Kubernetes | 集群调度 - ClusterScheduling

Zkeq

发布于 2023-05-14 09:13:17

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发布于 2023-05-14 09:13:17

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1. 简介

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

Sheduler 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。

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(预选)；然后对通过的节点按照优先级排序，这个是 priority(优选)；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。

… 还有很多其他的算法参见官网

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:2.0

若无法正常加载, 请点击查看 PDF 网页版本: Kubernetes 调度器 - 调度说明.pdf

2. 节点亲和性

pod.spec.nodeAffinity，节点亲和性可以通过下面两种方式实现：

preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution: 软策略
requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution: 硬策略

`requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution`

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: affinity
  labels:
    app: node-affinity-pod
spec:
  containers:
  - name: with-node-affinity
    image: hub.atguigu.com/library/myapp:v1
  affinity:
    nodeAffinity:
      requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
        nodeSelectorTerms:
        - matchExpressions:
          - key: kubernetes.io/hostname
            operator: NotIn
            values:
            - k8s-node02

`preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution`

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

合体

键值运算关系

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可以正常调度 Pod .

Pod 亲和性

pod.spec.affinity.podAffinity / podAntiAffinity

preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution：软策略

requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution：硬策略

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: pod-3
  labels:
    app: pod-3
spec:
  containers:
  - name: pod-3
    image: hub.atguigu.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, DoesNotExist, Gt, Lt	否	指定主机
podAffinity	POD	In, NotIn, Exists, DoesNotExist	是	POD 与指定 POD 同一拓扑域
podAnitAffinity	POD	In, NotIn, Exists, DoesNotExist	是	POD 与指定 POD 不在同一拓扑域

拓扑域可以含有多个节点不一定是单个 Node
若无法正常加载, 请点击查看 PDF 网页版本: Kubernetes 调度器 - 调度亲和性.pdf

3. Taint 和 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 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。

污点(Taint)

Ⅰ、污点(Taint)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

Ⅱ、污点(Taint)的设置、查看和去除

# 设置污点
kubectl taint nodes node1 key1=value1:NoSchedule

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

# 去除污点
kubectl taint nodes node1 key1:NoSchedule-
// 设置的命令加一个 `-` 就是去除

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(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: 3600
- key: "key1"
  operator: "Equal"
  value: "value1"
  effect: "NoExecute"
- key: "key2"
  operator: "Exists"
  effect: "NoSchedule"

其中 key, value, effect 要与 Node 上设置的 taint 保持一致。
operator 的值为 Exists 将会忽略 value 值。
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。

Ⅰ、当不指定 key 值时，表示容忍所有的污点 key：

tolerations:
- operator: "Exists"

Ⅱ、当不指定 effect 值时，表示容忍所有的污点作用

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

Ⅲ、有多个 Master 存在时，防止资源浪费，可以如下设置

kubectl taint nodes Node-Name node-role.kubernetes.io/master=:PreferNoSchedule

若无法正常加载, 请点击查看 PDF 网页版本: Kubernetes 调度器 - 污点.pdf

4. 指定调度节点

I、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-node01
      containers:
      - name: myweb
        image: hub.atguigu.com/library/myapp:v1
        ports:
        - containerPort: 8

II、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: backEndNode1 # 键:值
      containers:
      - name: myweb
        image: harbor/tomcat:8.5-jre8
        ports:
        - containerPort: 80