Configuración de persistencia de datos en Kubernetes paso a paso

Introducción a la Persistencia de Datos en Kubernetes

En el mundo de la orquestación de contenedores, Kubernetes se ha consolidado como la plataforma líder para gestionar aplicaciones distribuidas y escalables. Sin embargo, uno de los retos más comunes y complejos es la persistencia de datos. A diferencia de los contenedores efímeros, muchas aplicaciones requieren garantizar que los datos generados o modificados durante la ejecución permanezcan disponibles incluso cuando los contenedores o pods se eliminan o recrean.

Este artículo desarrolla cómo configurar un sistema de almacenamiento persistente en Kubernetes, con un enfoque práctico y detallado basado en el aprovisionamiento dinámico de volúmenes usando clases de almacenamiento (Storage Classes). Te guiaremos paso a paso para mantener la integridad y disponibilidad de tus datos en entornos cloud, especialmente en infraestructuras gestionadas como Data Center Designer (DCD) de Arsys.

1. Conceptos Esenciales sobre Persistencia en Kubernetes

Antes de lanzarnos a la práctica, es fundamental aclarar algunos términos clave que intervienen en la persistencia de datos.

1.1 ¿Qué significa persistencia de datos?

En Kubernetes, la persistencia implica que los datos generados por una aplicación se mantengan aunque el ciclo de vida del pod finalice. Por defecto, los contenedores almacenan datos en almacenamiento efímero, ligado a la instancia del pod. Al eliminar o reiniciar ese pod, los datos desaparecen.

La persistencia permite que los datos sobrevivan a la creación y eliminación de pods, garantizando continuidad del servicio y recuperación rápida ante fallos.

1.2 Volúmenes Persistentes (PV) y Reclamaciones (PVC)

Persistent Volumes (PV) son recursos de almacenamiento dentro del clúster que representan una parte del almacenamiento físico o virtual. Pueden ser creados manualmente por este administrador o generarse dinámicamente a pedido de la aplicación. El volumen tiene ciclo de vida independiente de los pods.

Persistent Volume Claims (PVC) son las solicitudes realizadas por los pods para usar un PV con características específicas (capacidad, modo de acceso, clase de almacenamiento). Kubernetes es el encargado de enlazar PVCs con PVs disponibles, o crear nuevos volúmenes automáticamente si está habilitado el aprovisionamiento dinámico.

2. Storage Classes: Definiendo el tipo de almacenamiento

Las Storage Classes son plantillas que definen parámetros para crear volúmenes persistentes bajo diferentes tecnologías de almacenamiento (como HDD, SSD, NFS, o soluciones cloud específicas). Al solicitar un volumen, se designa una Storage Class para determinar qué tipo y características de almacenamiento obtener.

2.1 Consultar las Storage Classes disponibles

Antes de crear recursos persistentes, es necesario conocer las clases de almacenamiento disponibles en el clúster. Para ello, ejecutamos el siguiente comando:

kubectl get storageclass

Un ejemplo típico de salida podría mostrarnos:

Cada clase corresponde a diferentes medios de almacenamiento y niveles de rendimiento, por lo que elegir la correcta dependerá de la necesidad de la aplicación.

2.2 Buenas prácticas en el uso de Storage Classes

• Selecciona la clase que mejor equilibre coste y rendimiento según la carga de trabajo.
• Asegúrate de que la clase esté correctamente configurada y soportada por el proveedor cloud o infraestructura.
• Utiliza aprovisionamiento dinámico para evitar la gestión manual de volúmenes y agilizar despliegues.

3. Aprovisionamiento Dinámico de Volúmenes Persistentes

El aprovisionamiento dinámico es la forma recomendada de gestionar almacenamiento persistente en Kubernetes, especialmente en entornos cloud. En lugar de que el administrador cree previamente volúmenes físicos, el clúster crea automáticamente el volumen cuando un pod lo solicita mediante una PVC.

3.1 Ventajas del aprovisionamiento dinámico

• Agiliza la provisión de almacenamiento bajo demanda.
• Reduce errores manuales en configuraciones iniciales.
• Optimiza el uso de recursos físicos mediante asignación eficiente.
• Se adapta al escalado dinámico típico de aplicaciones en la nube.

3.2 Cómo funciona el ciclo de aprovisionamiento

1. Un pod solicita almacenamiento creando una PVC con criterios específicos (tamaño, clase).
2. El clúster revisa su Storage Class para determinar el backend de almacenamiento.
3. Se crea el volumen físico en el backend (ej. un disco HDD o SSD en cloud).
4. Se enlaza el volumen físico con la PVC y el pod puede montar el volumen para su uso.

4. Definición y creación de una Persistent Volume Claim (PVC)

Una PVC es un manifiesto YAML que define las necesidades de almacenamiento de un pod. A continuación un ejemplo básico para solicitar un volumen de 10GB con clase de almacenamiento HDD:

 apiVersion: v1 kind: PersistentVolumeClaim metadata: name: engine-data spec: accessModes: - ReadWriteOnce resources: requests: storage: 10Gi storageClassName: ionos-enterprise-hdd 

Elementos clave:

• accessModes: define cómo un pod puede acceder al volumen (por ejemplo, lectura/escritura por un solo nodo).
• resources.requests.storage: indica la capacidad mínima requerida.
• storageClassName: vincula la petición a una clase de almacenamiento concreta.

4.1 Creación efectiva de la PVC

Para crear esta PVC, simplemente aplicamos:

kubectl apply -f pvc.yaml

Luego verificamos su estado con:

kubectl get pvc

El estatus puede ser Pending mientras se crea el volumen, y luego cambiar a Bound cuando se asocia a un PV.

Cómo crear un clúster de Kubernetes gestionado paso a paso

5. Modificación del Pod para Incorporar la PVC

Una vez definida la PVC, el siguiente paso consiste en modificar la definición del pod (habitualmente en el deployment) para pedir el volumen generado y montarlo dentro del sistema de archivos del contenedor.

5.1 Definición del volumen en el Pod

Para que Kubernetes sepa que el pod debe usar el volumen persistente solicitado, se añade la sección volumes apuntando a la PVC:

 volumes: - name: data persistentVolumeClaim: claimName: engine-data 

5.2 Montaje dentro del contenedor

Seguidamente, dentro de los contenedores debemos montar este volumen para que la aplicación pueda acceder a él:

 containers: - name: nginx image: nginx volumeMounts: - name: data mountPath: /usr/share/nginx/html 

En este ejemplo, el volumen persistente se monta en la ruta donde Nginx sirve sus páginas. De esta forma, cualquier contenido almacenado será persistente y accesible incluso si el pod se elimina o recrea.

6. Aplicación de la Configuración y Comprobación

Con el manifiesto modificado, aplicamos los cambios ejecutando:

kubectl apply -f deployment.yaml

Al hacerlo, Kubernetes crea los pods con la configuración para solicitar y montar el volumen persistente acorde a la PVC.

6.1 Comprobación del estado y volumen asociado

Verificamos que la PVC esté enlazada y el pod corriendo con:

kubectl get pvc

kubectl get pods

Podemos observar que la PVC pasa de Pending a Bound, indicando que el volumen físico se ha creado y está asignado. Además, en el proveedor cloud (en este caso Data Center Designer), se podrá visualizar el disco asociado.

6.2 Gestión desde la consola DCD

El aprovisionamiento dinámico se refleja también en la plataforma cloud. Por ejemplo, desde el centro de datos virtual DCD, se puede visualizar el disco asignado al volumen persistente, su capacidad y tipo (HDD o SSD), confirmando la integración completa.

7. Comprobando la Persistencia en Operación

Una prueba sencilla consiste en ingresar al pod, crear un archivo o modificar uno existente en el directorio montado, eliminar el pod y comprobar que el nuevo pod mantiene los cambios.

7.1 Procedimiento demo

• Ingresar en el pod con un comando interactivo:
  kubectl exec -it [nombre-pod] -- /bin/sh
• Navegar al directorio montado, por ejemplo: /usr/share/nginx/html
• Crear o modificar un archivo, por ejemplo:
  echo "Hello World from Persistent Volume" > index.html
• Salir y eliminar el pod:
  kubectl delete pod [nombre-pod]
• Esperar que el deployment cree un nuevo pod con el mismo PVC montado.
• Volver a acceder y verificar que el contenido se conserva.

8. Ciclo de Vida del Almacenamiento Persistente

Comprender el ciclo de vida de PVs y PVCs es crucial para una gestión adecuada del almacenamiento y sus costos.

8.1 Independencia entre Pods, Deployments, PVCs y PVs

Eliminar un pod o un deployment no elimina los volúmenes persistentes asociados. Los PVs y PVCs existen por separado y mantienen los datos intactos. Esto permite que si una aplicación se elimina temporalmente, los datos permanezcan seguros para futuras reinstalaciones.

8.2 Eliminación manual de PVC y PV

Para liberar recursos y borrar efectivamente el almacenamiento, es necesario eliminar la PVC explícitamente:

kubectl delete pvc engine-data

Una vez eliminado el PVC, el PV asociado también será eliminado tras un tiempo, liberando el recurso en el backend cloud.

8.3 Advertencias y buenas prácticas

• No eliminar PVCs si los datos aún son necesarios, ya que esto borrará el almacenamiento físico.
• Gestionar el ciclo de PVCs junto con la estrategia de datos para evitar pérdidas e inconsistencias.
• Supervisar el uso y coste asociado al almacenamiento persistente para optimizar la infraestructura.

9. Tabla Comparativa de Opciones de Almacenamiento en Kubernetes

Si quieres profundizar en la configuración práctica de almacenamiento persistente en Kubernetes y ver un ejemplo real aplicado en el servicio gestionado Data Center Designer de Arsys, te invitamos a visualizar este recurso multimedia, que complementa nuestro contenido y facilita su comprensión.

10. Palabras Clave del Tema y su Relevancia

10.1 Persistent Volume (PV)

El PV es el recurso de almacenamiento físico o virtual que Kubernetes utiliza para guardar de manera duradera los datos. Es independiente de los pods, lo que permite que los datos sobrevivan a los ciclos de vida cambiantes de los mismos. Entender su creación y gestión es clave para un diseño robusto.

10.2 Persistent Volume Claim (PVC)

La PVC es la “petición” que los pods hacen para solicitar un PV con características que cumplen sus requisitos (capacidad y acceso). Es la interfaz práctica que vincula las necesidades de la aplicación con la infraestructura de almacenamiento.

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10.3 Storage Class

Concepto crucial para el aprovisionamiento dinámico, la Storage Class define los parámetros técnicos y el tipo de almacenamiento que se debe crear en backend. Elegir la correcta impacta directamente en el rendimiento y costo.

10.4 Aprovisionamiento Dinámico

Mecanismo que permita crear automáticamente los volúmenes físicos a petición, evitando la gestión manual. Es una característica fundamental para la agilidad en entornos cloud y escalables.

10.5 Montaje de Volúmenes en Pods

El proceso técnico mediante el cual un volumen solicitado es insertado dentro del sistema de archivos del contenedor para que la aplicación pueda usarlo como almacenamiento persistente.

11. Errores y Problemas Comunes en la Persistencia de Datos

• Estado Pendiente de PVC: Puede deberse a que no hay Storage Classes compatibles o el aprovisionamiento dinámico no está configurado.
• Datos no preservados: Ocurre cuando no se usa PVC o no se monta correctamente el volumen, resultando en datos efímeros.
• Problemas de acceso concurrente: Al montar volúmenes con modos incorrectos (por ejemplo, ReadWriteMany sin soporte).
• Costo inesperado: Al no eliminar correctamente PVCs, se mantienen discos activos en cloud generando gastos.
• Errores de permisos: Los contenedores pueden presentar fallos al acceder al almacenamiento si los permisos no están bien configurados.

12. Consejos para Optimizar la Persistencia en Kubernetes

• Planifica la capacidad de almacenamiento acorde al crecimiento de la aplicación y no lo subestimes.
• Automatiza la creación y destrucción de PVCs para mantener la infraestructura limpia y controlada.
• Audita regularmente el estado y uso de volúmenes para evitar pérdidas y malgasto.
• Utiliza Storage Classes específicas para cada tipo de carga, maximizando rendimiento y eficiencia.
• Capacita a tu equipo en el ciclo de vida de PV y PVC para evitar errores que comprometan datos.

13. Integración con Servicios Cloud: Ejemplo en Data Center Designer (DCD)

En plataformas como DCD de Arsys, Kubernetes gestionado permite la creación y provisión automática de discos virtuales como parte del almacenamiento persistente. Esto facilita el uso de funcionalidades avanzadas sin necesidad de intervención manual en la infraestructura física.

Los discos se crean bajo demanda, se visualizan en el panel de control del centro de datos virtual y su coste se administra según uso real, otorgando control total y transparencia a las organizaciones.

14. Seguridad y Respaldo de Datos en Volúmenes Persistentes

Garantizar la seguridad y la integridad de los datos almacenados es fundamental. Algunas recomendaciones incluyen:

• Configurar políticas de acceso y permisos en los volúmenes según roles y necesidades.
• Realizar respaldos periódicos a nivel de volúmenes para protegerse ante fallos o borrados accidentales de PVCs.
• Asegurar el cifrado del almacenamiento en reposo cuando el backend lo permita.
• Monitorizar la integridad y estado del almacenamiento persistente con herramientas integradas o externas.

15. Herramientas y Recursos para Mejorar la Gestión del Almacenamiento Persistente

• Kubectl: Principal herramienta para la gestión de recursos y monitoreo en línea de comandos.
• Dashboards de Kubernetes: Interfaz gráfica para seguimiento visual del cluster y recursos asociados.
• GitHub – Curso Kubernetes Gestionado: Repositorio con ejemplos y archivos para profundizar prácticas (https://github.com/arsys-internet/Curso-Kubernetes-Gestionado).
• Panel DCD: Gestión visual de infraestructura en Data Center Designer.

Preguntas Frecuentes (FAQ)

¿Cómo gestionar el almacenamiento persistente en Kubernetes?

Para administrar el almacenamiento persistente en Kubernetes, se emplean los objetos Persistent Volumes (PV) y Persistent Volume Claims (PVC). Un PV es un recurso físico o virtual dentro del clúster que puede ser creado estáticamente o dinámicamente via Storage Classes. Las aplicaciones solicitan almacenamiento a través de PVCs, que Kubernetes enlaza con PV disponibles o que crea bajo demanda mediante el aprovisionamiento dinámico.

¿Qué es un volumen persistente (PV) en Kubernetes?

Un PV representa un recurso de almacenamiento con un ciclo de vida independiente al de los pods. Puede ser un disco duro físico, un volumen virtual en cloud o cualquier medio soportado. El administrador puede crear PV estáticos o el sistema puede generarlos automáticamente usando clases de almacenamiento, permitiendo que los datos sobrevivan al reinicio o recreación de pods.

¿Qué es la persistencia en Kubernetes?

La persistencia es la propiedad que permite que los datos de una aplicación sobrevivan a la destrucción o recreación de sus contenedores o pods. Kubernetes habilita esto mediante la combinación de Persistent Volumes y PVCs, asegurando que los proyectos críticos puedan mantener sus datos en almacenamiento consistente y estable.

¿Cuál es la diferencia entre aprovisionamiento estático y dinámico?

En el aprovisionamiento estático, un administrador crea previamente los PVs y los asigna manualmente a PVCs. En el dinámico, el sistema crea PVs automáticamente según la demanda de PVCs especificando Storage Classes, ideal para entornos cloud con infraestructuras fluctuantes.

¿Qué ocurre si borro un Deployment que utiliza un volumen persistente?

Borrar un Deployment elimina los pods asociados, pero no elimina las PVC ni los PV, por lo que los datos almacenados permanecen. Esto permite respetar la persistencia y garantizar que la información no se pierde accidentalmente. El almacenamiento solo se libera eliminando explícitamente la PVC.

¿Por qué un PVC puede quedar en estado ‘Pending’?

Esto sucede cuando no existe un PV compatible con la solicitud o cuando el aprovisionamiento dinámico no está disponible o bien configurado. Revisar las Storage Classes y permisos es el primer paso para resolver este problema.

¿Cómo puedo garantizar el acceso concurrente a un volumen persistente?

Es importante seleccionar un modo de acceso que soporte múltiples nodos si la aplicación lo requiere, como ReadWriteMany. Además, la Storage Class y el backend deben soportar este modo. No todos los tipos de almacenamiento permiten accesos concurrentes.

¿Se puede cambiar la Storage Class de una PVC existente?

No directamente. Las PVC son inmutables en cuanto a Storage Class. Para cambiarla, se debe crear una nueva PVC con la Storage Class deseada y migrar manualmente los datos si es necesario.

¿El volumen persistente siempre está disponible aunque no haya un pod usándolo?

Sí, mientras la PVC esté creada, el PV y el almacenamiento físico asociado estarán disponibles y ocupando recursos, incluso si ningún pod los está usando activamente.

¿Cómo se gestionan los costos del almacenamiento persistente en cloud?

Los costos dependen del tipo y tamaño del almacenamiento reservado. Por eso es importante eliminar PVCs que no sean necesarias para liberar recursos y evitar costes innecesarios. Plataformas como DCD proporcionan informes de uso y coste para un seguimiento eficiente.

Conclusión

La persistencia de datos en Kubernetes, aunque inicialmente puede parecer compleja, es facilitada enormemente por el uso de Persistent Volumes, PVCs y Storage Classes. Implementar aprovisionamiento dinámico permite gestionar de manera eficiente y escalable los recursos de almacenamiento, especialmente en entornos cloud como Data Center Designer.

Persistencia de datos en Kubernetes conceptos básicos esenciales

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