數據庫對業務至關重要，無論是數據丟失還是泄露，都會為企業帶來嚴重的風險。操作錯誤或體系結構故障都可能導致重大事件和資源的損失，這就需要故障轉移系統/過程來減少數據丟失的可能。在將數據庫體系結構遷移到Kubernetes之前，必須完成在容器體系結構以及裸機上運行數據庫集群的成本效益分析對比，這包括評估恢復時間目標（Recovery Time Objective，RTO）以及恢復數據目標（Recovery Point Objective，RPO）的災難恢復要求。

在下文的步驟中，我們將分析在Rancher高可用和Kubernetes中可供使用的各種選項，給大家設計產品質量數據庫提供參考。

部署在類似Kubernetes的集群中的容器自然是無狀態而且短暫的，這意味著它們不會保持固定的身份，並且當發生錯誤或重新啟動時會發生數據丟失和遺忘。在設計分布式數據庫環境時，需要提供高可用性以及容錯，這對Kubernetes的無狀態體系結構提出了挑戰，因為無論是復制還是擴展都需要維護下面的狀態：

（1）存儲；（2）身份；（3）會話；（4）集群角色。

考慮到我們的容器化應用程序，我們馬上就可以看出無狀態架構面臨的挑戰，我們的應用程序需要滿足一系列的要求：

1. 我們的數據庫需要將數據（Data）和事務（Transactions）存儲在文件中，這些文件對每個數據庫容器來說都是持久且獨有的；

2. 數據庫應用程序中的每個容器都需要維護一個固定的身份作為數據庫節點，以便我們可以通過名稱、地址或者索引將流量路由給它；

3. 需要數據庫客戶端會話來維護狀態，為保證一致性，需確保在狀態更改之前，讀寫事務已經終止，而且出現持久性故障時狀態轉換不受影響。

4. 個數據庫節點都需要在其數據庫集群中有持久化的角色，比如主機、副本或者分片，除非它們被特定的應用程序的事件更改，或者由於模式更改了而必須更改。

針對這些挑戰，目前的解決方案可能是將PersistentVolume附加到我們Kubernetes pods上，它的生命周期獨立於使用它的任何一個pod。但是，PersistentVolume不會向集群節點（即父節點、子節點或種子節點）提供一致的角色分配。集群不能保證在整個應用程序的生命周期中維護數據庫狀態，說的具體一點就是，新的容器會由非確定的隨機名稱創建，並且pods可以設置在任何時間按照任何的順序啟動、終止或者縮放。所以我們的挑戰依然存在。

有這麽多在Kubernetes集群中部署分布式數據庫的挑戰，我們是否還值得付出努力呢？Kubernetes開辟了許多優勢和可能性，包括管理大量的數據庫服務以及常見的自動化操作，從可恢復性、可靠性和可擴展性來支持其生命周期健康。即使在虛擬化環境中，部署數據庫集群的所需的時間和成本也遠低於部署裸機集群。

Stateful Sets提供了前一節中所述挑戰的前進方向。在1.5版本引入了Stateful Sets之後，Kubernetes現在為存儲和身份實現了有狀態質量，保證了下面的內容：

1. 每個pod都附有一個持久卷，從pod鏈接到存儲，這解決了A中的存儲狀態問題；

2. 每個pod都以相同的順序開始並以相反的順序終止，這解決了A的會話狀態問題；

3. 每個pod都有一個唯一且可確定的名稱、地址和序號索引，用於解決A中的身份和集群角色問題。

註意：這部分我們會使用到kubectl服務。關於如何使用Rancher來部署kubectl服務可以參考這裏：

https://rancher.com/docs/rancher/v2.x/en/k8s-in-rancher/kubectl/。

Stateful Set Pods需要headless服務來管理Pods的網絡身份。實際上，headless服務具有未定義的集群IP地址，這意味著在服務上沒有定義集群IP。相反的，該服務定義具有選擇器，當服務被訪問的時候，DNS被配置成返回多個地址記錄或者地址。此時，服務fqdn將使用相同的選擇器映射到服務後面的所有pod IP的所有IP。

現在我們按照這個模板來為Cassandra創建一個Headless服務：

使用get svc命令列出cassandra服務的屬性：

用describe svc可以將cassandra服務的屬性按照verbose格式輸出：

在Rancher中，通過本機的Kubernetes API資源、PersistentVolume和PersistentVolumeClaim，我們可以使用各種選項來管理持久存儲。Kubernetes中的存儲類別告訴了我們哪些存儲類別是我們的集群所支持的。我們可以為持久存儲設置動態配置來自動創建卷，並將其附加到pod。例如，下面的存儲類將AWS作為它的存儲提供者，使用類型是gp2，可用區是us-west-2a。

如果需要，還可以創建一個新的存儲類，例如:

在創建有狀態集時，將根據它的存儲類為有狀態集pod啟動PersistentVolumeClaim。使用動態供應，可以根據PersistentVolumeClaim中請求的存儲類為pod動態供應PersistentVolume。

您可也以通過靜態供應手動創建持久卷。可以在這裏閱讀關於靜態供應的更多信息：

https://rancher.com/docs/rancher/v2.x/en/k8s-in-rancher/volumes-and-storage/。

註意：對於靜態供應，要求它具有與Cassandra服務器中的Cassandra節點數量相同的持久卷數量。

現在我們可以創建有狀態集，它將提供我們想要的屬性：有序的部署和終止、唯一的網絡名稱和有狀態的處理。我們調用下面命令，啟動一個Cassandra服務器：

接著，我們調用下面命令驗證是否在Cassandra服務器中部署了有狀態集：

在創建了有狀態集之後，DESIRED和CURRENT應該是相等的，調用get pods命令來查看經有狀態集創建的pods的順序列表。

在節點創建期間，你可以執行nodetool state來查看Cassandra節點是否啟動。

將F步驟中的設置復制x次，調用縮放命令就可以增加或者減少有狀態集的大小。在下面的示例中，我們按照x=3進行操作。

調用get statefulsets可以驗證是否有狀態集已經部署到了Cassandra服務器上。

再次調用get pods來查看有狀態集創建的pods順序。需要註意的是，在部署Cassandra pods時，它們是按照順序創建的。

我們可以在5分鐘後執行nodetool 狀態檢查，驗證Cassandra節點是否已經加入並且形成了一個Cassandra集群。

一旦nodetool中節點的狀態變更為Up/Normal，我們就可以通過調用CQL來執行大量的數據庫操作。

當我們看到狀態是U/N，我們就可以調用cqlsh來訪問Cassandra容器。

在前面的練習中，我們在K8s集群中部署了一個Cassandra服務，並通過PersistentVolume提供持久存儲。然後，我們使用有狀態集為Cassandra集群提供有狀態處理的屬性，並將集群擴展到其他節點。我們現在可以在Cassandra集群中使用CQL模式進行數據庫訪問和操作。CQL模式的優點是，我們可以輕松地使用自然類型和流暢的api實現無縫數據建模，特別是在設計擴展和時間序列數據模型（如欺詐檢測）的解決方案中。此外，CQL利用分區和集群keys來提高數據建模場景中的操作速度。

在本系列文章的下一篇中，我們將探索如何在“數據庫即微服務”或無狀態數據庫中使用Cassandra作為持久層，利用Cassandra獨特的體系結構屬性並使用Rancher工具集作為起點。然後，我們將分析cassandra驅動的無狀態數據庫應用程序的操作性能和延遲，並評估其在設計中，邊緣和雲之間具有低延遲的高可用性服務的使用價值。

通過結合Cassandra和微服務架構，我們可以探索有狀態集數據庫的替代方案，改善內存SQL數據庫（如SAP HANA）容易出現/ifor read/write事務的延遲的問題，以及HTAP工作負載和NoSQL數據庫在執行需要多個表查詢或復雜過濾器的高級分析時速度較慢的問題。同時，無狀態體系結構可以改善數據庫因為內存異常而出現的問題。這些問題都可歸因於SQL數據庫中內存索引和多模型NoSQL數據庫中的高內存使用。有了這兩個方面的改進，將可以給大規模查詢和時間序列建模提供更好的操作性能。