Kubernetes 亲和性调度

2023-09-25 15:31:46

一、nodeSelector
二、亲和性和反亲和性调度
三、污点（taints）与容忍（tolerations）

一般情况下我们部署的 Pod 是通过集群的自动调度策略来选择节点的，默认情况下调度器考虑的是资源足够，并且负载尽量平均，但是有的时候我们需要能够更加细粒度的去控制 Pod 的调度，比如我们内部的一些服务 gitlab 之类的也是跑在Kubernetes集群上的，我们就不希望对外的一些服务和内部的服务跑在同一个节点上了，害怕内部服务对外部的服务产生影响；但是有的时候我们的服务之间交流比较频繁，又希望能够将这两个服务的 Pod 调度到同一个的节点上。这就需要用到 Kubernetes 里面的一个概念：亲和性和反亲和性。

亲和性有分成节点亲和性(nodeAffinity)和 Pod 亲和性(podAffinity)。

一、nodeSelector

在了解亲和性之前，我们先来了解一个非常常用的调度方式：nodeSelector。我们知道label是kubernetes中一个非常重要的概念，用户可以非常灵活的利用 label 来管理集群中的资源，比如最常见的一个就是 service 通过匹配 label 去匹配 Pod 资源，而 Pod 的调度也可以根据节点的 label 来进行调度。

我们可以通过下面的命令查看我们的 node 的 label：

$ kubectl get nodes --show-labels

现在我们先给节点k8s-node01增加一个com=youdianzhishi的标签，命令如下：

$ kubectl label node k8s-node01 com=youdianzhishi

我们可以通过上面的--show-labels参数可以查看上述标签是否生效。当 node 被打上了相关标签后，在调度的时候就可以使用这些标签了，只需要在 Pod 的spec字段中添加nodeSelector字段，里面是我们需要被调度的节点的 label 即可。比如，下面的 Pod 我们要强制调度到 k8s-node01 这个节点上去，我们就可以使用 nodeSelector 来表示了：

node-selector-demo.yaml

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: busybox-pod
  labels:
    app: busybox-pod
spec:
  containers:
  - command:
    - sleep
    - "3600"
    name: test-busybox
    image: busybox
    imagePullPolicy: Always
  nodeSelector:
    com: youdianzhishi

然后我们可以通过 describe 命令查看调度结果：

$ kubectl apply -f node-selector-demo.yaml 
$ kubectl describe pod busybox-pod 
Name:         busybox-pod
Namespace:    default
Priority:     0
Node:         k8s-node01/192.168.99.182
......
QoS Class:       BestEffort
Node-Selectors:  com=youdianzhishi
Tolerations:     node.kubernetes.io/not-ready:NoExecute for 300s
                 node.kubernetes.io/unreachable:NoExecute for 300s
Events:
  Type    Reason     Age   From               Message
  ----    ------     ----  ----               -------
  Normal  Scheduled  38s   default-scheduler  Successfully assigned default/busybox-pod to k8s-node01
  Normal  Pulling    37s   kubelet            Pulling image "busybox"
  Normal  Pulled     21s   kubelet            Successfully pulled image "busybox"
  Normal  Created    21s   kubelet            Created container test-busybox
  Normal  Started    21s   kubelet            Started container test-busybox

我们可以看到 Events 下面的信息，我们的 Pod 通过默认的 default-scheduler 调度器被绑定到了k8s-node01节点。不过需要注意的是nodeSelector属于强制性的，如果我们的目标节点没有可用的资源，我们的 Pod 就会一直处于 Pending 状态，这就是nodeSelector的用法。

通过上面的例子我们可以感受到nodeSelector的方式比较直观，但是还够灵活，控制粒度偏大，接下来我们再和大家了解下更加灵活的方式：节点亲和性(nodeAffinity)。

二、亲和性和反亲和性调度

我们了解了 kubernetes 调度器的一个调度流程，我们知道默认的调度器在使用的时候，经过了 predicates 和 priorities 两个阶段，但是在实际的生产环境中，往往我们需要根据自己的一些实际需求来控制 pod 的调度，这就需要用到 nodeAffinity(节点亲和性)、podAffinity(pod 亲和性) 以及 podAntiAffinity(pod 反亲和性)。

亲和性调度可以分成软策略和硬策略两种方式:

软策略就是如果你没有满足调度要求的节点的话，pod 就会忽略这条规则，继续完成调度过程，说白了就是满足条件最好了，没有的话也无所谓了的策略
硬策略就比较强硬了，如果没有满足条件的节点的话，就不断重试直到满足条件为止，简单说就是你必须满足我的要求，不然我就不干的策略。

对于亲和性和反亲和性都有这两种规则可以设置： preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution和requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution，前面的就是软策略，后面的就是硬策略。

这命名不觉得有点反人类吗？有点无语......

2.1 nodeAffinity

节点亲和性主要是用来控制 pod 要部署在哪些主机上，以及不能部署在哪些主机上的。它可以进行一些简单的逻辑组合了，不只是简单的相等匹配。

比如现在我们用一个 Deployment 来管理3个 pod 副本，现在我们来控制下这些 pod 的调度，如下例子：

node-affinity-demo.yaml

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: affinity
  labels:
    app: affinity
spec:
  replicas: 3
  revisionHistoryLimit: 15
  selector:
    matchLabels:
      app: affinity
      role: test
  template:
    metadata:
      labels:
        app: affinity
        role: test
    spec:
      containers:
      - name: nginx
        image: nginx:1.7.9
        ports:
        - containerPort: 80
          name: nginxweb
      affinity:
        nodeAffinity:
          requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:  # 硬策略
            nodeSelectorTerms:
            - matchExpressions:
              - key: kubernetes.io/hostname
                operator: NotIn
                values:
                - k8s-master
          preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:  # 软策略
          - weight: 1
            preference:
              matchExpressions:
              - key: com
                operator: In
                values:
                - youdianzhishi

上面这个 pod 首先是要求不能运行在 k8s-master这个节点上，如果有个节点满足com=youdianzhishi的话就优先调度到这个节点上。

从结果可以看出 pod 都被部署到了 k8s-node01，其他节点上没有部署 pod，这里的匹配逻辑是 label 的值在某个列表中，现在Kubernetes提供的操作符有下面的几种：

In：label 的值在某个列表中
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下面有多个选项的话，满足任何一个条件就可以了；

如果matchExpressions有多个选项的话，则必须同时满足这些条件才能正常调度 POD。

2.2 podAffinity

pod 亲和性主要解决 pod 可以和哪些 pod 部署在同一个拓扑域中的问题（其中拓扑域用主机标签实现，可以是单个主机，也可以是多个主机组成的 cluster、zone 等等），而 pod 反亲和性主要是解决 pod 不能和哪些 pod 部署在同一个拓扑域中的问题，它们都是处理的 pod 与 pod 之间的关系，比如一个 pod 在一个节点上了，那么我这个也得在这个节点，或者你这个 pod 在节点上了，那么我就不想和你待在同一个节点上。

由于我们这里只有一个集群，并没有区域或者机房的概念，所以我们这里直接使用主机名来作为拓扑域，把 pod 创建在同一个主机上面。

同样，还是针对上面的资源对象，我们来测试下 pod 的亲和性：

pod-affinity-demo.yaml

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: affinity
  labels:
    app: affinity
spec:
  replicas: 3
  revisionHistoryLimit: 15
  selector:
    matchLabels:
      app: affinity
      role: test
  template:
    metadata:
      labels:
        app: affinity
        role: test
    spec:
      containers:
      - name: nginx
        image: nginx:1.7.9
        ports:
        - containerPort: 80
          name: nginxweb
      affinity:
        podAffinity:
          requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:  # 硬策略
          - labelSelector:
              matchExpressions:
              - key: app
                operator: In
                values:
                - busybox-pod
            topologyKey: kubernetes.io/hostname

上面这个例子中的 pod 需要调度到某个指定的主机上，至少有一个节点上运行了这样的 pod：这个 pod 有一个app=busybox-pod的 label。

我们查看有标签app=busybox-pod的 pod 列表：

$ kubectl get pod -o wide  -l app=busybox-pod
NAME          READY   STATUS    RESTARTS   AGE   IP              NODE         NOMINATED NODE   READINESS GATES
busybox-pod   1/1     Running   1          93m   10.100.85.198   k8s-node01   <none>           <none>

我们看到这个 pod 运行在了 k8s-node01的节点上面，所以按照上面的亲和性来说，上面我们部署的3个 pod 副本也应该运行在 k8s-node01节点上：

$ kubectl get pods -o wide -l app=affinity
NAME                       READY   STATUS    RESTARTS   AGE   IP              NODE         NOMINATED NODE   READINESS GATES
affinity-856865df9-9wxhg   1/1     Running   0          60m   10.100.85.200   k8s-node01   <none>           <none>
affinity-856865df9-llwcv   1/1     Running   0          60m   10.100.85.203   k8s-node01   <none>           <none>
affinity-856865df9-v92hk   1/1     Running   0          60m   10.100.85.201   k8s-node01   <none>           <none>

如果我们把上面的 test-busybox 和 affinity 这个 Deployment 都删除，然后重新创建 affinity 这个资源，看看能不能正常调度呢：

$ kubectl get pod -o wide -l app=affinity
NAME                       READY   STATUS    RESTARTS   AGE   IP       NODE     NOMINATED NODE   READINESS GATES
affinity-856865df9-jw92h   0/1     Pending   0          11s   <none>   <none>   <none>           <none>
affinity-856865df9-qsqt9   0/1     Pending   0          11s   <none>   <none>   <none>           <none>
affinity-856865df9-xxpgl   0/1     Pending   0          11s   <none>   <none>   <none>           <none>

我们可以看到处于Pending状态了，这是因为现在没有一个节点上面拥有busybox-pod这个 label 的 pod，而上面我们的调度使用的是硬策略，所以就没办法进行调度了，大家可以去尝试下重新将 test-busybox 这个 pod 调度到 k8s-node02这个节点上，看看上面的 affinity 的3个副本会不会也被调度到 k8s-node02这个节点上去？

我们这个地方使用的是kubernetes.io/hostname这个拓扑域，意思就是我们当前调度的 pod 要和目标的 pod 处于同一个主机上面，因为要处于同一个拓扑域下面，为了说明这个问题，我们把拓扑域改成beta.kubernetes.io/os，同样的我们当前调度的 pod 要和目标的 pod 处于同一个拓扑域中，目标的 pod 是不是拥有beta.kubernetes.io/os=linux的标签，而我们这里3个节点都有这样的标签，这也就意味着我们3个节点都在同一个拓扑域中，所以我们这里的 pod 可能会被调度到任何一个节点：

$ kubectl get pod -o wide -l app=affinity
NAME                        READY   STATUS              RESTARTS   AGE   IP              NODE         NOMINATED NODE   READINESS GATES
affinity-7cf8df9d5d-2z8zt   1/1     Running             0          17s   10.100.85.205   k8s-node01   <none>           <none>
affinity-7cf8df9d5d-775s8   1/1     Running             0          17s   <none>          k8s-master   <none>           <none>
affinity-7cf8df9d5d-x5qsg   1/1     Running             0          17s   10.100.58.206   k8s-node02   <none>           <none>

2.3 podAntiAffinity

这就是 pod 亲和性的用法，而 pod 反亲和性则是反着来的，比如一个节点上运行了某个 pod，那么我们的 pod 则希望被调度到其他节点上去，同样我们把上面的 podAffinity 直接改成 podAntiAffinity！

pod-antiaffinity-demo.yaml

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: affinity
  labels:
    app: affinity
spec:
  replicas: 3
  revisionHistoryLimit: 15
  selector:
    matchLabels:
      app: affinity
      role: test
  template:
    metadata:
      labels:
        app: affinity
        role: test
    spec:
      containers:
      - name: nginx
        image: nginx:1.7.9
        ports:
        - containerPort: 80
          name: nginxweb
      affinity:
        podAntiAffinity:
          requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:  # 硬策略
          - labelSelector:
              matchExpressions:
              - key: app
                operator: In
                values:
                - busybox-pod
            topologyKey: kubernetes.io/hostname

这里的意思就是如果一个节点上面有一个app=busybox-pod这样的 pod 的话，那么我们的 pod 就别调度到这个节点上面来，上面我们把app=busybox-pod这个 pod 固定到了 k8s-node02这个节点上面来，所以正常来说我们这里的 pod 不会出现在 k8s-node02节点上：

$ kubectl apply -f pod-antiaffinity-demo.yaml
$ kubectl get pod -o wide
NAME                        READY   STATUS    RESTARTS   AGE     IP               NODE         NOMINATED NODE   READINESS GATES
affinity-6657d8fccf-28b6h   1/1     Running   0          20s     10.100.235.232   k8s-master   <none>           <none>
affinity-6657d8fccf-t9klw   1/1     Running   0          16s     10.100.235.233   k8s-master   <none>           <none>
affinity-6657d8fccf-xqtht   1/1     Running   0          3m46s   10.100.85.204    k8s-node01   <none>           <none>
busybox-pod                 1/1     Running   0          6m55s   10.100.58.207    k8s-node02   <none>           <none>

这就是 pod 反亲和性的用法。

三、污点（taints）与容忍（tolerations）

对于nodeAffinity无论是硬策略还是软策略方式，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 也被标识为可以容忍污点节点，否则该 Taints 节点不会被调度 pod。

比如用户希望把 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，则污点就很有用了，pod 不会再被调度到 taint 标记过的节点。我们使用kubeadm搭建的集群默认就给 master 节点添加了一个污点标记，所以我们看到我们平时的 pod 都没有被调度到 master 上去：

$ kubectl describe node master
Name:               master
Roles:              master
Labels:             beta.kubernetes.io/arch=amd64
                    beta.kubernetes.io/os=linux
                    kubernetes.io/hostname=master
                    node-role.kubernetes.io/master=
......
Taints:             node-role.kubernetes.io/master:NoSchedule
Unschedulable:      false
......

我们可以使用上面的命令查看 master 节点的信息，其中有一条关于 Taints 的信息：node-role.kubernetes.io/master:NoSchedule，就表示给 master 节点打了一个污点的标记，其中影响的参数是NoSchedule，表示 pod 不会被调度到标记为 taints 的节点，除了 NoSchedule 外，还有另外两个选项：

PreferNoSchedule：NoSchedule 的软策略版本，表示尽量不调度到污点节点上去
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

污点 taint 标记节点的命令如下：

$ kubectl taint nodes k8s-node02 test=k8s-node02:NoSchedule
node/k8s-node02 tainted

上面的命名将 k8s-node02节点标记为了污点，影响策略是 NoSchedule，只会影响新的 pod 调度，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，比如现在我们想要将一个 pod 调度到 master 节点：

taint-demo.yaml

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: taint
  labels:
    app: taint
spec:
  replicas: 3
  revisionHistoryLimit: 10
  selector:
    matchLabels:
      app: taint
  template:
    metadata:
      labels:
        app: taint
    spec:
      containers:
      - name: nginx
        image: nginx:1.7.9
        ports:
        - name: http
          containerPort: 80
      tolerations:
      - key: "node-role.kubernetes.io/master"
        operator: "Exists"
        effect: "NoSchedule"

由于 master 节点被标记为了污点节点，所以我们这里要想 pod 能够调度到 master 节点去，就需要增加容忍的声明：

      tolerations:
      - key: "node-role.kubernetes.io/master"
        operator: "Exists"
        effect: "NoSchedule"

然后创建上面的资源，查看结果：

$ kubectl apply -f taint-demo.yaml
$ kubectl get pod -o wide -l app=taint
NAME                     READY   STATUS    RESTARTS   AGE   IP               NODE         NOMINATED NODE   READINESS GATES
taint-5779c44f78-cb67p   1/1     Running   0          18s   10.100.235.237   k8s-master   <none>           <none>
taint-5779c44f78-h2r4q   1/1     Running   0          18s   10.100.235.236   k8s-master   <none>           <none>
taint-5779c44f78-rqlx4   1/1     Running   0          18s   10.100.85.208    k8s-node01   <none>           <none>

我们可以看到有一个 pod 副本被调度到了 master 节点，这就是容忍的使用方法。

对于 tolerations 属性的写法，其中的 key、value、effect 与 Node 的 Taint 设置需保持一致，还有以下几点说明：

1. 如果 operator 的值是 Exists，则 value 属性可省略
1. 如果 operator 的值是 Equal，则表示其 key 与 value 之间的关系是 equal(等于)
1. 如果不指定 operator 属性，则默认值为 Equal

另外，还有两个特殊值：

1. 空的 key 如果再配合 Exists 就能匹配所有的 key 与 value，也是是能容忍所有 node 的所有 Taints
1. 空的 effect 匹配所有的 effect

最后，如果我们要取消节点的污点标记，可以使用下面的命令：

$ kubectl taint nodes k8s-node02 test=k8s-node02:NoSchedule-
node/k8s-node02 untainted

这就是污点和容忍的使用方法。