Como usar um storage persistente no Kubernetes em produção

Índice:

• Como usar armazenamento persistente no Kubernetes?
• A diferença entre provisionamento estático e dinâmico
• O papel fundamental da StorageClass
• Drivers CSI e a conexão com o storage externo
• Tipos de acesso: ReadWriteOnce, ReadOnlyMany e ReadWriteMany
• Escolhendo o backend certo para sua aplicação
• Desafios com desempenho em produção
• Estratégias para backup e recuperação
• Por que um storage NAS centraliza a gestão?

Os contêineres transformaram o desenvolvimento e a implantação de software, mas sua natureza efêmera levanta uma questão importante. Aplicações como bancos de dados ou sistemas de arquivos precisam que seus dados sobrevivam a reinicializações e falhas nos pods.

Sem uma estratégia para armazenamento persistente, qualquer falha em um pod resulta na perda completa dos dados. Esse risco é simplesmente inaceitável para quase todas as cargas de trabalho em produção.

Assim, o Kubernetes apresenta um modelo consistente com volumes persistentes para endereçar essa necessidade. A arquitetura separa a gestão do armazenamento da lógica inerente aos pods.

Como usar armazenamento persistente no Kubernetes?

O uso de armazenamento persistente no Kubernetes envolve a criação de um PersistentVolume (PV) que representa uma peça de storage na rede e um PersistentVolumeClaim (PVC) que é uma solicitação por armazenamento feita por um pod. Essa abstração desvincula o pod do storage físico.

O PersistentVolume é um recurso no cluster que captura os detalhes da implementação do armazenamento. Ele pode ser um diretório NFS, um LUN iSCSI ou um volume em um provedor de nuvem. Já o PersistentVolumeClaim é um pedido por armazenamento feito por um usuário. Ele consome os recursos de um PV.

Para aplicações que exigem identidade de rede estável e armazenamento persistente, o Kubernetes também oferece os StatefulSets. Eles garantem que cada réplica de um pod sempre se conecte ao mesmo volume de armazenamento, mesmo após reinicializações.

A diferença entre provisionamento estático e dinâmico

No provisionamento estático, um administrador de sistemas cria manualmente vários PersistentVolumes. Eles ficam disponíveis no cluster e aguardam uma solicitação com características compatíveis para serem vinculados.

Esse método oferece bastante controle, porém carece de agilidade em ambientes dinâmicos. Cada nova necessidade por armazenamento exige uma intervenção manual, o que frequentemente atrasa o ciclo de desenvolvimento.

Por outro lado, o provisionamento dinâmico utiliza uma StorageClass para criar PVs sob demanda. Quando um PVC é criado, a StorageClass aciona um provisionador específico que aloca o storage automaticamente, sem qualquer interação humana.

O papel fundamental da StorageClass

Uma StorageClass define diferentes "classes" ou "perfis" de armazenamento disponíveis no cluster. Por exemplo, uma empresa pode configurar uma classe "premium" com SSDs para bancos de dados e outra "padrão" com HDDs para arquivamento.

Essa configuração aponta para um provisionador, como um driver CSI para um storage NAS ou para um serviço de nuvem. Isso automatiza todo o ciclo de vida do volume, desde a criação até a exclusão.

Com essa abordagem, os desenvolvedores apenas solicitam a classe que precisam em seus manifestos, sem conhecer os detalhes da infraestrutura. A automação simplifica muito o processo para equipes com muitos projetos simultâneos.

Drivers CSI e a conexão com o storage externo

O Container Storage Interface (CSI) é um padrão para expor sistemas de armazenamento a cargas de trabalho em contêineres. Quase todos os fabricantes de storage modernos oferecem um driver CSI para seus produtos.

Esse driver atua como uma ponte entre o Kubernetes e o seu sistema de armazenamento, seja um storage NAS, uma SAN ou um bucket na nuvem. Ele executa as operações de anexar, desanexar e montar volumes nos nós do cluster.

Por exemplo, um driver CSI para um NAS QNAP permite que o Kubernetes crie volumes iSCSI ou compartilhamentos NFS diretamente no equipamento. Isso acontece com total automação e integração com as políticas do cluster.

Tipos de acesso: ReadWriteOnce, ReadOnlyMany e ReadWriteMany

O Kubernetes controla como os volumes são montados através dos Access Modes. O modo ReadWriteOnce (RWO) permite que um volume seja montado com permissão de escrita por um único nó do cluster por vez. É o modo mais comum e suportado por todos os tipos de volume.

Já o ReadOnlyMany (ROX) autoriza a montagem em modo somente leitura por vários nós simultaneamente. Esse modo é muito útil para compartilhar arquivos de configuração ou dados imutáveis entre múltiplas instâncias de uma aplicação.

O modo ReadWriteMany (RWX) é o mais flexível, pois habilita a montagem com escrita por múltiplos nós ao mesmo tempo. No entanto, ele exige um sistema de arquivos compartilhado, como NFS ou um storage distribuído como CephFS, para funcionar corretamente.

Escolhendo o backend certo para sua aplicação

A escolha do backend de armazenamento depende bastante da carga de trabalho. Para bancos de dados que exigem baixa latência e consistência, um block storage via iSCSI (RWO) é frequentemente a melhor opção.

Para aplicações web que precisam compartilhar arquivos entre vários pods, como uploads de usuários ou assets, um file storage com NFS (RWX) simplifica bastante a arquitetura. Ele evita a necessidade de sincronizar dados entre os contêineres.

Soluções de object storage, acessadas via protocolo S3, também são uma alternativa valiosa. Elas servem para armazenar backups, logs e grandes volumes de dados não estruturados, embora sua integração com os pods seja diferente dos volumes tradicionais.

Desafios com desempenho em produção

O desempenho do armazenamento é um gargalo comum em ambientes Kubernetes. A latência na rede entre os nós do cluster e o storage impacta diretamente a performance das aplicações mais sensíveis.

Um storage NAS all-flash, por exemplo, oferece IOPS e throughput muito superiores a um sistema baseado em discos rígidos. A escolha da StorageClass correta para cada tipo de aplicação é fundamental para garantir a performance esperada.

Além disso, o monitoramento constante de métricas como IOPS, latência e vazão por volume ajuda a identificar gargalos antes que eles afetem os usuários finais. Várias ferramentas de observabilidade se integram ao Kubernetes para essa finalidade.

Estratégias para backup e recuperação

A persistência de dados não elimina a necessidade de uma política de backup. Falhas de hardware no storage, corrupção de dados por software ou erros humanos ainda podem ocorrer em qualquer ambiente.

Ferramentas como o Velero podem tirar snapshots consistentes dos PersistentVolumes e também da configuração dos aplicativos no cluster. Esses backups podem ser armazenados em um local externo, como um object storage ou outro NAS.

Muitos storages NAS também executam seus próprios snapshots em nível de hardware. Essa camada adicional de proteção agiliza muito a recuperação após um incidente, pois restaura um volume inteiro em poucos minutos, com impacto mínimo para o negócio.

Por que um storage NAS centraliza a gestão?

Usar um storage NAS como backend para Kubernetes centraliza a gestão dos dados da empresa. Em vez de volumes espalhados por vários sistemas ou provedores, tudo fica consolidado em um único equipamento com gerenciamento unificado.

Essa centralização simplifica o monitoramento, a aplicação de políticas de segurança e as rotinas de backup. O administrador gerencia um único sistema com ferramentas consolidadas para provisionamento e proteção dos dados.

Um equipamento como um QNAP, por exemplo, oferece drivers CSI, suporte nativo a iSCSI e NFS, além de recursos para snapshot e replicação. Portanto, ele se integra perfeitamente ao ecossistema Kubernetes e aumenta a resiliência de todo o ambiente de produção.