Kubernetes之Pod调度

【编者的话】Kubernetes调度器根据特定的算法与策略将pod调度到工作节点上。在默认情况下，Kubernetes调度器可以满足绝大多数需求，例如调度pod到资源充足的节点上运行，或调度pod分散到不同节点使集群节点资源均衡等。但一些特殊的场景，默认调度算法策略并不能满足实际需求，例如使用者期望按需将某些pod调度到特定硬件节点(数据库服务部署到SSD硬盘机器、CPU/内存密集型服务部署到高配CPU/内存服务器），或就近部署交互频繁的pod（例如同一机器、同一机房、或同一网段等）。

Kubernetes中的调度策略主要分为全局调度与运行时调度2种。其中全局调度策略在调度器启动时配置，而运行时调度策略主要包括选择节点（nodeSelector），节点亲和性（nodeAffinity），pod亲和与反亲和性（podAffinity与podAntiAffinity）。Node Affinity、podAffinity/AntiAffinity以及后文即将介绍的污点(Taints）与容忍（tolerations）等特性，在Kuberntes1.6中均处于Beta阶段。

本文着重介绍运行时调度策略。

设置节点label

Label是Kubernetes核心概念之一，其以key/value的形式附加到各种对象上，如Pod、Service、Deployment、Node等，达到识别这些对象，管理关联关系等目的，如Node和Pod的关联。
获取当前集群中的全部节点:

kubectl get nodes

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为指定节点设置label:

kubectl label nodes <node-name> <label-key>=<label-value>

确认节点label是否设置成功:

kubectl get nodes -l ‘label_key=label_value’

选择节点（nodeSelector）

nodeSelector是目前最为简单的一种pod运行时调度限制，目前在Kubernetes1.7.x及以下版本可用。Pod.spec.nodeSelector通过kubernetes的label-selector机制选择节点，由调度器调度策略匹配label，而后调度pod到目标节点，该匹配规则属于强制约束。后文要讲的nodeAffinity具备nodeSelector的全部功能，所以未来Kubernetes会将nodeSelector废除。

nodeSelector举例：

设置label

$ kubectl label nodes bjo-rpt-re-002.dev.fwmrm.net disktype=ssd
node "bjo-rpt-re-002.dev.fwmrm.net" labeled

查看满足非master节点且disktype类型为ssd的节点：

kubectl get nodes -l "role!=master, disktype=ssd"
NAME                           STATUS    AGE       VERSION
bjo-rpt-re-002.dev.fwmrm.net   Ready     39d       v1.7.1

pod.yaml文件内容：

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
name: nginx
labels:
env: test
spec:
containers:
- name: nginx
image: nginx
imagePullPolicy: IfNotPresent
nodeSelector:
disktype: ssd

创建pod：

kubectl create -f pod.yaml

查看pod nginx被调度到预期节点运行：

$ kubectl get po nginx -o wide
NAME      READY     STATUS    RESTARTS   AGE       IP            NODE
nginx     1/1       Running   0          10s       10.244.3.13   bjo-rpt-re-002.dev.fwmrm.net

注：如果非默认namespace，需要指定具体namespace，例如:

kubectl -n kube-system get pods -o wide

内置节点label

Kubernetes自v1.4开始，节点有一些built-in label，罗列如下：

kubernetes.io/hostname
failure-domain.beta.kubernetes.io/zone
failure-domain.beta.kubernetes.io/region
beta.kubernetes.io/instance-type
beta.kubernetes.io/os
beta.kubernetes.io/arch

built-in label举例

yaml文件内容：

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
name: nginx
labels:
env: test
spec:
containers:
- name: nginx
image: nginx
imagePullPolicy: IfNotPresent
nodeSelector:
kubernetes.io/hostname: bjo-ep-svc-017.dev.fwmrm.net

创建pod，并检查结果符合预期，pod被调度在预先设置的节点 bjo-ep-svc-017.dev.fwmrm.net：

$ kubectl get po nginx -o wide
NAME      READY     STATUS    RESTARTS   AGE       IP            NODE
nginx     1/1       Running   0          3m        10.244.1.58   bjo-ep-svc-017.dev.fwmrm.net

亲和性（Affinity）与非亲和性（anti-affinity）

前面提及的nodeSelector，其仅以一种非常简单的方式、即label强制限制pod调度到指定节点。而亲和性（Affinity）与非亲和性（anti-affinity）则更加灵活的指定pod调度到预期节点上，相比nodeSelector，Affinity与anti-affinity优势体现在：

表述语法更加多样化，不再仅受限于强制约束与匹配。
调度规则不再是强制约束（hard），取而代之的是软限（soft）或偏好（preference）。
指定pod可以和哪些pod部署在同一个/不同拓扑结构下。

亲和性主要分为3种类型：node affinity与inter-pod affinity/anti-affinity，下文会进行详细说明。

节点亲和性（Node affinity）

Node affinity在Kubernetes 1.2做为alpha引入，其涵盖了nodeSelector功能，主要分为requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution与preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution 2种类型。前者可认为一种强制限制，如果 Node 的标签发生了变化导致其没有符合 Pod 的调度要求节点，那么pod调度就会失败。而后者可认为理解为软限或偏好，同样如果 Node 的标签发生了变化导致其不再符合 pod 的调度要求，pod 依然会调度运行。

Node affinity举例

设置节点label：

$ kubectl label nodes bjo-ep-dep-040.dev.fwmrm.net cpu=high
node "bjo-ep-dep-040.dev.fwmrm.net" labeled

$  kubectl label nodes bjo-ep-svc-017.dev.fwmrm.net cpu=mid
node "bjo-ep-svc-017.dev.fwmrm.net" labeled

$  kubectl label nodes bjo-rpt-re-002.dev.fwmrm.net cpu=low
node "bjo-rpt-re-002.dev.fwmrm.net" labeled

部署pod的预期是到非master节点（role!=master）、且CPU高配的机器上(cpu=high)。
查看满足条件节点：

$ kubectl get nodes -l "cpu=high, role!=master"
NAME                           STATUS    AGE       VERSION
bjo-ep-dep-040.dev.fwmrm.net   Ready     41d       v1.7.1

pod.yaml文件内容如下：

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
name: nginx
labels:
env: test
spec:
affinity:
nodeAffinity:
  requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
    nodeSelectorTerms:
    - matchExpressions:
      - key: role
        operator: NotIn
        values:
        - master
  preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
  - weight: 1
    preference:
      matchExpressions:
      - key: cpu
        operator: In
        values:
        - high
containers:
- name: nginx
image: nginx
imagePullPolicy: IfNotPresent

检查结果符合预期，pod nginx成功部署到非master节点且CPU高配的机器上。

$ kubectl get po  nginx -o wide
NAME      READY     STATUS    RESTARTS   AGE       IP             NODE
nginx     1/1       Running   0          32s       10.244.2.185   bjo-ep-dep-040.dev.fwmrm.net

pod亲和性（Inter-pod affinity）与反亲和性（anti-affinity）

inter-pod affinity与anti-affinity由Kubernetes 1.4引入，当前处于beta阶段，其中podAffinity用于调度pod可以和哪些pod部署在同一拓扑结构之下。而podAntiAffinity相反，其用于规定pod不可以和哪些pod部署在同一拓扑结构下。通过pod affinity与anti-affinity来解决pod和pod之间的关系。
与Node affinity类似，pod affinity与anti-affinity同样分为requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution and preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution等2种类型，前者被认为是强制约束，而后者后者可认为理解软限（soft）或偏好（preference）。

pod affinity与anti-affinity举例

本示例中假设部署场景为：期望is服务与oltp服务就近部署，而不希望与solr服务部署同一拓扑结构上。
yaml文件部分内容：

spec:
replicas: 1
template:
metadata:
  labels:
    app: is

spec:
  affinity:
    podAffinity:
      requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
      - labelSelector:
          matchExpressions:
          - key: app
            operator: NotIn
            values:
            - solr
        topologyKey: kubernetes.io/hostname
    podAntiAffinity:
      preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
      - weight: 1
        podAffinityTerm:
          labelSelector:
            matchExpressions:
            - key: app
              operator: In
              values:
              - oltp
          topologyKey: beta.kubernetes.io/os

查看部署结果，is服务与oltp部署到了同一台机器，而solr被部署在其他机器上。

$ kubectl get po -o wide
NAME                           READY     STATUS    RESTARTS   AGE       IP             NODE
is-3059482752-5s14t            0/1       Running   1          1m        10.244.1.60    bjo-ep-svc-017.dev.fwmrm.net
oltp-282283610-kdvnp           1/1       Running   0          1m        10.244.1.53    bjo-ep-svc-017.dev.fwmrm.net
solr-908150957-rswlm           1/1       Running   0          1m        10.244.3.5     bjo-rpt-re-002.dev.fwmrm.net

亲和性/反亲和性调度策略比较

调度策略         匹配标签 操作符                拓扑域支持  调度目标
nodeAffinity    主机    In, NotIn, Exists,   否         pod到指定主机
                       DoesNotExist, Gt, Lt  
podAffinity     Pod    In, NotIn, Exists,   是         pod与指定pod同一拓扑域
                       DoesNotExist            
PodAntiAffinity Pod    In, NotIn, Exists,   是         pod与指定pod非同一拓扑域
                       DoesNotExist

污点（Taints）与容忍（tolerations）

对于Node affinity，无论是强制约束（hard）或偏好（preference）方式，都是调度pod到预期节点上，而Taints恰好与之相反，如果一个节点标记为 Taints ，除非 Pod也被标识为可以耐受污点节点，否则该Taints节点不会被调度pod。Taints）与tolerations当前处于beta阶段，
Taints节点应用场景比如用户希望把Kubernetes Master节点保留给 Kubernetes 系统组件使用，或者把一组具有特殊资源预留给某些 pod。pod不会再被调度到taint标记过的节点。

taint标记节点举例如下：

$ kubectl taint nodes bjo-ep-dep-039.dev.fwmrm.net key=value:NoSchedule
node "bjo-ep-dep-039.dev.fwmrm.net" tainted

如果仍然希望某个pod调度到taint节点上，则必须在 Spec 中做出Toleration 定义，才能调度到该节点，举例如下：

tolerations:
- key: "key"
operator: "Equal"
value: "value"
effect: "NoSchedule"

effect 共有三个可选项，可按实际需求进行设置：

NoSchedule：pod不会被调度到标记为taints节点。
PreferNoSchedule：NoSchedule的“preference”或“soft”版本。
NoExecute：该选项意味着一旦Taint 生效，如该节点内正在运行的 Pod 没有对应 Tolerate 设置，会直接被逐出。

总结

使用者可根据实际需求，充分利用pod的相关高级调度策略，使Kubernetes更好的服务于我们的需求。

参考文档

Assigning Pods to Nodes: https://kubernetes.io/docs/con … node/
Advanced Scheduling in Kubernetes: http://blog.kubernetes.io/2017 … .html

欢迎转载，请注明作者出处：张夏，FreeWheel Lead Engineer，Kubernetes中文社区

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