Модуль 4.3: StorageClasses та динамічне надання

Складність: [MEDIUM] — Автоматизація надання сховища

Час на виконання: 35–45 хвилин

Передумови: Модуль 4.2 (PV та PVC), Модуль 1.2 (CSI)

---

Що ви зможете робити

Після цього модуля ви зможете:

• Створити StorageClasses для динамічного виділення з хмарними та локальними провізіонерами
• Налаштувати режими прив’язки (Immediate vs WaitForFirstConsumer) і пояснити, коли кожен доречний
• Імплементувати розширення томів на існуючих PVC та пояснити вимоги
• Дебажити збої динамічного виділення, перевіряючи StorageClass, поди провізіонера та події

---

Чому цей модуль важливий

У Модулі 4.2 ви вручну створювали PersistentVolumes перед створенням PersistentVolumeClaims. Це не масштабується — уявіть адміністратора, який створює сотні PV для кожного запиту на сховище! StorageClasses забезпечують динамічне надання: створіть PVC, і Kubernetes автоматично надає базове сховище. На іспиті CKA перевіряють як розуміння StorageClasses, так і налаштування динамічного надання.

Аналогія з торговим автоматом

Уявіть статичне надання як замовлення меблів на замовлення — хтось повинен їх виготовити, перш ніж ви зможете ними скористатися. Динамічне надання — це як торговий автомат: ви обираєте, що хочете (StorageClass), вставляєте запит (PVC), і отримуєте сховище (PV). StorageClass — це торговий автомат — він знає, як виробляти різні типи сховища на вимогу.

---

Що ви дізнаєтесь

Після завершення цього модуля ви зможете:

• Розуміти, як StorageClasses забезпечують динамічне надання
• Створювати та налаштовувати StorageClasses
• Встановлювати StorageClass за замовчуванням для кластера
• Використовувати параметри для налаштування наданого сховища
• Розуміти режими прив’язки томів
• Усувати проблеми динамічного надання

---

Чи знали ви?

• Хмарні кластери мають значення за замовчуванням: GKE, EKS та AKS постачаються з попередньо налаштованими StorageClasses за замовчуванням, які надають хмарне сховище
• kind/minikube теж мають provisioners: Навіть локальні кластери включають динамічні provisioners (rancher.io/local-path для kind, k8s.io/minikube-hostpath для minikube)
• StorageClasses є незмінними: Після створення ви не можете змінити StorageClass — потрібно видалити та створити заново

---

Частина 1: Розуміння StorageClasses

1.1 Статичне vs динамічне надання

┌──────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│               Статичне vs динамічне надання                           │
│                                                                       │
│   СТАТИЧНЕ (Ручне)                    ДИНАМІЧНЕ (Автоматичне)        │
│   ───────────────                     ────────────────────            │
│                                                                       │
│   1. Адмін створює PV                 1. Адмін створює StorageClass   │
│      │                                   │                            │
│      ▼                                   ▼                            │
│   2. Розробник створює PVC            2. Розробник створює PVC        │
│      │                                   │                            │
│      ▼                                   ▼                            │
│   3. Kubernetes прив'язує             3. Provisioner створює PV       │
│      PVC до існуючого PV                 │                            │
│                                          ▼                            │
│                                       4. Kubernetes прив'язує PVC    │
│                                          до нового PV                │
│                                                                       │
│   Плюс: Повний контроль              Плюс: Самообслуговування,      │
│   Мінус: Адмін — вузьке місце              масштабованість           │
│                                       Мінус: Менше контролю на том   │
└──────────────────────────────────────────────────────────────────────┘

1.2 Компоненти StorageClass

apiVersion: storage.k8s.io/v1
kind: StorageClass
metadata:
  name: fast-ssd
  annotations:
    storageclass.kubernetes.io/is-default-class: "true"  # Опціонально
provisioner: kubernetes.io/aws-ebs    # Хто створює сховище
parameters:                            # Налаштування, специфічні для provisioner
  type: gp3
  iopsPerGB: "10"
reclaimPolicy: Delete                  # Що відбувається при видаленні PVC
volumeBindingMode: WaitForFirstConsumer  # Коли надавати
allowVolumeExpansion: true             # Чи можна змінити розмір пізніше?
mountOptions:                          # Параметри монтування для томів
  - debug

1.3 Поширені Provisioners

Provisioner	Хмара/Платформа	Тип сховища
kubernetes.io/aws-ebs	AWS	Томи EBS
kubernetes.io/gce-pd	GCP	Persistent Disk
kubernetes.io/azure-disk	Azure	Managed Disk
kubernetes.io/azure-file	Azure	Azure Files
ebs.csi.aws.com	AWS (CSI)	EBS через CSI
pd.csi.storage.gke.io	GCP (CSI)	PD через CSI
rancher.io/local-path	kind	Локальний шлях
k8s.io/minikube-hostpath	minikube	Шлях хоста

---

Частина 2: Створення StorageClasses

2.1 Базовий StorageClass

apiVersion: storage.k8s.io/v1
kind: StorageClass
metadata:
  name: standard
provisioner: kubernetes.io/aws-ebs
parameters:
  type: gp2
reclaimPolicy: Delete
volumeBindingMode: WaitForFirstConsumer

2.2 AWS EBS StorageClass

apiVersion: storage.k8s.io/v1
kind: StorageClass
metadata:
  name: fast-ebs
provisioner: ebs.csi.aws.com
parameters:
  type: gp3
  iopsPerGB: "50"
  throughput: "125"
  encrypted: "true"
  kmsKeyId: "arn:aws:kms:us-east-1:123456789:key/abc-123"
reclaimPolicy: Retain
volumeBindingMode: WaitForFirstConsumer
allowVolumeExpansion: true

2.3 GCP Persistent Disk StorageClass

apiVersion: storage.k8s.io/v1
kind: StorageClass
metadata:
  name: fast-ssd
provisioner: pd.csi.storage.gke.io
parameters:
  type: pd-ssd
  replication-type: regional-pd    # Для HA
reclaimPolicy: Delete
volumeBindingMode: WaitForFirstConsumer
allowVolumeExpansion: true

2.4 Azure Disk StorageClass

apiVersion: storage.k8s.io/v1
kind: StorageClass
metadata:
  name: managed-premium
provisioner: disk.csi.azure.com
parameters:
  storageaccounttype: Premium_LRS
  kind: Managed
reclaimPolicy: Delete
volumeBindingMode: WaitForFirstConsumer
allowVolumeExpansion: true

2.5 Локальна розробка (kind/minikube)

kind (використовує local-path-provisioner):

apiVersion: storage.k8s.io/v1
kind: StorageClass
metadata:
  name: local-path
provisioner: rancher.io/local-path
reclaimPolicy: Delete
volumeBindingMode: WaitForFirstConsumer

minikube:

apiVersion: storage.k8s.io/v1
kind: StorageClass
metadata:
  name: standard
provisioner: k8s.io/minikube-hostpath
reclaimPolicy: Delete
volumeBindingMode: Immediate

---

Частина 3: StorageClass за замовчуванням

3.1 Встановлення за замовчуванням

Лише один StorageClass повинен бути за замовчуванням. Позначте його анотацією:

apiVersion: storage.k8s.io/v1
kind: StorageClass
metadata:
  name: standard
  annotations:
    storageclass.kubernetes.io/is-default-class: "true"  # Магічна анотація
provisioner: kubernetes.io/aws-ebs
parameters:
  type: gp3

Або змініть існуючий патчем:

k patch storageclass standard -p '{"metadata": {"annotations": {"storageclass.kubernetes.io/is-default-class": "true"}}}'

3.2 Перевірка StorageClass за замовчуванням

k get sc
# NAME                 PROVISIONER             RECLAIMPOLICY   VOLUMEBINDINGMODE
# standard (default)   kubernetes.io/aws-ebs   Delete          WaitForFirstConsumer
# fast-ssd             kubernetes.io/aws-ebs   Delete          Immediate

3.3 PVC без StorageClass

Коли PVC не вказує storageClassName:

apiVersion: v1
kind: PersistentVolumeClaim
metadata:
  name: my-claim
spec:
  accessModes:
    - ReadWriteOnce
  resources:
    requests:
      storage: 10Gi
  # storageClassName не вказано — використовується за замовчуванням!

Поведінка:

• Якщо StorageClass за замовчуванням існує — використовується він, запускається динамічне надання
• Якщо за замовчуванням немає — PVC залишається Pending, поки не з’явиться відповідний PV

3.4 Відмова від динамічного надання

Щоб явно уникнути динамічного надання:

apiVersion: v1
kind: PersistentVolumeClaim
metadata:
  name: static-only-claim
spec:
  accessModes:
    - ReadWriteOnce
  resources:
    requests:
      storage: 10Gi
  storageClassName: ""    # Порожній рядок = без динамічного надання

---

Частина 4: Режими прив’язки томів

4.1 Immediate vs WaitForFirstConsumer

┌──────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│                    Режими прив'язки томів                              │
│                                                                       │
│   IMMEDIATE                         WAITFORFIRSTCONSUMER              │
│   ─────────                         ────────────────────              │
│                                                                       │
│   PVC створено                      PVC створено                     │
│       │                                 │                             │
│       ▼                                 ▼                             │
│   PV надано                         PVC залишається Pending           │
│   негайно                               │                             │
│       │                                 │                             │
│       │                             Под заплановано                   │
│       │                                 │                             │
│       │                                 ▼                             │
│       │                             PV надано                         │
│       │                             (у тій самій зоні, що й Под)     │
│       │                                 │                             │
│       ▼                                 ▼                             │
│   Под заплановано                   Под може використовувати сховище  │
│   (може зазнати невдачі,                                             │
│    якщо неправильна зона!)                                           │
│                                                                       │
└──────────────────────────────────────────────────────────────────────┘

4.2 Чому WaitForFirstConsumer важливий

Проблема з Immediate:

Вузол: us-east-1a           Вузол: us-east-1b
┌─────────────┐           ┌─────────────┐
│             │           │    Под      │  ← Планувальник розміщує Под тут
│             │           │   (потребує │
│             │           │   сховища)  │
└─────────────┘           └─────────────┘
      ↑
      │
   Том EBS                ✗ Том у неправильній зоні!
   (наданий               ✗ Под не може запуститися!
    негайно в 1a)

Рішення з WaitForFirstConsumer:

Вузол: us-east-1a           Вузол: us-east-1b
┌─────────────┐           ┌─────────────┐
│             │           │    Под      │  ← Планувальник розміщує Под тут
│             │           │   (потребує │
│             │           │   сховища)  │
└─────────────┘           └─────────────┘
                                ↑
                                │
                          Том EBS        ✓ Том у правильній зоні!
                          (наданий       ✓ Под запускається успішно!
                           в 1b ПІСЛЯ
                           планування Пода)

4.3 Коли використовувати кожен режим

Режим	Випадок використання
Immediate	NFS, розподілене сховище, сховище без зон
WaitForFirstConsumer	Зональне сховище (EBS, GCE PD, Azure Disk), локальне сховище

---

Частина 5: Розширення томів

5.1 Увімкнення розширення томів

apiVersion: storage.k8s.io/v1
kind: StorageClass
metadata:
  name: expandable
provisioner: kubernetes.io/aws-ebs
allowVolumeExpansion: true    # Має бути true для зміни розміру PVC
parameters:
  type: gp3

5.2 Розширення PVC

# Оригінальний PVC з 10Gi
k get pvc my-claim
# NAME       STATUS   VOLUME   CAPACITY   ACCESS MODES   STORAGECLASS
# my-claim   Bound    pv-001   10Gi       RWO            expandable

# Змінити для запиту більше місця
k patch pvc my-claim -p '{"spec":{"resources":{"requests":{"storage":"20Gi"}}}}'

# Або відредагувати вручну
k edit pvc my-claim
# Змініть spec.resources.requests.storage на 20Gi

5.3 Процес розширення

┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│                    Процес розширення PVC                              │
│                                                                      │
│   1. Редагування  ──► 2. Контролер змінює       ──► 3. Розширення  │
│      PVC (збільшити    розмір базового сховища       файлової       │
│       розмір)          (напр., том EBS)               системи       │
│                                                      (при монтув.) │
│                                                                      │
│   Статус показує:                                                    │
│   - "Resizing" — зміна розміру бекенду сховища                      │
│   - "FileSystemResizePending" — очікування монтування Подом         │
│                                                                      │
│   ⚠️  Примітка: Розширення потребує перезапуску Пода для деяких     │
│                 provisioners                                         │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────────┘

5.4 Перевірка статусу розширення

k describe pvc my-claim

# Шукайте conditions:
# Conditions:
#   Type                      Status
#   ----                      ------
#   FileSystemResizePending   True     # Очікування розширення файлової системи
#   Resizing                  True     # Зміна розміру бекенду

Важливо: Ви можете лише збільшувати розмір PVC. Зменшення не підтримується!

---

Частина 6: Параметри StorageClass

6.1 Довідник параметрів

Параметри специфічні для provisioner. Поширені приклади:

AWS EBS (CSI):

parameters:
  type: gp3                    # gp2, gp3, io1, io2, st1, sc1
  iopsPerGB: "50"              # Для gp3/io1/io2
  throughput: "250"            # Для gp3 (MiB/s)
  encrypted: "true"
  kmsKeyId: "arn:aws:kms:..."
  fsType: ext4                 # ext4, xfs

GCP PD (CSI):

parameters:
  type: pd-ssd                 # pd-standard, pd-ssd, pd-balanced
  replication-type: none       # none, regional-pd
  disk-encryption-kms-key: "projects/..."
  fsType: ext4

Azure Disk (CSI):

parameters:
  storageaccounttype: Premium_LRS   # Standard_LRS, Premium_LRS, StandardSSD_LRS
  kind: Managed                      # Managed, Dedicated, Shared
  cachingMode: ReadOnly
  fsType: ext4

6.2 Параметри монтування

apiVersion: storage.k8s.io/v1
kind: StorageClass
metadata:
  name: with-mount-options
provisioner: kubernetes.io/aws-ebs
mountOptions:
  - debug
  - noatime
  - nodiratime
parameters:
  type: gp3
  fsType: ext4

---

Типові помилки

Помилка	Проблема	Рішення
Кілька StorageClasses за замовчуванням	Непередбачувана поведінка	Лише один повинен бути за замовчуванням
Неправильний provisioner для платформи	PVC залишається Pending назавжди	Використовуйте правильний provisioner для вашої хмари
Режим Immediate з зональним сховищем	Поди не можуть змонтувати томи	Використовуйте WaitForFirstConsumer
Забули allowVolumeExpansion	Неможливо змінити розмір PVC пізніше	Завжди встановлюйте true, якщо не навмисно
Неправильні параметри для provisioner	Надання не вдається	Перевірте документацію provisioner
Спроба зменшити PVC	Не підтримується	Працює лише розширення

---

Тест

Q1: StorageClass за замовчуванням

Що відбувається, коли ви створюєте PVC без вказівки storageClassName у кластері зі StorageClass за замовчуванням?

Відповідь

PVC автоматично використовує StorageClass за замовчуванням і запускає динамічне надання. Новий PV буде створений автоматично provisioner-ом.

Q2: Відмова від динамічного надання

Як створити PVC, який явно не використовує динамічне надання?

Відповідь

Встановіть storageClassName: "" (порожній рядок) у специфікації PVC. Це запобігає використанню будь-якого StorageClass, включно з тим, що за замовчуванням, і PVC буде прив’язуватися лише до вручну створених PV.

Q3: WaitForFirstConsumer

Чому WaitForFirstConsumer важливий для хмарного сховища, як-от AWS EBS?

Відповідь

Томи EBS є специфічними для зони. З прив’язкою Immediate том може бути наданий в іншій зоні, ніж та, де заплановано Под, що спричинить помилки монтування. WaitForFirstConsumer відкладає надання до після планування Пода, забезпечуючи створення тому в тій самій зоні, що й Под.

Q4: Розширення тому

PVC використовує StorageClass з allowVolumeExpansion: false. Чи можна його розширити?

Відповідь

Ні. Розширення тому повинно бути увімкнене на StorageClass до того, як PVC можна буде розширити. Ви не можете змінити цей параметр після створення PVC (хіба що перестворите StorageClass і PVC).

Q5: Визначення за замовчуванням

Як перевірити, який StorageClass є за замовчуванням?

Відповідь

k get sc

StorageClass за замовчуванням покаже (default) поруч зі своїм ім’ям. Або перевірте анотацію:

k get sc -o jsonpath='{.items[?(@.metadata.annotations.storageclass\.kubernetes\.io/is-default-class=="true")].metadata.name}'

Q6: Різниця політик повернення

Яка практична різниця між reclaimPolicy Delete та Retain у StorageClasses?

Відповідь

• Delete: При видаленні PVC динамічно наданий PV та базове сховище автоматично видаляються. Підходить для dev/test.
• Retain: При видаленні PVC PV стає “Released”, але сховище зберігається. Адміністратор повинен вручну очистити. Підходить для продакшен-даних.

---

Практична вправа: Динамічне надання

Сценарій

Налаштуйте StorageClass та перевірте, що динамічне надання працює правильно.

Передумови

Вам потрібен кластер із працюючим storage provisioner. Kind та minikube мають вбудовані provisioners.

Завдання 1: Перевірити існуючі StorageClasses

# Подивитися, що доступно
k get sc

# Перевірити, чи є за замовчуванням
k get sc -o custom-columns='NAME:.metadata.name,PROVISIONER:.provisioner,DEFAULT:.metadata.annotations.storageclass\.kubernetes\.io/is-default-class'

Завдання 2: Створити StorageClass

cat <<EOF | k apply -f -
apiVersion: storage.k8s.io/v1
kind: StorageClass
metadata:
  name: fast
provisioner: rancher.io/local-path    # Для kind; змініть для вашого кластера
reclaimPolicy: Delete
volumeBindingMode: WaitForFirstConsumer
allowVolumeExpansion: true
EOF

Завдання 3: Створити PVC з використанням StorageClass

cat <<EOF | k apply -f -
apiVersion: v1
kind: PersistentVolumeClaim
metadata:
  name: dynamic-pvc
spec:
  accessModes:
    - ReadWriteOnce
  resources:
    requests:
      storage: 1Gi
  storageClassName: fast
EOF

# Перевірте статус — має бути Pending (очікує споживача)
k get pvc dynamic-pvc

Завдання 4: Створити Под для запуску надання

cat <<EOF | k apply -f -
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: dynamic-pod
spec:
  containers:
  - name: app
    image: busybox:1.36
    command: ['sh', '-c', 'echo "Dynamically provisioned!" > /data/message; sleep 3600']
    volumeMounts:
    - name: storage
      mountPath: /data
  volumes:
  - name: storage
    persistentVolumeClaim:
      claimName: dynamic-pvc
EOF

Завдання 5: Перевірити динамічне надання

# PVC тепер має бути Bound
k get pvc dynamic-pvc
# STATUS: Bound

# PV було створено автоматично
k get pv
# Має показати динамічно названий PV, як-от pvc-xxxxx

# Перевірити деталі PV
k get pv -o jsonpath='{.items[0].spec.storageClassName}'
# Має показати: fast

# Перевірити, що Под працює
k exec dynamic-pod -- cat /data/message

Завдання 6: Перевірити StorageClass за замовчуванням (опціонально)

# Зробити наш StorageClass за замовчуванням
k patch sc fast -p '{"metadata": {"annotations": {"storageclass.kubernetes.io/is-default-class": "true"}}}'

# Створити PVC без storageClassName
cat <<EOF | k apply -f -
apiVersion: v1
kind: PersistentVolumeClaim
metadata:
  name: default-pvc
spec:
  accessModes:
    - ReadWriteOnce
  resources:
    requests:
      storage: 500Mi
  # storageClassName не вказано — використовується за замовчуванням!
EOF

# Перевірити, що використовується клас за замовчуванням
k get pvc default-pvc -o jsonpath='{.spec.storageClassName}'
# Має показати: fast

Критерії успіху

• StorageClass створено успішно
• PVC залишається Pending до створення Пода (WaitForFirstConsumer)
• PV автоматично створюється при плануванні Пода
• Под може записувати дані на динамічно надане сховище
• Розуміння зв’язку між SC → PVC → PV

Очищення

k delete pod dynamic-pod
k delete pvc dynamic-pvc default-pvc
k delete sc fast

---

Практичні вправи

Вправа 1: Список StorageClasses (1 хв)

# Завдання: Вивести всі StorageClasses та визначити за замовчуванням
k get sc

Вправа 2: Створити базовий StorageClass (2 хв)

# Завдання: Створити StorageClass "slow" з provisioner rancher.io/local-path
# reclaimPolicy: Retain

Вправа 3: Встановити StorageClass за замовчуванням (1 хв)

# Завдання: Зробити StorageClass "standard" за замовчуванням
# Використовуйте анотацію: storageclass.kubernetes.io/is-default-class: "true"

Вправа 4: PVC з конкретним StorageClass (2 хв)

# Завдання: Створити PVC "data-pvc", що запитує 5Gi з StorageClass "fast"

Вправа 5: PVC без динамічного надання (2 хв)

# Завдання: Створити PVC, який не використовуватиме жоден StorageClass
# Підказка: storageClassName: ""

Вправа 6: Перевірити, чому PVC у стані Pending (2 хв)

# Завдання: Діагностувати, чому PVC застряг у стані Pending
k describe pvc <name>
# Перевірте секцію Events на наявність помилок

Вправа 7: Увімкнути розширення тому (2 хв)

# Завдання: Створити StorageClass з увімкненим розширенням тому
# Ключове поле: allowVolumeExpansion: true

Вправа 8: Перевірити режим прив’язки (1 хв)

# Завдання: Перевірити volumeBindingMode StorageClass "standard"
k get sc standard -o jsonpath='{.volumeBindingMode}'

---

Наступний модуль

Переходьте до Модуль 4.4: Знімки томів та клонування, щоб дізнатися про функції резервного копіювання та захисту даних.