage	v0.0.1 (alpha)	A Container Storage Interface (CSI) Driver for DigitalOcean Block Storage
AWS Elastic Block Storage	v0.0.1(alpha)	A Container Storage Interface (CSI) Driver for AWS Elastic Block Storage (EBS)
GCE Persistent Disk	Alpha	A Container Storage Interface (CSI) Storage Plugin for Google Compute Engine Persistent Disk
OpenSDS	Beta	For more information, please visit releases and https://github.com/opensds/nbp/tree/master/csi
Portworx	0.2.0	CSI implementation is available here which can be used as an example also.
RBD	v0.2.0	A Container Storage Interface (CSI) Storage RBD Plug-in for Ceph
CephFS	v0.2.0	A Container Storage Interface (CSI) Storage Plug-in for CephFS
ScaleIO	v0.1.0	A Container Storage Interface (CSI) Storage Plugin for DellEMC ScaleIO
vSphere	v0.1.0	A Container Storage Interface (CSI) Storage Plug-in for VMware vSphere
NetApp	v0.2.0 (alpha)	A Container Storage Interface (CSI) Storage Plug-in for NetApp's Trident container storage orchestrator
Ember CSI	v0.2.0 (alpha)	Multi-vendor CSI plugin supporting over 80 storage drivers to provide block and mount storage to Container Orchestration systems.
Nutanix	beta	A Container Storage Interface (CSI) Storage Driver for Nutanix
Quobyte	v0.2.0	A Container Storage Interface (CSI) Plugin for Quobyte

CSI 卷数据填充器

从 Kubernetes v1.33 开始，CSI 驱动程序可以实现卷数据填充器（Volume Populators）功能，支持在卷创建时从自定义数据源填充数据。

实现方式

CSI 驱动程序可以通过以下方式支持卷数据填充器：

1. 传统方式：创建填充 Pod 来处理数据填充任务

2. 插件方式（v1.33 新增）：实现插件函数，可选择性地跳过创建填充 Pod

CSI 驱动程序配置

要支持卷数据填充器，CSI 驱动程序需要在 CSIDriver 对象中声明支持的自定义资源类型：

apiVersion: storage.k8s.io/v1
kind: CSIDriver
metadata:
  name: example.csi.k8s.io
spec:
  # 其他 CSI 驱动程序配置...
  
  # 声明支持的数据源类型
  populatorPolicy:
    # 支持处理的自定义资源类型
    supportedVolumeDataSources:
    - apiGroup: backup.example.com
      kind: VolumeBackup
    - apiGroup: snapshot.example.com  
      kind: ExternalSnapshot

使用示例

配合 CSI 驱动程序使用卷数据填充器：

# 自定义数据源
apiVersion: backup.example.com/v1
kind: VolumeBackup
metadata:
  name: database-backup-v1
  namespace: default
spec:
  backupURL: "s3://my-bucket/database-backup-20250101.tar.gz"
  restorePoint: "2025-01-01T10:00:00Z"
---
# 使用自定义数据源的 PVC
apiVersion: v1
kind: PersistentVolumeClaim
metadata:
  name: restored-database
  namespace: default
spec:
  accessModes:
    - ReadWriteOnce
  resources:
    requests:
      storage: 50Gi
  storageClassName: fast-csi-storage
  dataSourceRef:
    apiGroup: backup.example.com
    kind: VolumeBackup
    name: database-backup-v1

CSI 插件实现要点

实现支持卷数据填充器的 CSI 驱动程序时需要注意：

1. 数据源识别：解析 PVC 中的 dataSourceRef 字段

2. 填充逻辑：根据自定义资源的规格实现数据填充

3. 状态报告：准确报告填充进度和完成状态

4. 错误处理：处理填充失败的情况并提供清晰的错误信息

与传统数据源的区别

特性	传统数据源 (VolumeSnapshot)	CSI 卷数据填充器
数据源类型	限制于内置类型	支持任意自定义资源
填充逻辑	内置实现	CSI 驱动程序自定义
扩展性	有限	高度可扩展
数据来源	仅 Kubernetes 内部	可从外部系统获取

NFS CSI 示例

下面以 NFS 为例来看一下 CSI 插件的使用方法。

首先需要部署 NFS 插件：

git clone https://github.com/kubernetes-csi/drivers
cd drivers/pkg/nfs
kubectl create -f deploy/kubernetes

然后创建一个使用 NFS 存储卷的容器

kubectl create -f examples/kubernetes/nginx.yaml

该例中已直接创建 PV 的方式使用 NFS

apiVersion: v1
kind: PersistentVolume
metadata:
  name: data-nfsplugin
  labels:
    name: data-nfsplugin
  annotations:
    csi.volume.kubernetes.io/volume-attributes: '{"server":"10.10.10.10","share":"share"}'
spec:
  accessModes:
  - ReadWriteOnce
  capacity:
    storage: 100Gi
  csi:
    driver: csi-nfsplugin
    volumeHandle: data-id
---
apiVersion: v1
kind: PersistentVolumeClaim
metadata:
  name: data-nfsplugin
spec:
  accessModes:
  - ReadWriteOnce
  resources:
    requests:
      storage: 100Gi
  selector:
    matchExpressions:
    - key: name
      operator: In
      values: ["data-nfsplugin"]

也可以用在 StorageClass 中

kind: StorageClass
apiVersion: storage.k8s.io/v1
metadata:
  name: csi-sc-nfsplugin
provisioner: csi-nfsplugin
parameters:

---
apiVersion: v1
kind: PersistentVolumeClaim
metadata:
  name: request-for-storage
spec:
  accessModes:
  - ReadWriteOnce
  resources:
    requests:
      storage: 5Gi
  storageClassName: csi-sc-nfsplugin

参考文档

• Kubernetes CSI Documentation

• CSI Volume Plugins in Kubernetes Design Doc