Kubernetes之集群调度

我们一起学习 Kubernetes 的集群调度吧！

我们现在有这样一个需求，就是集群中多台服务的配置是不一致的。这就导致资源分配并不是均匀的，比如我们需要有些服务节点用来运行计算密集型的服务，而有些服务节点来运行需要大量内存的服务。而在 k8s 中当然也配置了相关服务来处理上述的问题，那就是 Scheduler。
Scheduler 是 kubernetes 的调度器，主要的任务是把定义的 Pod 分配到集群的节点上。听起来非常简单，但有很多要考虑的问题：

• 公平
  • 如何保证每个节点都能被分配资源
• 资源高效利用
  • 集群所有资源最大化被使用
• 效率
  • 调度的性能要好，能够尽快地对大批量的 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逻辑

Scheduler 是作为单独的程序运行的，启动之后会一直坚挺 API Server，获取 PodSpec.NodeName 为空的 Pod，对每个 Pod 都会创建一个 binding，表明该 Pod 应该放到哪个节点上。

1. 调度过程

调度分为几个部分：首先是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排序，这个是 priority；最后从中选择优先级最高的节点。如果中间任何一步骤有错误，就直接返回错误。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
• PodFitsHostPorts
  • 节点上已经使用的 port 是否和 pod 申请的 port 冲突
• PodSelectorMatches
  • 过滤掉和 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，除非它们都是只读

如果在 predicate 过程中没有合适的节点，pod 会一直在 pending 状态，不断重试调度，直到有节点满足条件。经过这个步骤，如果有多个节点满足条件，就继续 priorities 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，键是该优先级项的名称，值是它的权重（该项的重要性）。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，这个优先级指标倾向于资源使用比例更低的节点。
• BalancedResourceAllocation
  • 节点上 CPU 和 Memory 使用率越接近，权重越高。这个应该和上面的一起使用，不应该单独使用。
• ImageLocalityPriority
  • 倾向于已经有要使用镜像的节点，镜像总大小值越大，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。

2. 自定义调度器

除了 kubernetes 自带的调度器，你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。比如下面的 pod 选择 my-scheduler 进行调度，而不是默认的 default-scheduler。

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: annotation-second-scheduler
  labels:
    name: multischeduler-example
spec:
  schedulername: my-scheduler
  containers:
    - name: pod-with-second-annotation-container
      image: gcr.io/google_containers/pause:2.1

3. 亲和性

亲和性包括：节点亲和 Pod 亲和性

亲和性简而言之就是，表示我们部署的服务更加趋向于运行那些节点上面，增加了服务的部署可控性。

3.1 节点亲和性

pod.spec.nodeAffinity

• 键值运算关系

# 每个节点都有标识来标识自己
# kubernetes.io/hostname; kubernetes.io/arch
$ kubectl get node --show-labels
NAME          STATUS   ROLES                  AGE    VERSION   LABELS
k8s-node1     Ready    <none>                 3d     v1.19.4   kubernetes.io/arch=amd64,kubernetes.io/hostname=k8s-node1,kubernetes.io/os=linux
k8s-node2     Ready    <none>                 3d     v1.19.4   kubernetes.io/arch=amd64,kubernetes.io/hostname=k8s-node2,kubernetes.io/os=linux
k8s-master    Ready    control-plane,master   5d     v1.19.4   kubernetes.io/arch=amd64,kubernetes.io/hostname=k8s-master,kubernetes.io/os=linux,node-role.kubernetes.io/control-plane=,node-role.kubernetes.io/master=

• 硬策略 - requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: affinity
  labels:
    app: node-affinity-pod
spec:
  containers:
    - name: with-node-affinity
      image: hub.escape.com/library/myapp:v1
  affinity:
    nodeAffinity:
      requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
        nodeSelectorTerms:
          - matchExpressions:
              - key: kubernetes.io/hostname
                operator: NotIn
                values:
                  - k8s-node

• 软策略 - preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: affinity
  labels:
    app: node-affinity-pod
spec:
  containers:
    - name: with-node-affinity
      image: hub.escape.com/library/myapp:v1
  affinity:
    nodeAffinity:
      preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
        - weight: 1
          preference:
            matchExpressions:
              - key: source
                operator: In
                values:
                  - test

• 硬软策略合体

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: affinity
  labels:
    app: node-affinity-pod
spec:
  containers:
    - name: with-node-affinity
      image: hub.escape.com/library/myapp:v1
  affinity:
    nodeAffinity:
      requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
        nodeSelectorTerms:
          - matchExpressions:
              - key: kubernetes.io/hostname
                operator: NotIn
                values:
                  - k8s-node
    nodeAffinity:
      preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
        - weight: 1
          preference:
            matchExpressions:
              - key: source
                operator: In
                values:
                  - test

3.2 Pod 亲和性

pod.spec.affinity.podAffinity/podAntiAffinity

• 硬策略 - requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution
• 软策略 - preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: pod-3
  labels:
    app: pod-3
spec:
  containers:
    - name: pod-3
      image: hub.escape.com/library/myapp:v1
      affinity:
        podAffinity:
          requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
            - labelSelector:
                matchExpressions:
                  - key: app
                    operator: In
                    values:
                      - pod-1
              topologyKey: kubernetes.io/hostname
        podAntiAffinity:
          preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
            - weight: 1
              podAffinityTerm:
                labelSelector:
                  matchExpressions:
                    - key: app
                      operator: In
                      values:
                        - pod-2
                topologyKey: kubernetes.io/hostname

• 亲和性/反亲和性调度策略比较

4. 污点和容忍

节点亲和性，是 pod 的一种属性（偏好或硬性要求），它使 pod 被吸引到一类特定的节点。Taint 则相反，它使节点能够排斥一类特定的 pod。
Taint 和 toleration 相互配合，可以用来避免 pod 被分配到不合适的节点上。每个节点上都可以应用一个或多个 taint，这表示对于那些不能容忍这些 taint 的 pod，是不会被该节点接受的。如果将 toleration 应用于 pod 上，则表示这些 pod 可以（但不要求）被调度到具有匹配 taint 的节点上。

4.1 污点

Taint

• [1] 污点的组成

使用 kubectl taint 命令可以给某个 Node 节点设置污点，Node 被设置上污点之后就和 Pod 之间存在了一种相斥的关系，可以让 Node 拒绝 Pod 的调度执行，甚至将 Node 已经存在的 Pod 驱逐出去。每个污点的组成如下：

key=value:effect

每个污点有一个 key 和 value 作为污点的标签，其中 value 可以为空，effect 描述污点的作用。当前 taint effect 支持如下三个选项：

• NoSchedule
  • 表示 k8s 将不会将 Pod 调度到具有该污点的 Node 上
• PreferNoSchedule
  • 表示 k8s 将尽量避免将 Pod 调度到具有该污点的 Node 上
• NoExecute
  • 表示 k8s 将不会将 Pod 调度到具有该污点的 Node 上，同时会将 Node 上已经存在的 Pod 驱逐出去

# master节点默认自带污点
$ kubectl get node
NAME          STATUS   ROLES                  AGE  VERSION
k8s-node1     Ready    <none>                 3d   v1.20.0
k8s-node2     Ready    <none>                 5d   v1.20.0
k8s-master    Ready    control-plane,master   5d   v1.20.0

# 查看master及诶单的抹点标识
$ kubectl describe node k8s-master
Taints: node-role.kubenetes.io/master:NoSchedule

• [2] 污点的设置、查看和去除

# 设置污点
$ kubectl taint nodes k8s-node1 key1=value1:NoSchedule
$ kubectl taint nodes k8s-node1 type=master:NoExecute

# 节点说明中查找Taints字段
$ kubectl describe pod pod-name

# 去除污点
$ kubectl taint nodes k8s-node1 key1:NoSchedule-

4.2 容忍

Tolerations

设置了污点的 Node 将根据 taint 的 effect：NoSchedule、PreferNoSchedule、NoExecute 和 Pod 之间产生互斥的关系，Pod 将在一定程度上不会被调度到 Node 上。但我们可以在 Pod 上设置容忍，意思是设置了容忍的 Pod 将可以容忍污点的存在，可以被调度到存在污点的 Node 上。

• pod.spec.tolerations
  • 其中 operator 的值为 Exists 将会忽略 value 值
  • 其中 key, value, effect 要与 Node 上设置的 taint 保持一致
  • 其中 tolerationSeconds 用于描述当 Pod 需要被驱逐时可以在 Pod 上继续保留运行的时间

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: pod-3
  labels:
    app: pod-3
spec:
  containers:
    - name: pod-3
      image: hub.escape.com/library/myapp:v1
  tolerations:
    - key: "type"
      operator: "Equal"
      value: "master"
      effect: "NoSchedule"
      tolerationSeconds: 3600
    - key: "type"
      operator: "Equal"
      value: "master"
      effect: "NoExecute"
    - key: "type"
      operator: "Exists"
      effect: "NoSchedule"

• [1] 当不指定 key 值时，表示容忍所有的污点 key

tolerations:
  operator: "Exists"

• [2] 当不指定 effect 值时，表示容忍所有的污点作用

tolerations:
  - key: "key"
    operator: "Exists"

• [3] 有多个 Master 存在时，防止资源浪费，可以如下设置

# 尽可能不在Master节点运行
$ kubectl taint nodes Node-Name node-role.kubernetes.io/master=:PreferNoSchedule

5. 指定调度节点

• Pod.spec.nodeName
  • 将 Pod 直接调度到指定的 Node 节点上，会跳过 Scheduler 的调度策略，该匹配规则是强制匹配。

apiVersion: extensions/v1beta1
kind: Deployment
metadata:
  name: myweb
spec:
  replicas: 7
  template:
    metadata:
      labels:
        app: myweb
    spec:
      nodeName: k8s-node1
      containers:
        - name: myweb
          image: hub.escape.com/library/myapp:v1
          ports:
            - containerPort: 80

• 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。

apiVersion: extensions/v1beta1
kind: Deployment
metadata:
  name: myweb
spec:
  replicas: 2
  template:
    metadata:
      labels:
        app: myweb
    spec:
    nodeSelector:
      type: BackendNode
    containers:
      - name: myweb
        image: hub.escape.com/library/myapp:v1
        ports:
          - containerPort: 80