K8s pod 调度策略

K8s pod 调度策略

一.通过node标签调度

1.给node节点打上标签

dockerfile 复制代码
 # 添加标签
 kubectl label nodes node01 zone=sh
 # 删除标签
 kubectl label nodes node01 zone=sh-
 #查看标签
 kubectl label nodes --show-labels

2.通过nodeSelectro 调度pod

  • nodeSelectro为硬限制,必须要满足的条件有:指定标签和值。
dockerfile 复制代码
apiVersion: v1
kind :Pod
metadata:
  name: nginx
  labels:
    env: test
spec:
  containers:
  - name: nginx
    image: nginx
    imagePullPolicy: IfNotPresent
  nodeSelector:  # 硬限制
    disktype: ssd  # 只会把pod调度到node标签为disktype=ssd的节点上    

二.Node 间亲和性(Affinity)调度

  • Affinity [əˈfɪnəti]/anti-affinity node 相对于nodeSelector机制更加的灵活和丰富
    • 表达的语法:支持In,NotIn,Exists,DoesNotExist,Gt,Lt.匹配标签的方式
    • 支持soft(preference)和hard(requirement),
      • hard表示pod sheduler到某个node上时必须满足的亲和性设置.
      • soft表示scheduler的时候,当无法满足节点的时候,会选择非 nodeSelector 匹配的节点.
      • requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution 硬亲和性 必须满足亲和性
      • preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution 软亲和性 能满足最好,不满足也没关系。
    • nodeAffinity 的基础上添加多个 nodeSelectorTerms 字段,调度的时候 Node 只需要 nodeSelectorTerms 中的某一个符合条件就符合 nodeAffinity 的规则.在nodeSelectorTerms 中添加 matchExpressions,需要可以调度的Node是满足 matchExpressions 中表示的所有规则.
  • 需要注意的是preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution和requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution名字中后半段字符串IgnoredDuringExecution表示的是,在Pod资源基于节点亲和性规则调度到某个节点之后,如果节点的标签发生了改变,调度器不会将Pod对象从该节点上移除,因为该规则仅对新建的Pod对象有效。

1.硬亲和性

  • 硬亲和性是强制性的规则,Pod调度时必须满足的规则。
  • 如果存在满足硬亲和性规则的节点,Pod将被调度至该节点;否则,Pod将无法正常调度,处于Pending状态。
dockerfile 复制代码
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name:pod-node
    labels:
    app: myapp
    tier: frontend
spec:
  containers:
  - name: myapp
    image: ikubernetes/myapp:v1
  affinity:   # 亲和性
    nodeAffinity: # 节点亲和性设置
      requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:   # 硬亲和条件
        nodeSelectorTerms:      # 使用node硬限制条件标签        
        - matchExpressions:     # 一个或多个匹配规则 用于筛选节点。
          - key: zone           # 匹配的lable键
            operator: In        # 匹配逻辑
            values:             # 匹配标签的值
            - foo
            - bar

# 在启动这个pod时需要给node加上指定的标签
[root@master01 ~]# kubectl label node node01 zone=foo

2.软亲和性

  • 软亲和性允许Pod对象定义针对一组可以调度于其上的节点的偏好,调度器会尽量满足此需求,但在无法满足调度需求时,它会退而求其次地选择一个不匹配规则的节点。
  • 优化Pod的调度,以便将Pod调度到满足特定条件的节点上,从而实现更高效的资源利用、提高容错性和性能等方面的需求。
dockerfile 复制代码
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: pod-node2
  labels:
    app: myapp
    tier: frontend
spec:
  containers:
  - name: myapp
    image: ikubernetes/myapp:v1
  affinity: # 亲和性
    nodeAffinity:  # 节点亲和性设置
      preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution: # 软亲和条件
      - preference: # 每个偏好项
          matchExpressions: # 一个或多个匹配规则 用于筛选节点
          - key: zone  
            operator: In  
            values:
            - foo
            - bar
        weight: 60  # 权重值 范围1-100 数字越高优先级越高
      - preference:
          matchExpressions:
          - key: zone1
            operator: In
            values:
            - foo1
            - bar1
        weight: 10 

3.软硬亲和性同时存在

  • 当软硬亲和性同时存在时,硬亲和性具有更高的优先级。调度器会首先检查硬亲和性规则,如果找到满足条件的节点,则将该Pod调度到该节点上。
  • 如果找不到满足硬亲和性规则的节点,Pod将处于Pending状态,直到找到满足条件的节点或超时。
dockerfile 复制代码
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: with-node
spec:
  containers:
  - name: with-node-affinity
    image: nginx
  affinity: 
    nodeAffinity:  
      requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution: 
        nodeSelectorTerms: 
        - matchExpressions:
          - key: zone
            operator: In
            values:
            - dev
      preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
      - weight: 1
        preference:
          matchExpressions:
          - key: disktype
            operator: In
            values:
            - ssd

三.Pod 间的亲和性和反亲和性(Affinity/AntiAffinity)调度

基于已经运行在 Node 上 pod 的 labels 来决定需要新创建的Pods是否可以调度到node节点上,配置的时候可以指定那个namespace中的pod需要满足pod的亲和性.可以通过 topologyKey 来指定 topology domain, 可以指定为 node/cloud provider zone 的范围.

  • 表达的语法:支持In, NotIn, Exists, DoesNotExist

  • Pod的亲和性和反亲和性可以分成

    • requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution  # 硬要求
    • preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution #软要求
  • labelSelector : 选择跟那组Pod亲和

  • namespaces : 选择哪个命名空间

  • topologyKey : 指定节点上的哪个键,可以设置成如下几种类型(节点标签) 1、标签是不是存在(硬性),2、节点key的值相同的情况下只启动一个 , 应用场景 ,高可用 上海,北京, 广州 zone=beijing 多个node1-10 zone=shanghai 多个node11-20 zone=guangzhou 多个node21-30 rediis 3个节点 夸区高可用部署

1.pod亲和性

  • Pod反亲和性场景,当应用服务A和数据库服务B要求尽量不要在同一台节点上的时候。
dockerfile 复制代码
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: pod-first
  labels:
    app: myapp
    tier: frontend
spec:
  containers:
  - name: myapp
    image: ikubernetes/myapp:v1
---
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: pod-second
  labels:
    app: db
    tier: db
spec:
  containers:
  - name: busybox
    image: busybox
    imagePullPolicy: IfNotPresent
    command: ["sh","-c","sleep 3600"]
  affinity:
    podAffinity:  # 亲和性调度策略
      requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
      - labelSelector:
          matchExpressions:
          - {key: app, operator: In, values: ["myapp","app"]}
        topologyKey: kubernetes.io/hostname
        
# 运行会发现这两个pod在同一个节点上。
NAME         READY   STATUS    RESTARTS   AGE   IP              NODE     NOMINATED NODE   READINESS GATES
pod-first    1/1     Running   0          11s   10.233.113.44   node02   <none>           <none>
pod-second   1/1     Running   0          6s    10.233.113.45   node02   <none>           <none>

2.pod反亲和性

  • Pod反亲和性场景,当应用服务A和数据库服务B要求尽量不要在同一台节点上的时候。
dockerfile 复制代码
apiVersion: v1  
kind: Pod  
metadata:  
  name: pod-first-web  
  labels:  
    app: web  
spec:  
  containers:  
  - name: myapp  
    image: ikubernetes/myapp:v1  
  
---  
apiVersion: v1  
kind: Pod  
metadata:  
  name: pod-second  
  labels:  
    app: backend  
    tier: db  
spec:  
  containers:  
  - name: busybox  
    image: busybox:latest  
    imagePullPolicy: IfNotPresent  
    command: ["sh","-c","sleep 3600"]  
  affinity:  
    podAntiAffinity:  # 反亲和性调度策略
      requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:  
      - labelSelector:  
          matchExpressions:  
          - {key: app, operator: In, values: ["myapp", "web", "mysql"]}  
        topologyKey: kubernetes.io/hostname
        
# 运行会发现这两个pod不在同一个节点上
NAME            READY   STATUS    RESTARTS   AGE   IP              NODE     NOMINATED NODE   READINESS GATES
pod-first-web   1/1     Running   0          31s   10.233.82.52    node01   <none>           <none>
pod-second      1/1     Running   0          8s    10.233.113.48   node02   <none>           <none>

3.pod亲和性和反亲和性

dockerfile 复制代码
# 给node01 和node02 打上标签
[root@master01 ~]# kubectl label node node01 zone=test1
node/node01 labeled
[root@master01 ~]# kubectl label node node02 zone=test
node/node02 labeled
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: pod-test1
  labels:
    security: S1
spec:
  containers:
  - name: myapp
    image: ikubernetes/myapp:v1
  nodeSelector:
    zone: test1
---
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: pod-test2
  labels:
    security: S1
spec:
  containers:
  - name: myapp
    image: ikubernetes/myapp:v1
  nodeSelector:
    zone: test
---
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: pod-test3
  labels:
    security: S2
spec:
  containers:
  - name: myapp
    image: ikubernetes/myapp:v1
  nodeSelector:
    zone: test    
---
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: pod-first
  labels:
    security: S2
    tier: frontend2
spec:
  containers:
  - name: myapp
    image: ikubernetes/myapp:v1    
  nodeSelector:
    zone: test1
---
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: with-pod-affinity
spec:
  affinity:
    podAffinity:
      requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
      - labelSelector:
          matchExpressions:
          - key: security
            operator: In
            values:
            - S1
        topologyKey: kubernetes.io/hostname
    podAntiAffinity:
      preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
      - weight: 100
        podAffinityTerm:
          labelSelector:
            matchExpressions:
            - key: security
              operator: In
              values:
              - S2
          topologyKey: kubernetes.io/hostname   # 在反亲和性的条件下做判断,区分不同拓扑域,每个拓扑域做反亲和
  containers:
  - name: with-pod-affinity
    image: nginx


# 例子中指定了pod的亲和性和反亲和性,指定的规则是pod将会调度到的node尽量会满足如下条件:
NAME                READY   STATUS    RESTARTS   AGE   IP              NODE     NOMINATED NODE   READINESS GATES
pod-first           1/1     Running   0          7s    10.233.82.58    node01   <none>           <none>
pod-test1           1/1     Running   0          7s    10.233.82.57    node01   <none>           <none>
pod-test2           1/1     Running   0          7s    10.233.113.53   node02   <none>           <none>
pod-test3           1/1     Running   0          7s    10.233.113.54   node02   <none>           <none>
with-pod-affinity   1/1     Running   0          7s    10.233.113.55   node02   <none>           <none>

1)、podAffinity 亲和性要求满足

2)、podAntiAffinity 反亲和性要求满足

  • 不会调度 pod 到运行包含有 security=S2 的 pod 的 node上.
  • 如果这里将topologyKey= kubernetes.io/hostname,那么 pod 将不会调度到 node
  • 满足的条件是:node上具有 kubernetes.io/hostname 相同的 value,并且这些相同 zone下的 node 上运行有 security=S2 的 pod

3)、对于topologyKey字段具有如下约束 第一步 要配置有key (节点标签名), 第二步这个标签相同值的节点只能启动一个pod zone=cd

  • topologyKey 定义pod亲和性调度和反亲和性调度中需要各个相关的pod对象是否运行于"同一位置",指定"同一位置" 是通过 topologyKey 来定义的,topologyKey 对应的值是 node 上的一个标签名称
  • 如果topologyKey指定区域已经在运行一个或多个满足LabelSelector规则的Pod,则该Pod应该(或者在非亲和性的情况下不应该)在 topologyKey 中运行
  • 对于亲和性和 反亲和性 requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution (硬亲和),topologyKey 不能为空。
  • 对于 反亲和 性 requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution(硬亲和) ,引入 LimitPodHardAntiAffinityTopology 准入控制器来限制 topologyKey 只能是 kubernetes.io/hostname。如果要使用自定义拓扑域,则需要修改准入控制器,或者直接禁用它。
  • 对于反亲和性 preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution (软亲和),空的 topologyKey 表示所有拓扑域,没有限制。
  • topologyKey 除上述情况外,可以是 node 任何合法的标签 key。规则中可以指定匹配pod所在namespace,如果定义了但是为空,它表示所有namespace范围内的pod.
  • 所有关联requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution(硬亲和)的matchExpressions全都满足之后,系统才能将pod调度到某个node上。

4.topologKey 调度

需求:当前有两个机房( beijing,shanghai),需要部署一个nginx产品,副本为两个,为了保证机房容灾高可用场景,需要在两个机房分别部署一个服务器

dockerfile 复制代码
# 给node分别打上beijing 和shanghai的标签
[root@master01 ~]# kubectl label node node01 zone=beijing
node/node01 labeled
[root@master01 ~]# kubectl label node node02 zone=shanghai
node/node02 labeled


apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: nginx-affinity-test
spec:
  replicas: 2
  selector:
    matchLabels:
      service: nginx
  template:
    metadata:
      name: nginx
      labels:
        service: nginx
    spec:
      affinity:
        podAntiAffinity: # 反亲和
          requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution: # 硬亲和标签
          - labelSelector:
              matchExpressions:
              - key: service
                operator: In
                values:
                - nginx
            topologyKey: zone    # 在反亲和性的条件定义为zone键下做判断,区分不同拓扑域,每个拓扑域做反亲和
      containers:
      - name: nginx
        image: busybox:latest
        command: ["sh","-c","sleep 3600"]
        
# 两个node上分别有zone标签,来标注自己属于哪个机房,topologyKey定义为zone,pod所以在调度的时候,会根据node上zone标签来区分拓扑域,当前用的上 反亲和性调度 根据拓扑纬度调度,beijing机房调度完一个pod后,然后控制器判断beijing 拓扑域已经有server=nginx标签的pod,就在下一个拓扑域的node上调度了
        
# 可以看到俩个pod通过toplogyKey匹配到了不同的node下
NAME                                   READY   STATUS    RESTARTS   AGE   IP              NODE     NOMINATED NODE   READINESS GATES
nginx-affinity-test-6d68d588cd-27xnj   1/1     Running   0          8s    10.233.82.59    node01   <none>           <none>
nginx-affinity-test-6d68d588cd-qkfj4   1/1     Running   0          8s    10.233.113.56   node02   <none>           <none>

四.Pod亲和性调度常用场景

1.pod反亲和性调度

创建了一个Deployment,副本数为3,指定了反亲和规则如上所示,pod的label为app:store,那么pod调度的时候将不会调度到node上已经运行了label为app:store的pod了,这样就会使得Deployment的三副本分别部署在不同的host的node上

dockerfile 复制代码
apiVersion: apps/v1 
kind: Deployment
metadata:
  name: redis-cache
spec:
  replicas: 3    # 必须有对应的节点数(master不能创建pod)
  selector:
    matchLabels:
      app: store
  template:
    metadata:
      labels:
        app: store
    spec:
      affinity:
        podAntiAffinity:
          requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
          - labelSelector:
              matchExpressions:
              - key: app
                operator: In
                values:
                - store
            topologyKey: "kubernetes.io/hostname"
      containers:
      - name: redis-server
        image: redis:3.2-alpine
# 每个节点保证有一个pod 必须满足这个 pod 有 app = store 这样的标签,如果存在这样的 pod 就不满足要求

2.pod亲和性调度

在一个例子中基础之上,要求pod的亲和性满足 requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution 中topologyKey="kubernetes.io/hostname",并且 node上需要运行有 app=store 的label.

dockerfile 复制代码
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: web-server
spec:
  replicas: 4   #必须有对应的节点数(master不能创建pod)
  selector:
    matchLabels:
      app: web-store
  template:
    metadata:
      labels:
        app: web-store
    spec:
      affinity:
        podAntiAffinity: # 反亲和性
          requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution: # 硬亲和
          - labelSelector:
              matchExpressions:
              - key: app 
                operator: In
                values:
                - web-store
            topologyKey: "kubernetes.io/hostname"
        podAffinity: # 亲和性
          requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
          - labelSelector:
              matchExpressions:
              - key: app
                operator: In
                values:
                - store
            topologyKey: "kubernetes.io/hostname"
      containers:
      - name: web-app
        image: nginx:1.12-alpine

3.pod亲和性调度

在一些应用中,pod副本之间需要共享cache,需要将pod运行在一个节点之上

dockerfile 复制代码
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: web-server
spec:
  replicas: 3
  template:
    metadata:
      labels:
        app: web-store
    spec:
      affinity:
        podAffinity: # 亲和性
          requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
          - labelSelector:
              matchExpressions:
              - key: app
                operator: In
                values:
                - web-store
            topologyKey: "kubernetes.io/hostname"
      containers:
      - name: web-app
        image: nginx

五.污点容忍调度(Taint和Toleration)

污点(Taints)和污点容忍(Tolerations)是 Kubernetes(k8s)中用于节点调度的另一种重要机制。以下是对污点容忍调度的详细解释:

1、污点(Taints)

污点是定义在节点上的键值型属性数据,用于让节点拒绝将 Pod 调度运行于其上,除非 Pod 有接纳节点污点的容忍度。污点可以使节点能够排斥一类特定的 Pod,避免 Pod 调度到特定节点上。

污点的格式:

dockerfile 复制代码
key=value:effect

key 和 value 是污点的标签。

effect 描述污点的作用,支持以下三个选项:

NoSchedule:Pod 将不会被调度到具有该污点的节点上,但已经正在运行中的 Pod 不受影响。

PreferNoSchedule:Pod 将尽量避免调度到具有该污点的节点上,已经正在运行中的 Pod 不受影响。

NoExecute:Pod 将不会被调度到具有该污点的节点上,同时将节点上已经存在的 Pod 进行驱逐。如果因节点污点变动或 Pod 容忍度变动而不再满足匹配规则,Pod 对象将被驱逐。

# 添加污点:
kubectl taint nodes <node-name> key=value:effect

# 删除污点:
kubectl taint nodes <node-name> key[:effect]-(effect 可以省略)

2、污点容忍(Tolerations)

污点容忍是定义在 Pod 上的键值型属性数据,用于配置 Pod 可容忍的污点。调度器只能将 Pod 调度到该 Pod 能够容忍的污点的节点上。

dockerfile 复制代码
# 污点容忍的格式:
在 Pod 的 spec 字段中定义 tolerations 列表,每个 toleration 都包含 key、operator、value 和 effect 字段。

key:污点的键。

operator:操作符,可以是 Equal(等于)或 Exists(存在)。Equal 表示污点的键和值都必须匹配,Exists 表示只需匹配键即可。

value:污点的值(当 operator 为 Equal 时需要)。

effect:污点的作用效果,必须与节点上的污点效果匹配。

# 使用污点容忍:
如果 Pod 想被调度到具有特定污点的节点上,必须在该 Pod 的定义中添加与该污点匹配的容忍度。

容忍度允许调度但并不保证调度,即使 Pod 具有容忍度,调度器仍然会根据其他调度策略(如亲和性、资源限制等)来决定是否将 Pod 调度到该节点上。

# 应用场景
1. 维护节点:当需要对某个节点进行维护时,可以给该节点添加一个污点,以阻止新的 Pod 被调度到该节点上。同时,可以给需要继续在该节点上运行的 Pod 添加相应的容忍度。
2. 隔离特定工作负载:可以使用污点和容忍度来隔离特定的工作负载,确保它们不会与其他工作负载混合在一起运行。
3. 利用专用硬件:如果集群中有一些节点配备了专用硬件(如 GPU),可以使用污点和容忍度来确保只有特定的 Pod 能够被调度到这些节点上。

3.污点与容忍度匹配规则

  1. 当Pod的容忍度与节点的污点在键、值(当操作符为Equal时)和效应上完全匹配时,Pod可以被调度到该节点上。
  2. 如果Pod的容忍度使用Exists操作符,则只需匹配键和效应,无需匹配值。
  3. Pod可以具有多个容忍度,以匹配节点上的多个污点。

4.操作实例

dockerfile 复制代码
# 为节点添加污点
[root@master01 ~]# kubectl taint nodes node01 special=gpu:NoSchedule
node/node01 tainted
[root@master01 ~]# kubectl taint nodes node02 node-type=dev:NoSchedule
node/node02 tainted
# 查看节点污点命令
[root@master01 ~]# kubectl describe nodes |grep Taint -A 2
Taints:             node-role.kubernetes.io/control-plane:NoSchedule
Unschedulable:      false
Lease:
--
Taints:             special=gpu:NoSchedule
Unschedulable:      false
Lease:
--
Taints:             node-type=dev:NoSchedule
Unschedulable:      false
Lease:

apiVersion: v1  
kind: Pod  
metadata:  
  name: mypod  
spec:  
  containers:  
  - name: nginx 
    image: nginx  
  tolerations:  
  - key: "special"  
    operator: "Equal" 
    value: "gpu"  
    effect: "NoSchedule"

# 可以看到pod匹配到了可以容忍的污点上
NAME    READY   STATUS    RESTARTS   AGE   IP              NODE     NOMINATED NODE   READINESS GATES
mypod   1/1     Running   0          5s    10.233.113.58   node01   <none>           <none>

5.设置容忍时间

  • 污点容忍时间,主要涉及的是当节点被设置了NoExecute类型的污点时,Pod如果没有相应的容忍度,则会被驱逐出该节点。然而,如果Pod具有对应的容忍度,并且容忍度中设置了tolerationSeconds字段,那么Pod在被驱逐前还可以在节点上继续运行一段时间。tolerationSeconds字段指定了Pod在节点上可以继续运行的时间(单位为秒),这相当于给Pod一个宽限期,让其有时间完成必要的清理工作或等待其他操作完成。
dockerfile 复制代码
# 假如有一个节点被设置成NoExecute
kubectl taint nodes node-1 key=value:NoExecute

# 此时,如果一个Pod想要被调度到该节点上,并且希望在被驱逐前有3600秒的宽限期,那么它需要在容忍度中设置如下内容:
tolerations:  
- key: "key"  
  operator: "Equal"  
  value: "value"  
  effect: "NoExecute"  
  tolerationSeconds: 3600
# 这样,当Pod被调度到该节点上时,如果节点出现了NoExecute类型的污点,Pod仍然可以在节点上继续运行3600秒,然后才会被驱逐。
# 污点容忍时间在Kubernetes中主要用于控制Pod在被驱逐前的运行时间,以确保Pod有足够的时间完成必要的操作。通过合理设置tolerationSeconds字段的值,可以满足不同的业务需求。

6.污点驱逐

边我们提到了污点的effect可以设置为 NoExecute,它会影响节点上已经运行的pod,如下所示:

  • 立即将没有配置容忍的pod逐出。
  • 设置容忍但是没有指定 tolerationSeconds 参数的,那么该容忍永久生效。
  • 设置容忍但是有指定 tolerationSeconds 参数的,那么在指定的时间内,容忍有效,超出指定时间后将被剔除。

此外,当某些条件为true时,节点控制器会自动污染节点。也就是k8s的内置污点:

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