Модуль 4.4: Знімки томів та клонування

Складність: [MEDIUM] — Захист даних та клонування

Час на виконання: 30–40 хвилин

Передумови: Модуль 4.2 (PV та PVC), Модуль 4.3 (StorageClasses)

---

Що ви зможете робити

Після цього модуля ви зможете:

• Створити VolumeSnapshots та відновити PVC зі знімків для резервного копіювання та відновлення
• Налаштувати VolumeSnapshotClasses та пояснити, як вони пов’язані зі StorageClasses
• Імплементувати стратегію резервного копіювання на основі знімків для stateful-навантажень
• Дебажити збої знімків, перевіряючи логи snapshot controller та можливості CSI-драйвера

---

Чому цей модуль важливий

Знімки томів надають копії ваших постійних даних на певний момент часу — це важливо для резервного копіювання, аварійного відновлення та створення тестових середовищ. Клонування томів дозволяє створювати нові томи з існуючих. На іспиті CKA можуть перевіряти ваше розуміння цих примітивів захисту даних, особливо оскільки вони стають все поширенішими у продакшен-середовищах Kubernetes.

Аналогія з фотоапаратом

Уявіть VolumeSnapshot як фотографію ваших даних у конкретний момент. Фото фіксує саме те, як виглядав ваш диск у цю мить. Пізніше ви можете використати це фото для відновлення диска до точного стану або створити новий диск, який починається як копія того моменту. VolumeSnapshotClass — це як налаштування фотоапарата — він визначає, як знімок створюється та зберігається.

---

Що ви дізнаєтесь

Після завершення цього модуля ви зможете:

• Розуміти архітектуру знімків (VolumeSnapshotClass, VolumeSnapshot, VolumeSnapshotContent)
• Створювати VolumeSnapshots з існуючих PVC
• Відновлювати томи зі знімків
• Клонувати томи за допомогою dataSource
• Розуміти вимоги CSI для знімків

---

Чи знали ви?

• Знімки є інкрементальними: Більшість бекендів сховища зберігають знімки як різницю від оригіналу, заощаджуючи місце
• CSI є обов’язковим: Застарілі вбудовані (in-tree) плагіни томів не підтримують знімки — вам потрібні CSI-драйвери
• Copy-on-write: Багато систем зберігання використовують CoW для знімків, що робить їх створення майже миттєвим
• Відновлення між namespace: VolumeSnapshotContent має область видимості кластера, що дозволяє реалізувати сценарії аварійного відновлення

---

Частина 1: Архітектура знімків

1.1 Три ресурси знімків

┌──────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│                    Архітектура знімків                                │
│                                                                       │
│   Подібно до моделі PV/PVC:                                          │
│                                                                       │
│   VolumeSnapshotClass         VolumeSnapshot        VolumeSnapshot   │
│   (область кластера)          (у namespace)         Content          │
│   ┌─────────────────┐         ┌─────────────┐      (область кластера)│
│   │ Визначає ЯК     │         │ Запит на    │      ┌─────────────┐  │
│   │ створюються     │         │ знімок      │      │ Фактичне    │  │
│   │ знімки          │◄────────│ конкретного │─────►│ посилання   │  │
│   │                 │         │ PVC         │      │ на знімок   │  │
│   │ - driver        │         │ - source    │      │             │  │
│   │ - deletionPolicy│         │ - class     │      │ - driver    │  │
│   └─────────────────┘         └─────────────┘      │ - handle    │  │
│                                                     └─────────────┘  │
│                                                                       │
│   Адмін створює               Розробник створює    Створюється       │
│   (раз на кластер)            (за потреби)         автоматично       │
│                                                    (контролером)     │
└──────────────────────────────────────────────────────────────────────┘

1.2 Як це відповідає PV/PVC

Зберігання	Знімки
StorageClass	VolumeSnapshotClass
PersistentVolume	VolumeSnapshotContent
PersistentVolumeClaim	VolumeSnapshot

1.3 Передумови

Перед використанням знімків вам потрібно:

1. CSI-драйвер, що підтримує знімки (не всі підтримують)
2. Контролер знімків, розгорнутий у кластері
3. CRD для знімків встановлені
4. VolumeSnapshotClass створений

# Перевірити, чи встановлені CRD для знімків
k get crd | grep snapshot
# volumesnapshotclasses.snapshot.storage.k8s.io
# volumesnapshotcontents.snapshot.storage.k8s.io
# volumesnapshots.snapshot.storage.k8s.io

# Перевірити наявність контролера знімків
k get pods -n kube-system | grep snapshot

---

Частина 2: VolumeSnapshotClass

2.1 Створення VolumeSnapshotClass

apiVersion: snapshot.storage.k8s.io/v1
kind: VolumeSnapshotClass
metadata:
  name: csi-snapclass
  annotations:
    snapshot.storage.kubernetes.io/is-default-class: "true"  # Опціонально
driver: ebs.csi.aws.com                    # Має збігатися з CSI-драйвером
deletionPolicy: Delete                      # Delete або Retain
parameters:                                 # Параметри, специфічні для драйвера
  # Приклад для деяких драйверів:
  # csi.storage.k8s.io/snapshotter-secret-name: snap-secret
  # csi.storage.k8s.io/snapshotter-secret-namespace: default

2.2 Політики видалення

Політика	Поведінка
Delete	VolumeSnapshotContent та базовий знімок видаляються при видаленні VolumeSnapshot
Retain	VolumeSnapshotContent та знімок зберігаються після видалення VolumeSnapshot

2.3 Приклади для хмарних провайдерів

AWS EBS CSI:

apiVersion: snapshot.storage.k8s.io/v1
kind: VolumeSnapshotClass
metadata:
  name: ebs-snapclass
driver: ebs.csi.aws.com
deletionPolicy: Delete

GCP PD CSI:

apiVersion: snapshot.storage.k8s.io/v1
kind: VolumeSnapshotClass
metadata:
  name: gcp-snapclass
driver: pd.csi.storage.gke.io
deletionPolicy: Delete
parameters:
  storage-locations: us-central1

Azure Disk CSI:

apiVersion: snapshot.storage.k8s.io/v1
kind: VolumeSnapshotClass
metadata:
  name: azure-snapclass
driver: disk.csi.azure.com
deletionPolicy: Delete
parameters:
  incremental: "true"

---

Частина 3: Створення знімків

3.1 Створення VolumeSnapshot

apiVersion: snapshot.storage.k8s.io/v1
kind: VolumeSnapshot
metadata:
  name: data-snapshot
  namespace: production
spec:
  volumeSnapshotClassName: csi-snapclass   # Посилання на клас
  source:
    persistentVolumeClaimName: data-pvc    # PVC для знімка

3.2 Процес створення знімка

┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│                      Процес створення знімка                         │
│                                                                      │
│   1. Створити VolumeSnapshot                                        │
│          │                                                          │
│          ▼                                                          │
│   2. Контролер знімків перевіряє                                    │
│      - PVC існує                                                    │
│      - VolumeSnapshotClass існує                                    │
│      - CSI-драйвер підтримує знімки                                │
│          │                                                          │
│          ▼                                                          │
│   3. CSI-драйвер створює знімок на бекенді сховища                 │
│          │                                                          │
│          ▼                                                          │
│   4. VolumeSnapshotContent створено (автоматично)                   │
│          │                                                          │
│          ▼                                                          │
│   5. Статус VolumeSnapshot: readyToUse=true                        │
│                                                                      │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────────┘

3.3 Перевірка статусу знімка

# Список знімків
k get volumesnapshot -n production
# NAME            READYTOUSE   SOURCEPVC   SOURCESNAPSHOTCONTENT   RESTORESIZE   SNAPSHOTCLASS
# data-snapshot   true         data-pvc                           10Gi          csi-snapclass

# Детальний статус
k describe volumesnapshot data-snapshot -n production

# Перевірити VolumeSnapshotContent
k get volumesnapshotcontent

3.4 Поля статусу знімка

status:
  boundVolumeSnapshotContentName: snapcontent-xxxxx
  creationTime: "2024-01-15T10:30:00Z"
  readyToUse: true                        # Знімок готовий
  restoreSize: 10Gi                       # Розмір при відновленні
  error:                                  # Якщо невдача, тут повідомлення про помилку

---

Частина 4: Відновлення зі знімків

4.1 Створення PVC зі знімка

apiVersion: v1
kind: PersistentVolumeClaim
metadata:
  name: restored-data
  namespace: production
spec:
  accessModes:
    - ReadWriteOnce
  storageClassName: fast-ssd              # StorageClass для нового PVC
  resources:
    requests:
      storage: 10Gi                       # Має бути >= розміру знімка
  dataSource:                             # Ключова частина!
    name: data-snapshot                   # Ім'я VolumeSnapshot
    kind: VolumeSnapshot
    apiGroup: snapshot.storage.k8s.io

4.2 Процес відновлення

┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│                      Відновлення зі знімка                           │
│                                                                      │
│   VolumeSnapshot                    Новий PVC                        │
│   ┌─────────────┐                   ┌─────────────┐                 │
│   │ data-snap   │                   │ restored    │                 │
│   │             │                   │             │                 │
│   │ restoreSize:│◄──dataSource──────│ storage:    │                 │
│   │ 10Gi        │                   │ 10Gi        │                 │
│   └──────┬──────┘                   └──────┬──────┘                 │
│          │                                 │                         │
│          ▼                                 ▼                         │
│   VolumeSnapshotContent             Новий PV (з даними)             │
│   (містить дескриптор               (наданий зі                     │
│    знімка)                           знімка)                        │
│                                                                      │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────────┘

4.3 Відновлення між namespace

VolumeSnapshotContent має область видимості кластера, тому можна відновлювати в різних namespace:

# У namespace "dr-test"
apiVersion: v1
kind: PersistentVolumeClaim
metadata:
  name: dr-restore
  namespace: dr-test              # Інший namespace!
spec:
  accessModes:
    - ReadWriteOnce
  storageClassName: fast-ssd
  resources:
    requests:
      storage: 10Gi
  dataSourceRef:                  # Використовуйте dataSourceRef для між-namespace
    name: data-snapshot
    kind: VolumeSnapshot
    apiGroup: snapshot.storage.k8s.io
    namespace: production         # Вихідний namespace

Примітка: Відновлення між namespace потребує Kubernetes 1.26+ та відповідного RBAC.

---

Частина 5: Клонування томів

5.1 Що таке клонування томів?

Клонування створює новий PVC з даними з існуючого PVC без попереднього створення знімка.

┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│               Знімок vs Клон                                        │
│                                                                      │
│   ЗНІМОК                             КЛОН                           │
│   ──────                             ────                            │
│   PVC → Знімок → Новий PVC          PVC → Новий PVC (напряму)      │
│                                                                      │
│   Двокроковий процес                 Однокроковий процес            │
│   Резервна копія на момент часу      Негайна копія                  │
│   Можна відновити багато разів       Одна операція копіювання       │
│   Знімок зберігається               Немає проміжного артефакту     │
│                                                                      │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────────┘

5.2 Створення клону

apiVersion: v1
kind: PersistentVolumeClaim
metadata:
  name: cloned-data
spec:
  accessModes:
    - ReadWriteOnce
  storageClassName: fast-ssd
  resources:
    requests:
      storage: 10Gi                 # Має бути >= вихідного PVC
  dataSource:                       # Клонування з існуючого PVC
    name: source-pvc                # Ім'я вихідного PVC
    kind: PersistentVolumeClaim     # Інший kind, ніж для знімка!

5.3 Вимоги до клонування

• Джерело та клон повинні бути в одному namespace
• Бекенд сховища повинен підтримувати клонування
• Розмір клону має бути >= розміру джерела
• Зазвичай потрібен той самий StorageClass

5.4 Випадки використання клонування

Випадок використання	Опис
Середовища dev/test	Клонування продакшен-даних для тестування
Резервні копії перед оновленням	Клонування перед ризикованими змінами
Аналіз даних	Клон для аналітики без впливу на продакшен
Паралельна обробка	Кілька клонів для паралельних навантажень

---

Частина 6: Найкращі практики

6.1 Стратегія резервного копіювання

# Створення знімків за розкладом за допомогою CronJob або зовнішнього інструменту
apiVersion: snapshot.storage.k8s.io/v1
kind: VolumeSnapshot
metadata:
  name: daily-backup-2024-01-15
  labels:
    backup-type: daily
    source-pvc: database-data
spec:
  volumeSnapshotClassName: csi-snapclass
  source:
    persistentVolumeClaimName: database-data

6.2 Зберігання знімків

# Очищення старих знімків (концепція скрипта)
# Зберігати останні 7 щоденних, 4 щотижневих, 12 щомісячних

# Список знімків старших за 7 днів з міткою daily
k get volumesnapshot -l backup-type=daily --sort-by=.metadata.creationTimestamp

6.3 Консистентність додатків

Для консистентних знімків:

1. Призупиніть запис перед знімком (якщо можливо)
2. Скиньте буфери на диск
3. Зробіть знімок швидко
4. Відновіть запис

# Приклад: MySQL flush перед знімком
k exec mysql-pod -- mysql -e "FLUSH TABLES WITH READ LOCK;"
# Створіть знімок тут
k exec mysql-pod -- mysql -e "UNLOCK TABLES;"

---

Типові помилки

Помилка	Проблема	Рішення
Немає CSI-драйвера	Знімки не підтримуються	Встановіть CSI-драйвер з підтримкою знімків
Відсутні CRD для знімків	Ресурс VolumeSnapshot невідомий	Встановіть CRD для знімків
Неправильний driver у SnapshotClass	Знімок тихо не вдається	Узгодьте driver з іменем CSI-драйвера
Розмір відновлення замалий	PVC не надається	Використовуйте розмір >= restoreSize
Клонування між namespace	Не дозволено	Клони повинні бути в тому самому namespace, що й джерело
Видалення вихідного PVC	Клони можуть зазнати невдачі	Переконайтесь, що клон завершено перед видаленням джерела

---

Тест

Q1: Знімок vs Клон

Яка ключова різниця між відновленням зі знімка та клонуванням PVC?

Відповідь

Відновлення зі знімка використовує VolumeSnapshot як посередника — ви створюєте знімок, а потім створюєте новий PVC з цього знімка. Знімок зберігається і може бути використаний багаторазово.

Клонування створює новий PVC безпосередньо з існуючого PVC без проміжного знімка. Це однокроковий процес без постійного артефакту.

Q2: Призначення VolumeSnapshotClass

Яку роль відіграє VolumeSnapshotClass?

Відповідь

VolumeSnapshotClass визначає як створюються знімки, подібно до того, як StorageClass визначає, як надаються PV. Він вказує:

• Який CSI-драйвер створює знімки
• Політику видалення (Delete або Retain)
• Параметри, специфічні для драйвера

Q3: Передумови для знімків

Які три речі повинні бути встановлені, перш ніж ви зможете використовувати знімки томів?

Відповідь

1. CRD для знімків — визначення користувацьких ресурсів для VolumeSnapshot, VolumeSnapshotClass, VolumeSnapshotContent
2. Контролер знімків — відстежує ресурси VolumeSnapshot та керує життєвим циклом
3. CSI-драйвер з підтримкою знімків — фактичний драйвер, який створює знімки на бекенді сховища

Q4: Відновлення між namespace

Чи можна відновити VolumeSnapshot в іншому namespace, ніж той, де він був створений?

Відповідь

Так, тому що VolumeSnapshotContent (який містить фактичне посилання на знімок) має область видимості кластера. Ви можете створити PVC в іншому namespace, який посилається на VolumeSnapshot за допомогою dataSourceRef з полем namespace (потрібен Kubernetes 1.26+).

Q5: Поле dataSource

Яка різниця між використанням kind: VolumeSnapshot та kind: PersistentVolumeClaim у dataSource PVC?

Відповідь

• kind: VolumeSnapshot — відновлення зі знімка (створює новий том зі знімка)
• kind: PersistentVolumeClaim — клонування існуючого PVC (копіює дані напряму)

Обидва використовують поле dataSource, але створюють новий том по-різному.

---

Практична вправа: Знімок та відновлення

Передумови

Ця вправа потребує кластер з:

• CSI-драйвером, що підтримує знімки
• Встановленими контролером знімків та CRD

Якщо використовуєте kind або minikube, можливо, знадобиться встановити їх вручну.

Завдання 1: Перевірити підтримку знімків

# Перевірити існування CRD
k get crd | grep snapshot

# Перевірити наявність VolumeSnapshotClass
k get volumesnapshotclass

# Якщо немає, потрібно створити на основі вашого CSI-драйвера

Завдання 2: Створити тестові дані

# Створити namespace
k create ns snapshot-lab

# Створити PVC
cat <<EOF | k apply -f -
apiVersion: v1
kind: PersistentVolumeClaim
metadata:
  name: source-data
  namespace: snapshot-lab
spec:
  accessModes:
    - ReadWriteOnce
  resources:
    requests:
      storage: 1Gi
  storageClassName: standard    # Використовуйте StorageClass вашого кластера
EOF

# Створити Под для запису даних
cat <<EOF | k apply -f -
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: data-writer
  namespace: snapshot-lab
spec:
  containers:
  - name: writer
    image: busybox:1.36
    command: ['sh', '-c', 'echo "Important data created at $(date)" > /data/important.txt; sleep 3600']
    volumeMounts:
    - name: data
      mountPath: /data
  volumes:
  - name: data
    persistentVolumeClaim:
      claimName: source-data
EOF

# Зачекати, поки дані будуть записані
sleep 10
k exec -n snapshot-lab data-writer -- cat /data/important.txt

Завдання 3: Створити VolumeSnapshotClass (за потреби)

# Приклад для AWS EBS CSI (змініть для вашого драйвера)
cat <<EOF | k apply -f -
apiVersion: snapshot.storage.k8s.io/v1
kind: VolumeSnapshotClass
metadata:
  name: csi-snapclass
driver: ebs.csi.aws.com    # Змініть на ваш CSI-драйвер
deletionPolicy: Delete
EOF

Завдання 4: Створити знімок

cat <<EOF | k apply -f -
apiVersion: snapshot.storage.k8s.io/v1
kind: VolumeSnapshot
metadata:
  name: source-snapshot
  namespace: snapshot-lab
spec:
  volumeSnapshotClassName: csi-snapclass
  source:
    persistentVolumeClaimName: source-data
EOF

# Зачекати, поки знімок буде готовий
k get volumesnapshot -n snapshot-lab -w
# Зачекайте, поки READYTOUSE покаже "true"

Завдання 5: “Пошкодити” оригінальні дані

# Імітувати втрату даних
k exec -n snapshot-lab data-writer -- sh -c 'echo "Corrupted!" > /data/important.txt'
k exec -n snapshot-lab data-writer -- cat /data/important.txt
# Показує: Corrupted!

Завдання 6: Відновити зі знімка

# Видалити Под (щоб звільнити PVC)
k delete pod -n snapshot-lab data-writer

# Створити новий PVC зі знімка
cat <<EOF | k apply -f -
apiVersion: v1
kind: PersistentVolumeClaim
metadata:
  name: restored-data
  namespace: snapshot-lab
spec:
  accessModes:
    - ReadWriteOnce
  storageClassName: standard
  resources:
    requests:
      storage: 1Gi
  dataSource:
    name: source-snapshot
    kind: VolumeSnapshot
    apiGroup: snapshot.storage.k8s.io
EOF

# Створити Под для перевірки відновлених даних
cat <<EOF | k apply -f -
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: data-reader
  namespace: snapshot-lab
spec:
  containers:
  - name: reader
    image: busybox:1.36
    command: ['sh', '-c', 'cat /data/important.txt; sleep 3600']
    volumeMounts:
    - name: data
      mountPath: /data
  volumes:
  - name: data
    persistentVolumeClaim:
      claimName: restored-data
EOF

# Перевірити, що оригінальні дані відновлені
k logs -n snapshot-lab data-reader
# Має показати: Important data created at <оригінальна мітка часу>

Критерії успіху

• VolumeSnapshotClass створено
• VolumeSnapshot показує readyToUse: true
• Новий PVC створено зі знімка
• Відновлені дані збігаються з оригіналом (не пошкоджена версія)

Очищення

k delete ns snapshot-lab
k delete volumesnapshotclass csi-snapclass

---

Практичні вправи

Вправа 1: Список ресурсів знімків (1 хв)

# Завдання: Знайти всі ресурси, пов'язані зі знімками
k api-resources | grep snapshot

Вправа 2: Створити VolumeSnapshotClass (2 хв)

# Завдання: Створити SnapshotClass для вашого CSI-драйвера з політикою Delete

Вправа 3: Перевірити статус знімка (1 хв)

# Завдання: Перевірити, що знімок готовий до використання
k get volumesnapshot <name> -o jsonpath='{.status.readyToUse}'

Вправа 4: Відновити зі знімка (2 хв)

# Завдання: Створити PVC зі знімка "backup-snap"
# Ключ: dataSource з kind: VolumeSnapshot

Вправа 5: Клонувати PVC (2 хв)

# Завдання: Клонувати PVC "source-pvc" до "clone-pvc"
# Ключ: dataSource з kind: PersistentVolumeClaim

Вправа 6: Знайти розмір знімка (1 хв)

# Завдання: Отримати розмір відновлення знімка
k get volumesnapshot <name> -o jsonpath='{.status.restoreSize}'

Вправа 7: Перевірити VolumeSnapshotContent (1 хв)

# Завдання: Знайти VolumeSnapshotContent для VolumeSnapshot
k get volumesnapshot <name> -o jsonpath='{.status.boundVolumeSnapshotContentName}'

---

Наступний модуль

Переходьте до Модуль 4.5: Усунення несправностей зберігання, щоб дізнатися, як діагностувати та виправляти типові проблеми зберігання.