Pod的调度 - 技术栈

在默认情况下，一个Pod在哪个Node节点上运行，是由Scheduler组件采用相应的算法计算出来的，这个过程是不受人工控制的。但是在实际使用中，这并不满足的需求，因为很多情况下，我们想控制某些Pod到达某些节点上，那么应该怎么做呢？这就要求了解kubernetes对Pod的调度规则，kubernetes提供了四大类调度方式：

自动调度：运行在哪个节点上完全由Scheduler经过一系列的算法计算得出
定向调度：NodeName、NodeSelector
亲和性调度：NodeAffinity、PodAffinity、PodAntiAffinity
污点（容忍）调度：Taints、Toleration

定向调度

定向调度，指的是利用在pod上声明nodeName或者nodeSelector，以此将Pod调度到期望的node节点上。注意，这里的调度是强制的，这就意味着即使要调度的目标Node不存在，也会向上面进行调度，只不过pod运行失败而已。

NodeName

NodeName用于强制约束将Pod调度到指定的Name的Node节点上。这种方式，其实是直接跳过 Scheduler的调度逻辑，直接将Pod调度到指定名称的节点。

创建一个pod-nodename.yaml文件

复制代码

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
 name: pod-nodename
 namespace: dev
spec:
 containers:
 - name: nginx
   image: nginx:1.17.1
 nodeName: k8s-worker01 # 指定调度到k8s-worker01节点上

#创建Pod
[root@master ~]# kubectl create -f pod-nodename.yaml
pod/pod-nodename created

#查看Pod调度到NODE属性，确实是调度到了node1节点上
[root@master ~]# kubectl get pod pod-nodename -n dev -o wide
NAME           READY   STATUS    RESTARTS   AGE   IP            NODE             ......
pod-nodename   1/1     Running   0          56s   10.244.1.87   k8s-worker01     ...... 
  
# 接下来，删除pod，修改nodeName的值为k8s-worker03（并没有k8s-worker03节点）
[root@master ~]# kubectl delete -f pod-nodename.yaml
pod "pod-nodename" deleted
[root@master ~]# vim pod-nodename.yaml
[root@master ~]# kubectl create -f pod-nodename.yaml
pod/pod-nodename created
#再次查看，发现已经向Node3节点调度，但是由于不存在k8s-worker03节点，所以pod无法正常运行
[root@master ~]# kubectl get pods pod-nodename -n dev -o wide
NAME           READY   STATUS    RESTARTS   AGE   IP       NODE    ......
pod-nodename   0/1     Pending   0          6s    <none>   k8s-worker03  ......

NodeSelector

NodeSelector用于将pod调度到添加了指定标签的node节点上。它是通过kubernetes的labelselector机制实现的，也就是说，在pod创建之前，会由scheduler使用MatchNodeSelector调度策略进行label匹配，找出目标node，然后将pod调度到目标节点，该匹配规则是强制约束。

示例：

复制代码

[root@master ~]# kubectl label nodes k8s-worker1 nodeenv=pro #首先分别为node节点添加标签
node/k8s-worker01 labeled

[root@master ~]# kubectl label nodes k8s-worker2 nodeenv=test
node/k8s-worker02 labeled

创建一个pod-nodeselector.yaml

复制代码

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
 name: pod-nodeselector
 namespace: dev
spec:
 containers:
 - name: nginx
   image: nginx:1.17.1
 nodeSelector: 
   nodeenv: pro # 指定调度到具有nodeenv=pro标签的节点上

#创建Pod
[root@master ~]# kubectl create -f pod-nodeselector.yaml
pod/pod-nodeselector created

#查看Pod调度到NODE属性，确实是调度到了node1节点上
[root@master ~]# kubectl get pods pod-nodeselector -n dev -o wide
NAME               READY   STATUS    RESTARTS   AGE     IP          NODE   
 ......
pod-nodeselector   1/1     Running   0          47s   100.119.84.73   k8s-worker01
......

# 接下来，删除pod，修改nodeSelector的值为nodeenv: hhh（不存在打有此标签的节点）
[root@master ~]# kubectl delete -f pod-nodeselector.yaml
pod "pod-nodeselector" deleted
[root@master ~]# vim pod-nodeselector.yaml
[root@master ~]# kubectl create -f pod-nodeselector.yaml
pod/pod-nodeselector created

#再次查看，发现pod无法正常运行,Node的值为none
[root@master ~]# kubectl get pods -n dev -o wide
NAME               READY   STATUS    RESTARTS   AGE     IP       NODE    
pod-nodeselector   0/1     Pending   0          2m20s   <none>   <none>

# 查看详情,发现node selector匹配失败的提示
[root@master ~]# kubectl describe pods pod-nodeselector -n dev
.......
Events:
  Type     Reason            Age        From               Message
  ----     ------            ----       ----               -------
  Warning  FailedScheduling  <unknown>  default-scheduler  0/3 nodes are 
available: 3 node(s) didn't match node selector.
  Warning  FailedScheduling  <unknown>  default-scheduler  0/3 nodes are 
available: 3 node(s) didn't match node selector.

亲和性调度

亲和性调度在NodeSelector的基础之上进行了扩展，可以通过配置的形式，实现优先选择满足条件的Node进行调度，如果没有，也可以调度到不满足条件的节点上，使调度更加灵活。

Affinity主要分为三类：

nodeAffinity(node亲和性）: 以node为目标，解决pod可以调度到哪些node的问题
podAffinity(pod亲和性) : 以pod为目标，解决pod可以和哪些已存在的pod部署在同一个拓扑域中的问题
podAntiAffinity(pod反亲和性) : 以pod为目标，解决pod不能和哪些已存在pod部署在同一个拓扑域中的问题

NodeAffinity

复制代码

pod.spec.affinity.nodeAffinity
 requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution Node节点必须满足指定的所有规则才可
以，相当于硬限制
    nodeSelectorTerms 节点选择列表
      matchFields   按节点字段列出的节点选择器要求列表
      matchExpressions   按节点标签列出的节点选择器要求列表(推荐)
        key   键
        values 值
        operator 关系符 支持Exists, DoesNotExist, In, NotIn, Gt, Lt
 preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution 优先调度到满足指定的规则的Node，相当
于软限制 (倾向)
    preference   一个节点选择器项，与相应的权重相关联
      matchFields   按节点字段列出的节点选择器要求列表
      matchExpressions   按节点标签列出的节点选择器要求列表(推荐)
        key   键
        values 值
        operator 关系符 支持In, NotIn, Exists, DoesNotExist, Gt, Lt
 weight 倾向权重，在范围1-100。


关系符的使用说明:
- matchExpressions:
  - key: nodeenv             # 匹配存在标签的key为nodeenv的节点
    operator: Exists
  - key: nodeenv             # 匹配标签的key为nodeenv,且value是"xxx"或"yyy"的节点
    operator: In
    values: ["xxx","yyy"]
  - key: nodeenv             # 匹配标签的key为nodeenv,且value大于"xxx"的节点
    operator: Gt
    values: "xxx"

示例：

创建pod-nodeaffinity-required.yaml

复制代码

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
 name: pod-nodeaffinity-required
 namespace: dev
spec:
 containers:
 - name: nginx
   image: nginx:1.17.1
 affinity:  #亲和性设置
   nodeAffinity: #设置node亲和性
     requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution: # 硬限制
       nodeSelectorTerms:
       - matchExpressions: # 匹配env的值在["xxx","yyy"]中的标签
         - key: nodeenv
           operator: In
           values: ["xxx","yyy"]

# 创建pod
[root@master ~]# kubectl create -f pod-nodeaffinity-required.yaml
pod/pod-nodeaffinity-required created
# 查看pod状态 （运行失败）
[root@master ~]# kubectl get pods pod-nodeaffinity-required -n dev -o wide
NAME                        READY   STATUS    RESTARTS   AGE   IP       NODE   
 ...... 
pod-nodeaffinity-required   0/1     Pending   0          16s   <none>   <none> 
 ......
# 查看Pod的详情
# 发现调度失败，提示node选择失败
[root@master ~]# kubectl describe pod pod-nodeaffinity-required -n dev
......
  Warning  FailedScheduling  <unknown>  default-scheduler  0/3 nodes are 
available: 3 node(s) didn't match node selector.
  Warning  FailedScheduling  <unknown>  default-scheduler  0/3 nodes are 
available: 3 node(s) didn't match node selector.
#接下来，停止pod
[root@master ~]# kubectl delete -f pod-nodeaffinity-required.yaml
pod "pod-nodeaffinity-required" deleted
# 修改文件，将values: ["xxx","yyy"]------> ["pro","yyy"]
[root@master ~]# vim pod-nodeaffinity-required.yaml
# 再次启动
[root@master ~]# kubectl create -f pod-nodeaffinity-required.yaml
pod/pod-nodeaffinity-required created
# 此时查看，发现调度成功，已经将pod调度到了node1上
[root@master ~]# kubectl get pods pod-nodeaffinity-required -n dev -o wide
NAME                        READY   STATUS    RESTARTS   AGE   IP           
 NODE  ...... 
pod-nodeaffinity-required   1/1     Running   0          11s   10.244.1.89   
node1 ......

NodeAffinity规则设置的注意事项：

1 如果同时定义了nodeSelector和nodeAffinity，那么必须两个条件都得到满足，Pod才能运行在指定的Node上
2 如果nodeAffinity指定了多个nodeSelectorTerms，那么只需要其中一个能够匹配成功即可
3 如果一个nodeSelectorTerms中有多个matchExpressions ，则一个节点必须满足所有的才能匹配成功
4 如果一个pod所在的Node在Pod运行期间其标签发生了改变，不再符合该Pod的节点亲和性需求，则系统将忽略此变化

PodAffinity

首先来看一下 PodAffinity 的可配置项：

复制代码

pod.spec.affinity.podAffinity
 requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution 硬限制
   namespaces       指定参照pod的namespace
   topologyKey     指定调度作用域
   labelSelector   标签选择器
     matchExpressions 按节点标签列出的节点选择器要求列表(推荐)
       key   键
       values 值
       operator 关系符 支持In, NotIn, Exists, DoesNotExist.
     matchLabels   指多个matchExpressions映射的内容
 preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution 软限制
   podAffinityTerm 选项
     namespaces      
     topologyKey
     labelSelector
       matchExpressions  
         key   键
         values 值
         operator
       matchLabels 
   weight 倾向权重，在范围1-100
topologyKey用于指定调度时作用域,例如:
    如果指定为kubernetes.io/hostname，那就是以Node节点为区分范围
 如果指定为beta.kubernetes.io/os,则以Node节点的操作系统类型来区分

创建一个参照Pod，pod-podaffinity-target.yaml

复制代码

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
 name: pod-podaffinity-target
 namespace: dev
 labels:
   podenv: pro #设置标签
spec:
 containers:
 - name: nginx
   image: nginx:1.17.1
 nodeName: node1 # 将目标pod名确指定到node1上

# 启动目标pod
[root@master ~]# kubectl create -f pod-podaffinity-target.yaml
pod/pod-podaffinity-target created
# 查看pod状况
[root@master ~]# kubectl get pods pod-podaffinity-target -n dev
NAME                     READY   STATUS    RESTARTS   AGE
pod-podaffinity-target   1/1     Running   0          4s

创建pod-podaffinity-required.yaml

复制代码

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
 name: pod-podaffinity-required
 namespace: dev
spec:
 containers:
 - name: nginx
   image: nginx:1.17.1
 affinity:  #亲和性设置
   podAffinity: #设置pod亲和性
     requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution: # 硬限制
     - labelSelector:
         matchExpressions: # 匹配env的值在["xxx","yyy"]中的标签
         - key: podenv
           operator: In
           values: ["xxx","yyy"]
       topologyKey: kubernetes.io/hostname

新Pod必须要与拥有标签nodeenv=xxx或者nodeenv=yyy的pod在同一Node 上，显然现在没有这样pod

复制代码

# 启动pod
[root@master ~]# kubectl create -f pod-podaffinity-required.yaml
pod/pod-podaffinity-required created
# 查看pod状态，发现未运行
[root@master ~]# kubectl get pods pod-podaffinity-required -n dev
NAME                       READY   STATUS    RESTARTS   AGE
pod-podaffinity-required   0/1     Pending   0          9s
# 查看详细信息
[root@master ~]# kubectl describe pods pod-podaffinity-required -n dev
......
Events:
  Type     Reason            Age        From               Message
  ----     ------            ----       ----               -------
  Warning  FailedScheduling  <unknown>  default-scheduler  0/3 nodes are 
available: 2 node(s) didn't match pod affinity rules, 1 node(s) had taints that 
the pod didn't tolerate.
# 接下来修改 values: ["xxx","yyy"]----->values:["pro","yyy"]
# 意思是：新Pod必须要与拥有标签nodeenv=xxx或者nodeenv=yyy的pod在同一Node上
[root@master ~]# vim pod-podaffinity-required.yaml
# 然后重新创建pod，查看效果
[root@master ~]# kubectl delete -f pod-podaffinity-required.yaml
pod "pod-podaffinity-required" deleted
[root@master ~]# kubectl create -f pod-podaffinity-required.yaml
pod/pod-podaffinity-required created
# 发现此时Pod运行正常
[root@master ~]# kubectl get pods pod-podaffinity-required -n dev
NAME                       READY   STATUS    RESTARTS   AGE   LABELS
pod-podaffinity-required   1/1     Running   0          6s    <none>

PodAntiAffinity

创建pod-podantiaffinity-required.yaml

复制代码

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
 name: pod-podantiaffinity-required
 namespace: dev
spec:
 containers:
 - name: nginx
   image: nginx:1.17.1
 affinity:  #亲和性设置
   podAntiAffinity: #设置pod亲和性
     requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution: # 硬限制
     - labelSelector:
         matchExpressions: # 匹配podenv的值在["pro"]中的标签
         - key: podenv
           operator: In
           values: ["pro"]
       topologyKey: kubernetes.io/hostname

新Pod必须要与拥有标签nodeenv=pro的pod不在同一Node上

复制代码

# 创建pod
[root@master ~]# kubectl create -f pod-podantiaffinity-required.yaml
pod/pod-podantiaffinity-required created
# 查看pod
# 发现调度到了node2上
[root@master ~]# kubectl get pods pod-podantiaffinity-required -n dev -o wide
NAME                           READY   STATUS    RESTARTS   AGE   IP           
 NODE   .. 
pod-podantiaffinity-required   1/1     Running   0          30s   10.244.1.96   
node2  ..

污点和容忍

污点（Taints）

前面的调度方式都是站在Pod的角度上，通过在Pod上添加属性，来确定Pod是否要调度到指定的

Node上，其实我们也可以站在Node的角度上，通过在Node上添加污点属性，来决定是否允许Pod调度过来。

Node被设置上污点之后就和Pod之间存在了一种相斥的关系，进而拒绝Pod调度进来，甚至可以将已经存在的Pod驱逐出去。

污点的格式为： key=value:effect , key和value是污点的标签，effect描述污点的作用，支持如下三个选项：

PreferNoSchedule：kubernetes将尽量避免把Pod调度到具有该污点的Node上，除非没有其他节点可调度
NoSchedule：kubernetes将不会把Pod调度到具有该污点的Node上，但不会影响当前Node上已存在的Pod
NoExecute：kubernetes将不会把Pod调度到具有该污点的Node上，同时也会将Node上已存在的Pod驱离

复制代码

# 设置污点
kubectl taint nodes node1 key=value:effect
# 去除污点
kubectl taint nodes node1 key:effect-
# 去除所有污点
kubectl taint nodes node1 key-

示例：

复制代码

#首先要暂停节点2
[root@k8s-worker02 ~]# systemctl stop kubelet.service


# 为node1设置污点(PreferNoSchedule)
[root@master ~]# kubectl taint nodes k8s-worker01 tag=openlab:PreferNoSchedule
# 创建pod1
[root@master ~]# kubectl run taint1 --image=nginx:1.17.1 -n dev
[root@master ~]# kubectl get pod -n dev -o wide
NAME            READY   STATUS    RESTARTS   AGE     IP           NODE 
  
taint1          1/1     Running      0     22s   100.119.84.74   k8s-worker01   
   
# 为node1设置污点(取消PreferNoSchedule，设置NoSchedule)
[root@master ~]# kubectl taint nodes k8s-worker01 tag:PreferNoSchedule-
[root@master ~]# kubectl taint nodes k8s-worker01 tag=openlab:NoSchedule
# 创建pod2
[root@master ~]# kubectl run taint2 --image=nginx:1.17.1 -n dev
[root@master ~]# kubectl get pod taint2 -n dev -o wide
NAME     READY   STATUS    RESTARTS   AGE   IP       NODE    
taint2   0/1     Pending   0          15s   <none>   <none> 

# 为node1设置污点(取消NoSchedule，设置NoExecute)
[root@master ~]# kubectl taint nodes k8s-worker01 tag:NoSchedule-
[root@master ~]# kubectl taint nodes k8s-worker01 tag=openlab:NoExecute

# 创建pod3
[root@master ~]# kubectl run taint3 --image=nginx:1.17.1 -n dev
[root@master ~]# kubectl get pod taint3 -n dev -o wide
NAME     READY   STATUS    RESTARTS   AGE   IP       NODE    
taint3   0/1     Pending   0          8s    <none>   <none>

容忍（Toleration）

上面介绍了污点的作用，我们可以在node上添加污点用于拒绝pod调度上来，但是如果就是想将一个 pod调度到一个有污点的node上去，这时候应该怎么做呢？这就要使用到容忍。

污点就是拒绝，容忍就是忽略，Node通过污点拒绝pod调度上去，Pod通过容忍忽略拒绝

由于已经在节点1上打上了 NoExecute 的污点，此时pod是调度不上去的，可以通过给pod添加容忍，然后将其调度上去

容忍的详细配置：

复制代码

[root@master ~]# kubectl explain pod.spec.tolerations
......
FIELDS:
   key       # 对应着要容忍的污点的键，空意味着匹配所有的键
   value     # 对应着要容忍的污点的值
   operator  # key-value的运算符，支持Equal和Exists（默认）
   effect    # 对应污点的effect，空意味着匹配所有影响
   tolerationSeconds   # 容忍时间, 当effect为NoExecute时生效，表示pod在Node上的停留时间

示例：

创建pod-toleration.yaml

复制代码

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
 name: pod-toleration
 namespace: dev
spec:
 containers:
 - name: nginx
   image: nginx:1.17.1
 tolerations:      # 添加容忍
 - key: "tag"        # 要容忍的污点的key
   operator: "Equal" # 操作符
   value: "openlab"    # 容忍的污点的value
   effect: "NoExecute"   # 添加容忍的规则，这里必须和标记的污点规则相同

[root@master ~]# kubectl create -f pod-toleration.yaml
pod/pod-toleration created
  
      
# 添加容忍之后的pod
[root@master ~]# kubectl get pod pod-toleration   -n dev -o wide
NAME             READY   STATUS    RESTARTS   AGE    IP              NODE           NOMINATED NODE   READINESS GATES
pod-toleration   1/1     Running   0          111s   100.119.84.77   k8s-worker01