基于原生云的MySQL服務系統研究與應用

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，最顯著的優勢是開銷小、易擴展、易維護，越來越多的企業使用原生云部署它們的應用系統。K8s源自于谷歌，是目前最主流的原始云。文章提出實現一種基于K8s的MySQL服務系統。該系統將MySQL數據庫遷移到原生云平臺，并充分利用K8s的自動伸縮、數據持久化和負載均衡等特性，使得數據庫突破了單機存儲空間和計算能力的限制，這不僅可以有效節約本地服務器的維護成本，而且可以按需提升系統的并發數據查詢與操作性能。

關鍵詞：容器：Docker；云計算；數據庫；Kubernetes

中圖分類號：TP393

文獻標志碼：A

1 系統研究背景與意義

目前，云數據庫正在蓬勃發展，已經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據庫系統、周期性更新數據庫的補丁程序、系統強化和備份等。此外，除了數據所需的存儲空間外，集群中的虛擬機數量能根據負載自動增加，從而實現高可用性和強伸縮性[2]。從服務角度而言，云數據庫提供了基于Weh的UI界面來幫助用戶進行數據庫操作和實例控制，同時也可以幫助用戶進行數據庫的備份與恢復，大大地提高了數據管理的便捷性與安全性，并且可以在線監控和擴展數據庫來滿足不同的應用需求?？傮w而言，構建在云上的數據庫可以快速、低成本且高效率地擴展，也可廣泛地用于實驗教學環境[3]?；诖?，本文開發并完成了一個基于Kuhernetes的MySQL服務系統，它可以為每一個使用該系統的用戶提供一個MySQL環境，對于大規模彈性部署基于MySQL的應用具有重要意義。

2 系統設計

2.1 Kubernetes介紹

Kuherneces的主要結構如圖1所示，它采用了典型的主一從架構。這種架構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的所有聯系均使用安全端口通信。在實際生成資源并將其保存到數據存儲之前apiserver負責所有資源創建請求的接口驗證。

由于Kuherneces是業務流程框架，因此它用于管理Pod調度的內置邏輯。sched uler負責這種內置的邏輯判斷。調度決策取決于諸多因素，它們能夠影響甚至阻止Pod的調度與再調度，具體包括：應用程序對資源的要求、跨節點的資源可用性、Pod規范是否具有親和力標簽、要求在特定節點上進行調度、節點是否具有某些污點／容差。kuhe - scheduler調度程序會量化地綜合考慮上述因素，執行對Pod的調度。

kuhelec組件是在集群的每個工作程序節點上運行的代理。以本系統為例，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與存儲在etcd中的期望狀態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組件是在每個節點上運行的網絡代理，負責轉發請求。該代理比較靈活，可以處理簡單或循環的TCP．UDP或SCTP轉發。每個節點通過kube -proxy與Kubernetes服務進行交互。

2.2 系統設計

系統模塊如圖2所示。該系統主要分為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上是Kubernetes中的REST對象，可以通過Kubernetesapiserver創建。不同服務之間通過TCP/IP協議通信與數據傳輸。PhpMyAdmin模塊主要用來創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，同時創建一個入口資源，將其指向PhpMyAdmin容器的服務資源。

2.3 系統開發工具

系統逐漸構建并實現的過程中，使用了很多不同的工具，這些工具縮短了配置環境的時間，同時也為后續部署集群和創建節點提供了支持。系統使用的開發環境為MacOS，開發工具為DockerDesktop，Kuherneces和ZSHshell等。

3系統實現

系統需要構建一個Kuhernetes集群，集群中擁有一個Masler集群控制節點，并在集群中創建一個擁有兩個Pocl的Node節點，其中第一個Pod包含一個MySQL容器，并通過Persistent Volume Claim持久化數據庫的存儲，第二個Pod里面創建PhpMyAdmain容器，并通過設置環境變量來連接MySQL，這樣就實現了運行在云中的MySQL服務系統。本系統的核心功能包含：MySQL的持久卷聲明、MySQLPod創建和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創建和PVC的使用

為了創建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、數據庫密碼等變量，然后將剛剛聲明好的PVC掛載到這個Pod上實現持久化存儲。當退出數據庫再次進入時，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據庫，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是有狀態的，那么它將始終需要關聯一個持久卷，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

為了驗證系統的正確性，本節構建了一個Kuherneles集群。集群中擁有一個Masler集群控制節點，并通過在集群中創建一個擁有兩個Pod的Node節點，實現了運行在云中的MySQL服務系統。在第一個Pod中，筆者通過docker拉取的鏡像創建了第一個MySQL容器，并通過Persislent Volume Claim持久化數據庫的存儲，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，并設置環境變量以連接集群中的數據庫，實現了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，首先創建一個名字為World的數據庫，然后每組測試代碼分別創建一個table，并向其中插入記錄。筆者對系統進行了5次功能測試。

（1）創建名字為World的數據庫，退出數據庫后再次進入，檢查存儲是否持久。

（2）使用SQL語言創建名字為city的表格，并向其中插入25條城市記錄，退出數據庫后再次進入，檢查存儲是否持久。

（3）創建名字為Countrv的表格，并向其中插入25條記錄，退出數據庫后再次進入，檢查存儲是否持久。

（4）創建名字為Country Language的表格，并向其中插入25條記錄，退出數據庫后再次進入，檢查存儲是否持久化。

（5）執行選擇SELECT語句，查看數據庫是否可以正常篩選。

測試結果表明，本文提出設計與實現的系統能夠正確地完成預期的功能。

5 結語

本文提出一種基于Kubernetes的云上MySQL數據庫系統的實現方法，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。該系統展示出較好的并發數據查詢、插入和自動橫向擴展性能。實驗表明該系統具備較好的實用性，各項性能指標符合預期。本文同時也展示了該系統的設計思想以及關鍵組件的實現方式與方法，以期為設計實現基于Kubernetes的其他服務軟件系統提供借鑒。

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實時大數據處理技術在線開放課程建設與實踐[J]．現代信息科技，2021（12）：195-198．

（編輯王雪芬）