Kubernetes-14：一文详解Pod、Node调度规则(亲和性、污点、容忍、固定节点)
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
一、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
1、节点亲和性
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
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
[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 <none> 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 / Pending 4s [root@Centos8 scheduler]# kubectl describe pod affinity-required
default-scheduler / nodes are available: 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 / Running 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.
imagePullPolicy: IfNotPresent
affinity:
nodeAffinity:
preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
- weight: #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:
- testcentos7 #node真实名称
## 更想落在node节点名称为testcentos7的node中
[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 / Running 9s 10.244.3.220 testcentos7
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: #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
[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，但没有，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 / Running 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:
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
2、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
先创建一个测试Pod
vim pod.yaml
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
name: pod-
labels:
app: nginx
type: web
spec:
containers:
- name: pod-
image: nginx:1.2.
imagePullPolicy: IfNotPresent
ports:
- name: web
containerPort:
[root@Centos8 scheduler]# kubectl create -f pod.yaml
pod/pod- created [root@Centos8 scheduler]# kubectl get pod --show-labels
NAME READY STATUS RESTARTS AGE LABELS
pod- / Running 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-
spec:
containers:
- name: with-pod-required
image: nginx:1.2.
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：此必须要和有label种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 / Running 43s 10.244.3.224 testcentos7
pod- / Running 10m 10.244.3.223 testcentos7 # 和此标签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-
spec:
containers:
- name: with-pod-required
image: nginx:1.2.
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 / Running 9m40s
pod- / Running 19m
required-pod2 / Pending 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-
spec:
containers:
- name: with-pod-prefered
image: nginx:v1
imagePullPolicy: IfNotPresent
affinity:
podAntiAffinity: #不在同一个域下
preferedDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
- weight:
podAffinityTerm:
labelSelector:
matchExpressions:
- key: app
operator: In
values:
- pod-
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：
| 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,DoesNotExists,Gt,Lt | 否 | 指定主机 |
| podAffinity | Pod | In,NotIn,Exists,DoesNotExists,Gt,Lt | 是 | pod与指定pod在一拓扑域 |
| podAnitAffinity | Pod | In,NotIn,Exists,DoesNotExists,Gt,Lt | 是 | pod与指定pod不在一拓扑域 |
二、污点(Taint)和容忍(Toleration)
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与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两个taint，这表示对那些不能容忍这些taint和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
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
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，甚至将已经存在得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 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上已有的Pod驱逐出去
（2）污点的设置、查看和去除
k8s的master节点本身就带有污点，这也是为什么k8s在调度Pod时，不会调度到master节点的原因，具体查看如下：
[root@Centos8 scheduler]# kubectl describe node centos8
Taints: node-role.kubernetes.io/master:NoSchedule
## 设置污点
kubectl taint nodes [node name] key1=value:NoSchedule ## 节点说明中，查看Taint字段
kubectl describe node [node name] ## 去除污点
kubectl taint nodes [node name] key1:NoSchedule-
测试效果：
## 查看当前节点所拥有Pod，都在testcentos7中
[root@Centos8 scheduler]# kubectl get pod -o wide
NAME READY STATUS RESTARTS AGE IP NODE
affinity-required / Running 68m 10.244.3.224 testcentos7
pod- / Running 78m 10.244.3.223 testcentos7
required-pod2 / Pending 59m <none> <none> ## 给testcentos7设置NoExecute污点
[root@Centos8 scheduler]# kubectl taint nodes testcentos7 check=vfan:NoExecute
node/testcentos7 tainted ## 查看Pod有没被驱逐出去
[root@Centos8 scheduler]# kubectl get pod
NAME READY STATUS RESTARTS AGE
required-pod2 / Pending 62m ## 只剩一个Pending状态的Pod，因为他还没创建，所以还未分配Node
查看 testcentos7 节点信息
[root@Centos8 scheduler]# kubectl describe node testcentos7
Taints: check=vfan:NoExecute
目前所有的节点都被打上了污点，新建Pod测试下效果：
[root@Centos8 scheduler]# kubectl create -f pod.yaml
pod/pod- created [root@Centos8 scheduler]# kubectl get pod
NAME READY STATUS RESTARTS AGE
pod- / Pending 4s
required-pod2 / Pending 7h18m
新建的Pod会一直处于Pending状态，因为没有可用的Node节点，这时候就可以使用容忍(Toleration)了
2、容忍(Toleration)
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(Toleration)，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
tolerations:
- key: "key1"
operator: "Equal"
value: "value1"
effect: "NoSchedule"
tolerationSeconds:
- key: "key1"
operator: "Equal"
value: "value1"
effect: "NoExecute"
- key: "key2"
operator: "Exists"
effect: "NoSchedule"
- 其中 key、value、effect 要与Node中的 taint 保持一致
- operator 的值为 Exists 将会忽略 value 的值
- tolerationSeconds 用于描述当Pod需要驱逐时可以在Node上继续保留运行的时间
（1）当不指定key时，表示容忍所有污点的key：
tolerations：
- operator: "Exists"
例如：
vim pod3.yaml
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
name: pod-
labels:
app: nginx
type: web
spec:
containers:
- name: pod-
image: nginx:1.2.
imagePullPolicy: IfNotPresent
ports:
- name: web
containerPort:
tolerations:
- operator: "Exists"
effect: "NoSchedule"
[root@Centos8 scheduler]# kubectl create -f pod3.yaml
pod/pod- created [root@Centos8 scheduler]# kubectl get pod -o wide
NAME READY STATUS RESTARTS AGE IP NODE NOMINATED NODE READINESS GATES
pod- / Pending 14m <none> <none>
pod- / Running 11m 10.244.3.229 testcentos7
pod- / Running 9s 10.244.0.107 centos8
yaml策略为：可以容忍所有为NoSchedule的污点，因为centos8为master节点，污点默认为NoSchedule，所以Pod-3被调度到master节点
（2）当不指定 offect 值时，表示容忍所有的污点类型
tolerations:
- key: "key1"
value: "value1"
operator: "Exists"
（3）Pod容忍测试用例：
vim pod2.yaml
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
name: pod-
labels:
app: nginx
type: web
spec:
containers:
- name: pod-
image: nginx:1.2.
imagePullPolicy: IfNotPresent
ports:
- name: web
containerPort:
tolerations:
- key: "check"
operator: "Equal"
value: "vfan"
effect: "NoExecute"
[root@Centos8 scheduler]# kubectl create -f pod2.yaml
pod/pod- created [root@Centos8 scheduler]# kubectl get pod
NAME READY STATUS RESTARTS AGE
pod- / Pending 3m25s
pod- / Running 4s
设置容忍的Pod，可以正常调度到Node节点，而没有设置容忍的，还一直处于Pending状态
最后将Node污点去除：
kubectl taint nodes testcentos7 check=vfan:NoExecute-
去除node污点仅需在创建命令的最后加一个 - 即可
三、指定调度节点
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
1、Pod.spec.nodeName 将 Pod 直接调度到指定的 Node 节点上，会跳过 Schedule 的调度策略，该匹配规则是强制匹配
vim nodeName1.yaml
apiVersion: extensions/v1beta1
kind: Deployment
metadata:
name: nodename-
labels:
app: web
spec:
replicas:
template:
metadata:
labels:
app: web
spec:
nodeName: testcentos7
containers:
- name: nodename-
image: nginx:1.2.
imagePullPolicy: IfNotPresent
ports:
- containerPort:
[root@Centos8 scheduler]# kubectl apply -f nodeName1.yaml
deployment.extensions/nodename- created [root@Centos8 scheduler]# kubectl get pod -o wide
NAME READY STATUS RESTARTS AGE IP NODE
nodename--7f4c7db4d4-hdcjv / Running 92s 10.244.3.240 testcentos7
nodename--7f4c7db4d4-xxrj8 / Running 93s 10.244.3.238 testcentos7
nodename--7f4c7db4d4-zkt2c / Running 92s 10.244.3.239 testcentos7
以上策略表示，所有Deployment所有的副本，均要调度到testcentos7节点上
为了对比效果，修改yaml文件中Node节点为centos8
nodeName: centos8
再次创建测试
[root@Centos8 scheduler]# kubectl delete -f nodeName1.yaml [root@Centos8 scheduler]# kubectl apply -f nodeName1.yaml
deployment.extensions/nodename- created NAME READY STATUS RESTARTS AGE IP NODE
nodename--7d49bd7849-ct9w5 / Running 2m2s 10.244.0.112 centos8
nodename--7d49bd7849-qk9mm / Running 2m2s 10.244.0.113 centos8
nodename--7d49bd7849-zdphd / Running 2m2s 10.244.0.111 centos8
全部落在了centos8节点中
2、Pod.spec.nodeSelector：通过 kubernetes 的 label-selector 机制选择节点，由调度策略匹配 label，而后调度 Pod 到目标节点，该匹配规则属于强制约束
vim nodeSelect1.yaml
apiVersion: extensions/v1beta1
kind: Deployment
metadata:
name: node-
labels:
app: web
spec:
replicas:
template:
metadata:
labels:
app: myweb
spec:
nodeSelector:
type: ssd # Node包含的标签
containers:
- name: myweb
image: nginx:1.2.
ports:
- containerPort:
[root@Centos8 scheduler]# kubectl apply -f nodeSelect1.yaml
deployment.extensions/node- created [root@Centos8 scheduler]# kubectl get pod
NAME READY STATUS RESTARTS AGE
node--684b6cc685-9lzbn / Pending 3s
node--684b6cc685-lwzrm / Pending 3s
node--684b6cc685-qlgjq / Pending 3s [root@Centos8 scheduler]# kubectl get node --show-labels
NAME STATUS ROLES AGE VERSION LABELS
centos8 Ready master 135d 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 <none> 134d 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
以上策略表示：将Deployment的三个副本全部调度到标签为type:ssd的Node节点上，因为没有Node节点有此标签，所以一直处于Pending状态
下面我们将testcentos7节点打上标签type:ssd
[root@Centos8 scheduler]# kubectl label node testcentos7 type=ssd
node/testcentos7 labeled [root@Centos8 scheduler]# kubectl get pod
NAME READY STATUS RESTARTS AGE
node--684b6cc685-9lzbn / Running 4m30s
node--684b6cc685-lwzrm / Running 4m30s
node--684b6cc685-qlgjq / Running 4m30s
打上标签后，Pod恢复Running状态
文中有不足之处欢迎指出，不胜感激！
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