Kubernetes Pod调度说明

简介

Scheduler 是 Kubernetes 的调度器，主要任务是把定义的Pod分配到集群的节点上，听起来非常简单，但要考虑需要方面的问题：

• 公平：如何保证每个节点都能被分配到资源
• 资源高效利用：集群所有资源最大化被使用
• 效率：调度性能要好，能够尽快的对大批量的Pod完成调度工作
• 灵活：允许用户根据自己的需求控制调度的流程

Scheduler 是作为单独的服务运行的，启动之后会一直监听API Server，获取 podSpec.NodeName为空的Pod，对每个Pod都会创建一个buiding，表明该Pod应该放在哪个节点上

调度过程

调度流程：首先过滤掉不满足条件的节点，这个过程称为predicate；然后对通过的节点按照优先级的顺序，这个是priority；最后从中选择优先级最高的节点。如果中间有任何一步报错，则直接返回错误信息。

Predicate有一系列的算法可以使用：

• PodFitsResources：节点上剩余的资源是否大于 Pod 请求的资源
• PodFitsHost：如果Pod指定了nodeName，检查节点名称是否和nodeName匹配
• PodFitsHostPort：节点上已经使用的port是否和Pod申请的port冲突
• PodSelectorMatches：过滤和Pod指定的 label 不匹配的节点
• NoDiskConflict：已经 mount 的 volume 和 Pod 指定的volume不冲突，除非他们都是只读

如果在predicate过程中没有适合的节点，Pod会一直处于Pending状态，不断重新调度，直到有节点满足条件，经过这个步骤，如果多个节点满足条件，就会进入priority过程：按照优先级大小对节点排序，优先级由一系列键值对组成，键是该优先级的名称，值是它的权重，这些优先级选项包括：

• LeastRequestedPriority：通过计算CPU和Memory的使用率来决定权重，使用率越低权重越高，换句话说，这个优先级倾向于资源使用率低的节点
• BalanceResourceAllocation：节点上CPU和Memory使用率非常及接近，权重就越高，这个要和上边的一起使用，不可单独使用
• ImageLocalityPriority：倾向于已经要使用镜像的节点，镜像的总大小值越大，权重越高

通过算法对所有的优先级项目和权重进行计算，得出最终的结果

自定义调度器

除了Kubernetes自带的调度器，也可以编写自己的调度器，通过spec.schedulername参数指定调度器的名字，可以为Pod选择某个调度器进行调度，比如下边的Pod选择my-scheduler进行调度，而不是默认的default-scheduler

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: scheduler-test
  labels:
    name: example-scheduler
spec:
  schedulername: my-scheduler
  containers:
  - name: Pod-test
    image: nginx:v1

Kubernetes的调度方法整体共有以下几种：

• 亲和性：包括Node的亲和性和Pod的亲和性
• 污点(Taint)和容忍(Toleration)
• 固定调度策略

因为文章不宜太长，本文先重点介绍 “亲和性” 这个调度方法，后续会再详细介绍其他两种。

亲和性

注意，以下所有的测试都是1Master、1Node的情况下：

[root@Centos8 scheduler]# kubectl get node
NAME          STATUS   ROLES    AGE    VERSION
centos8       Ready    master   134d   v1.15.1
testcentos7   Ready    <none>   133d   v1.15.1

节点(Node)亲和性

pod.spec.affinity.nodeAffinity

• preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution：软策略
  • 软策略是偏向于，更想(不)落在某个节点上，但如果实在没有，落在其他节点也可以
• requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution：硬策略
  • 硬策略是必须(不)落在指定的节点上，如果不符合条件，则一直处于Pending状态

演示

requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution硬策略

# vim node-affinity-required.yaml

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: affinity-required
  labels:
    app: node-affinity-pod
spec:
  containers:
  - name: with-node-required
    image: nginx:1.2.1
    imagePullPolicy: IfNotPresent
  affinity:
    nodeAffinity:
      requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
        nodeSelectorTerms:
        - matchExpressions:
          - key: kubernetes.io/hostname    #节点名称
            operator: NotIn     #不是
            values:
            - testcentos7           #node节点

以上策略表示：此Pod不要落在node名称为testcentos7的节点上，下边开始创建

[root@Centos8 ~]# kubectl get node --show-labels    #查看node节点标签
NAME          STATUS   ROLES    AGE    VERSION   LABELS
centos8       Ready    master   133d   v1.15.1   beta.kubernetes.io/arch=amd64,beta.kubernetes.io/os=linux,kubernetes.io/arch=amd64,kubernetes.io/hostname=centos8,kubernetes.io/os=linux,node-role.kubernetes.io/master=

testcentos7   Ready       133d   v1.15.1   beta.kubernetes.io/arch=amd64,beta.kubernetes.io/os=linux,kubernetes.io/arch=amd64,kubernetes.io/hostname=testcentos7,kubernetes.io/os=linux

## 目前只有两个节点，一个master 一个node，策略中表示此Pod不在testcentos7这个节点上
## Pod创建之后，因为除去testcentos7节点已再无其他node，所以一直处于Pending状态
[root@Centos8 scheduler]# kubectl create -f node-affinity-required.yaml 
pod/affinity-required created
[root@Centos8 scheduler]# kubectl get pod 
NAME                READY   STATUS    RESTARTS   AGE
affinity-required   0/1     Pending   0          4s

[root@Centos8 scheduler]# kubectl describe pod affinity-required
default-scheduler  0/2 nodes are available: 1 node(s) didn't match node selector, 1 node(s) had taints that the pod didn't tolerate.

将yaml文件中，NotIn改为In

affinity:
    nodeAffinity:
      requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
        nodeSelectorTerms:
        - matchExpressions:
          - key: kubernetes.io/hostname    #节点名称
            operator: In        #是，存在
            values:
            - testcentos7           #node节点

再次创建，已经落在指定node节点中

[root@Centos8 scheduler]# kubectl get pod -o wide 
NAME                READY   STATUS    RESTARTS   AGE   IP             NODE     
affinity-required   1/1     Running   0          11s  10.244.3.219  testcentos7

preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution软策略

vim node-affinity-preferred.yaml

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: affinity-preferred
  labels:
    app: node-affinity-pod
spec:
  containers:
  - name: with-node-preferred
    image: nginx:1.2.1
    imagePullPolicy: IfNotPresent
  affinity:
    nodeAffinity:
      preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
      - weight: 100    #权重为100,软策略中权重越高匹配到的机会越大
        preference:  #更偏向于
          matchExpressions:
          - key: kubernetes.io/hostname #node名称
            operator: In  #等于，为
            values:
            - testcentos7   #node真实名称

以上策略表示：此Pod更想落在node节点名称为testcentos7的node中，开始创建

[root@Centos8 scheduler]# kubectl create -f node-affinity-prefered.yaml 
pod/affinity-prefered created

[root@Centos8 scheduler]# kubectl get pod -o wide 
NAME                READY   STATUS    RESTARTS   AGE   IP             NODE     
affinity-prefered   1/1     Running   0          9s    10.244.3.220 testcentos7

以上正常落在testcentos7节点下

更改一下策略，将node节点名称随便更改为不存在的node名称，例如kube-node2

affinity:
    nodeAffinity:
      preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
      - weight: 1    #权重为1,软策略中权重越高匹配到的机会越大
        preference:  #更偏向于
          matchExpressions:
          - key: kubernetes.io/hostname #node名称
            operator: In  #等于，为
            values:
            - kube-node2   #node真实名称

以上策略表示：此Pod更想落在node名称为kube-node2的节点上，开始创建

[root@Centos8 scheduler]# kubectl create -f node-affinity-prefered.yaml 
pod/affinity-prefered created

##创建后，同样是落在了testcentos7节点上，虽然它更想落在kube-node2节点上，但因为没有这个节点，只好落在testcentos7节点中
[root@Centos8 scheduler]# kubectl get pod -o wide 
NAME                READY   STATUS    RESTARTS   AGE   IP             NODE     
affinity-prefered   1/1     Running   0          17s   10.244.3.221 testcentos7

软硬策略合体

vim node-affinity-common.yaml

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: affinity-node
  labels:
    app: node-affinity-pod
spec:
  containers:
  - name: with-affinity-node
    image: nginx:v1
    imagePullPulicy: IfNotPresent
  affinity:
    nodeAffinity:
      requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
        nodeSelectorTerms:
        - matchExpressions:
          - key: kubernetes.io/hostname
            operator: NotIn
            values:
            - k8s-node2
      preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
      - weight: 1 
        preference:
        matchExpressions:
        - key: source
          operator: In
          values:
           - hello

软硬结合达到一个更为准确的node选择，以上文件意思为此Pod必须不存在k8s-node2节点中，其他的节点都可以，但最好落在label中source的值为hello的节点中

键值运算关系

• In：label 的值在某个列表里
• NotIn：label 的值不在某个列表中
• Gt：label 的值大于某个值
• Lt：label 的值小于某个值
• Exists：某个 label 存在
• DoesNotExist：某个 label 不存在

如果nodeSelectorTerms下面有多个选项，满足任何一个条件就可以了；如果matchExpressions有多个选项，则必须满足这些条件才能正常调度

Pod亲和性

pod.spec.affinity.podAffinity/podAntiAffinity

• preferedDuringSchedulingIgnoredDuringExecution：软策略
  • 软策略是偏向于，更想(不)落在某个节点上，但如果实在没有，落在其他节点也可以
• requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution：硬策略
  • 硬策略是必须(不)落在指定的节点上，如果不符合条件，则一直处于Pending状态

演示

先创建一个测试Pod

vim pod.yaml

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: pod-1
  labels:
    app: nginx
    type: web
spec:
  containers:
  - name: pod-1
    image: nginx:1.2.1
    imagePullPolicy: IfNotPresent
    ports:
    - name: web
      containerPort: 80

[root@Centos8 scheduler]# kubectl create -f pod.yaml 
pod/pod-1 created

[root@Centos8 scheduler]# kubectl get pod --show-labels
NAME    READY   STATUS    RESTARTS   AGE   LABELS
pod-1   1/1     Running   0          4s    app=nginx,type=web

requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution Pod硬策略

vim pod-affinity-required.yaml

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: affinity-required
  labels:
    app: pod-3
spec:
  containers:
  - name: with-pod-required
    image: nginx:1.2.1
    imagePullPolicy: IfNotPresent
  affinity:
    podAffinity:   #在同一域下
      requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
      - labelSelector:
          matchExpressions:
          - key: app    #标签key
            operator: In
            values:
            - nginx     #标签value
        topologyKey: kubernetes.io/hostname #域的标准为node节点的名称

以上文件策略为：此Pod必须要和包含label为app：nginx的pod在同一node下

创建测试:

[root@Centos8 scheduler]# kubectl create -f pod-affinity-required.yaml 
pod/affinity-required created


[root@Centos8 scheduler]# kubectl get pod -o wide 
NAME                READY   STATUS    RESTARTS   AGE   IP             NODE  
affinity-required   1/1     Running   0          43s   10.244.3.224 testcentos7
pod-1               1/1     Running   0          10m   10.244.3.223 testcentos7

# 和此标签的Pod在同一node节点下

将podAffinity改为podAnitAffinity，使它们不在用于node节点下

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: required-pod2
  labels:
    app: pod-3
spec:
  containers:
  - name: with-pod-required
    image: nginx:1.2.1
    imagePullPolicy: IfNotPresent
  affinity:
    podAntiAffinity:   
      requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
      - labelSelector:
          matchExpressions:
          - key: app    #标签key
            operator: In
            values:
            - nginx     #标签value
        topologyKey: kubernetes.io/hostname #域的标准为node节点的名称

此策略表示，必须要和label为app:nginx的pod在不用的node节点上

创建测试：

[root@Centos8 scheduler]# kubectl create -f pod-affinity-required.yaml 
pod/required-pod2 created

[root@Centos8 scheduler]# kubectl get pod 
NAME                READY   STATUS    RESTARTS   AGE
affinity-required   1/1     Running   0          9m40s
pod-1               1/1     Running   0          19m
required-pod2       0/1     Pending   0          51s

## 由于我这里只有一个节点，所以required-pod2只能处于Pending状态

preferedDuringSchedulingIgnoredDuringExecution Pod软策略

vim pod-affinity-prefered.yaml

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: affinity-prefered
  labels:
    app: pod-3
spec:
  containers:
  - name: with-pod-prefered
    image: nginx:v1
    imagePullPolicy: IfNotPresent
  affinity:
    podAntiAffinity:    #不在同一个域下
      preferedDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
      - weight: 1
        podAffinityTerm:
          labelSelector:
            matchExpressions:
            - key: app
              operator: In
              values:
              - pod-2
          topologyKey: kubernetes.io/hostname

软策略和硬策略的方法基本类似，只是添加了权重，表示更喜欢而已，也可以接受其他，在此就不再演示

亲和性/反亲和性调度策略比较如下：