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一、概述

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?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。

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

二、定向调度

1. 概述

定向调度,指的是利用在Pod上声明的nodeName或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。

2. 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,内容如下:

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: pod-nodename
  namespace: dev
  labels:
    user: test
spec:
  containers: # 容器配置
    - name: nginx
      image: nginx:1.17.1
      imagePullPolicy: IfNotPresent
      ports:
        - name: nginx-port
          containerPort: 80
          protocol: TCP
  nodeName: k8s-node1 # 指定调度到k8s-node1节点上

创建Pod:

kubectl create -f pod-nodename.yaml

image.png

查看Pod:

kubectl get pod pod-nodename -n dev -o wide

image.png

3. 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label-selector机制实现的,换言之,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。

首先给node节点添加标签:

kubectl label node k8s-node1 nodeevn=pro
kubectl label node k8s-node2 nodeenv=test

image.png

创建pod-nodeselector.yaml文件,内容如下:

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: pod-nodeselector
  namespace: dev
spec:
  containers: # 容器配置
    - name: nginx
      image: nginx:1.17.1
      imagePullPolicy: IfNotPresent
      ports:
        - name: nginx-port
          containerPort: 80
          protocol: TCP
  nodeSelector:
    nodeenv: pro # 指定调度到具有nodeenv=pro的Node节点上

创建Pod:

kubectl create -f pod-nodeselector.yaml

image.png

查看Pod:

kubectl get pod pod-nodeselector -n dev -o wide

image.png

三、亲和性调度

1. 概述

虽然定向调度的两种方式,使用起来非常方便,但是也有一定的问题,那就是如果没有满足条件的Node,那么Pod将不会被运行,即使在集群中还有可用的Node列表也不行,这就限制了它的使用场景。

基于上面的问题,kubernetes还提供了一种亲和性调度(Affinity)。它在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,使得调度更加灵活。

Affinity主要分为三类:

  1. nodeAffinity(node亲和性):以Node为目标,解决Pod可以调度到那些Node的问题。
  2. podAffinity(pod亲和性):以Pod为目标,解决Pod可以和那些已存在的Pod部署在同一个拓扑域中的问题。
  3. podAntiAffinity(pod反亲和性):以Pod为目标,解决Pod不能和那些已经存在的Pod部署在同一拓扑域中的问题。

关于亲和性和反亲和性的使用场景的说明:

  1. 亲和性:如果两个应用频繁交互,那么就有必要利用亲和性让两个应用尽可能的靠近,这样可以较少因网络通信而带来的性能损耗。
  2. 反亲和性:当应用采用多副本部署的时候,那么就有必要利用反亲和性让各个应用实例打散分布在各个Node上,这样可以提高服务的高可用性。

2. nodeAffinity

查看nodeAffinity的可选配置项:

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"

下面演示requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
创建pod-nodeaffinity-required.yaml文件,内容如下:

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: pod-nodeaffinity-required
  namespace: dev
spec:
  containers: # 容器配置
    - name: nginx
      image: nginx:1.17.1
      imagePullPolicy: IfNotPresent
      ports:
        - name: nginx-port
          containerPort: 80
          protocol: TCP
  affinity: # 亲和性配置
    nodeAffinity: # node亲和性配置
      requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution: # Node节点必须满足指定的所有规则才可以,相当于硬规则,类似于定向调度
        nodeSelectorTerms: # 节点选择列表
          - matchExpressions:
              - key: nodeenv # 匹配存在标签的key为nodeenv的节点,并且value是"xxx"或"yyy"的节点
                operator: In
                values:
                  - "xxx"
                  - "yyy"

创建Pod:

kubectl create -f pod-nodeaffinity-required.yaml

image.png

查看Pod状态(运行失败):

kubectl get pod pod-nodeaffinity-required -n dev -o wide

image.png

查看Pod详情(发现调度失败,提示node选择失败):

kubectl describe pod pod-nodeaffinity-required -n dev

image.png

删除Pod:

kubectl delete -f pod-nodeaffinity-required.yaml

image.png

修改pod-nodeaffinity-required.yaml文件,内容如下:

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: pod-nodeaffinity-required
  namespace: dev
spec:
  containers: # 容器配置
    - name: nginx
      image: nginx:1.17.1
      imagePullPolicy: IfNotPresent
      ports:
        - name: nginx-port
          containerPort: 80
          protocol: TCP
  affinity: # 亲和性配置
    nodeAffinity: # node亲和性配置
      requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution: # Node节点必须满足指定的所有规则才可以,相当于硬规则,类似于定向调度
        nodeSelectorTerms: # 节点选择列表
          - matchExpressions:
              - key: nodeenv # 匹配存在标签的key为nodeenv的节点,并且value是"xxx"或"yyy"的节点
                operator: In
                values:
                  - "pro"
                  - "yyy"

再次创建Pod:

kubectl create -f pod-nodeaffinity-required.yaml

image.png

再次查看Pod:

kubectl get pod pod-nodeaffinity-required -n dev -o wide

image.png

下面演示preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
创建pod-nodeaffinity-preferred.yaml文件,内容如下:

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: pod-nodeaffinity-preferred
  namespace: dev
spec:
  containers: # 容器配置
    - name: nginx
      image: nginx:1.17.1
      imagePullPolicy: IfNotPresent
      ports:
        - name: nginx-port
          containerPort: 80
          protocol: TCP
  affinity: # 亲和性配置
    nodeAffinity: # node亲和性配置
      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
            matchExpressions:
              - key: nodeenv
                operator: In
                values:
                  - "xxx"
                  - "yyy"
          weight: 1

创建Pod:

kubectl create -f pod-nodeaffinity-preferred.yaml

image.png

查看Pod:

kubectl get pod pod-nodeaffinity-preferred -n dev -o wide

image.png

nodeAffinity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nodeAffinity的要求,则系统将忽略此变化。

3. podAffinity

podAffinity主要实现以运行的Pod为参照,实现让新创建的Pod和参照的Pod在一个区域的功能。
PodAffinity的可选配置项:

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1-1

topologyKey用于指定调度的作用域,例如:

  1. 如果指定为kubernetes.io/hostname,那就是以Node节点为区分范围。
  2. 如果指定为beta.kubernetes.io/os,则以Node节点的操作系统类型来区分。

演示requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution。
创建参照Pod过程:
创建pod-podaffinity-target.yaml文件,内容如下:

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: pod-podaffinity-target
  namespace: dev
  labels:
    podenv: pro # 设置标签
spec:
  containers: # 容器配置
    - name: nginx
      image: nginx:1.17.1
      imagePullPolicy: IfNotPresent
      ports:
        - name: nginx-port
          containerPort: 80
          protocol: TCP
  nodeName: k8s-node1 # 将目标pod定向调度到k8s-node1

创建参照Pod:

kubectl create -f pod-podaffinity-target.yaml

image.png

查看参照Pod:

kubectl get pod pod-podaffinity-target -n dev -o wide

image.png

创建Pod过程:
创建pod-podaffinity-requred.yaml文件,内容如下:

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: pod-podaffinity-requred
  namespace: dev
spec:
  containers: # 容器配置
    - name: nginx
      image: nginx:1.17.1
      imagePullPolicy: IfNotPresent
      ports:
        - name: nginx-port
          containerPort: 80
          protocol: TCP
  affinity: # 亲和性配置
    podAffinity: # Pod亲和性
      requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution: # 硬限制
        - labelSelector:
            matchExpressions: # 该Pod必须和拥有标签podenv=xxx或者podenv=yyy的Pod在同一个Node上,显然没有这样的Pod
              - key: podenv
                operator: In
                values:
                  - "xxx"
                  - "yyy"
          topologyKey: kubernetes.io/hostname

创建Pod:

kubectl create -f pod-podaffinity-requred.yaml

image.png

查看Pod状态,发现没有运行:

kubectl get pod pod-podaffinity-requred -n dev

image.png

查看Pod详情:

kubectl get pod pod-podaffinity-requred -n dev

image.png

删除Pod:

kubectl delete -f pod-podaffinity-requred.yaml

image.png

修改pod-podaffinity-requred.yaml文件,内容如下:

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: pod-podaffinity-requred
  namespace: dev
spec:
  containers: # 容器配置
    - name: nginx
      image: nginx:1.17.1
      imagePullPolicy: IfNotPresent
      ports:
        - name: nginx-port
          containerPort: 80
          protocol: TCP
  affinity: # 亲和性配置
    podAffinity: # Pod亲和性
      requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution: # 硬限制
        - labelSelector:
            matchExpressions: # 该Pod必须和拥有标签podenv=xxx或者podenv=yyy的Pod在同一个Node上,显然没有这样的Pod
              - key: podenv
                operator: In
                values:
                  - "pro"
                  - "yyy"
          topologyKey: kubernetes.io/hostname

再次创建Pod:

kubectl create -f pod-podaffinity-requred.yaml

image.png

再次查看Pod:

kubectl get pod pod-podaffinity-requred -n dev -o wide

image.png

4. podAntiAffinity

podAntiAffinity主要实现以运行的Pod为参照,让新创建的Pod和参照的Pod不在一个区域的功能。

其配置方式和podAffinity一样,此处不做详细解释。
使用上个案例中的目标Pod:

kubectl get pod -n dev -o wide

image.png

创建pod-podantiaffinity-requred.yaml文件,内容如下:

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: pod-podantiaffinity-requred
  namespace: dev
spec:
  containers: # 容器配置
    - name: nginx
      image: nginx:1.17.1
      imagePullPolicy: IfNotPresent
      ports:
        - name: nginx-port
          containerPort: 80
          protocol: TCP
  affinity: # 亲和性配置
    podAntiAffinity: # Pod反亲和性
      requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution: # 硬限制
        - labelSelector:
            matchExpressions:
              - key: podenv
                operator: In
                values:
                  - "pro"
          topologyKey: kubernetes.io/hostname

创建Pod:

kubectl create -f pod-podantiaffinity-requred.yaml

image.png

查看Pod:

kubectl get pod -n dev -o wide

image.png

四、污点和容忍

1. 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,来决定是否运行Pod调度过来。

Node被设置了污点之后就和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:

  1. 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以调度。
  2. NoSchedule:kubernetes将不会把Pod调度到具有该污点的Node上,但是不会影响当前Node上已经存在的Pod。
  3. NoExecute:kubernetes将不会把Pod调度到具有该污点的Node上,同时也会将Node上已经存在的Pod驱逐。

image.png

语法:
设置污点:

kubectl taint node xxx key=value:effect

去除污点:

kubectl taint node xxx key:effect-

去除所有污点:

kubectl taint node xxx key-

查询所有节点的污点:

wget -O jq https://github.com/stedolan/jq/releases/download/jq-1.6/jq-linux64
chmod +x ./jq
cp jq /usr/bin

列出所有节点的污点方式一:

kubectl get nodes -o json | jq '.items[].spec'

列出所有节点的污点方式二:

kubectl get nodes -o json | jq '.items[].spec.taints'

查看指定节点上的污点:

kubectl describe node 节点名称

接下来,演示污点效果:

  1. 准备节点k8s-node1(为了演示效果更加明显,暂时停止k8s-node2节点)。
  2. 为k8s-node1节点设置一个污点:tag=test:PreferNoSchedule,然后创建Pod1(Pod1可以)。
  3. 修改k8s-node1节点的污点为:tag=test:NoSchedule,然后创建Pod2(Pod1可以正常运行,Pod2失败)。
  4. 修改k8s-node1节点的污点为:tag=test:NoExecute,然后创建Pod3(Pod1、Pod2、Pod3失败)。

为k8s-node1设置污点(PreferNoSchedule):

kubectl taint node k8s-node1 tag=test:PreferNoSchedule

image.png

创建Pod1:

kubectl run pod1 --image=nginx:1.17.1 -n dev

image.png

查看Pod:

kubectl get pod pod1 -n dev -o wide

image.png

为k8s-node1取消污点(PreferNoSchedule),并设置污点(NoSchedule):

kubectl taint node k8s-node1 tag:PreferNoSchedule-
kubectl taint node k8s-node1 tag=test:NoSchedule

image.png

创建Pod2:

kubectl run pod2 --image=nginx:1.17.1 -n dev

image.png

查看Pod:

kubectl get pod pod1 -n dev -o wide
kubectl get pod pod2 -n dev -o wide

image.png

为k8s-node1取消污点(NoSchedule),并设置污点(NoExecute):

kubectl taint node k8s-node1 tag:NoSchedule-
kubectl taint node k8s-node1 tag=test:NoExecute

image.png

创建Pod3:

kubectl run pod3 --image=nginx:1.17.1 -n dev

image.png

查看Pod:

kubectl get pod pod1 -n dev -o wide
kubectl get pod pod2 -n dev -o wide
kubectl get pod pod3 -n dev -o wide

image.png

使用kubeadm搭建的集群,默认就会给Master节点添加一个污点标记,所以Pod就不会调度到Master节点上。

2. 容忍(Toleration)

上面介绍了污点的作用,我们可以在Node上添加污点用来拒绝Pod调度上来,但是如果就是想让一个Pod调度到一个有污点的Node上去,这时候应该怎么做?这就需要使用到容忍。

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。

容忍的详细配置:

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

当operator为Equal的时候,如果Node节点有多个Taint,那么Pod每个Taint都需要容忍才能部署上去。

当operator为Exists的时候,有如下的三种写法:

  1. 容忍指定的污点,污点带有指定的effect:
  2. 容忍指定的污点,不考虑具体的effect:
  3. 容忍一切污点(慎用):
  tolerations: # 容忍
    - key: "tag" # 要容忍的污点的key
      operator: Exists # 操作符
      effect: NoExecute # 添加容忍的规则,这里必须和标记的污点规则相同
  tolerations: # 容忍
    - key: "tag" # 要容忍的污点的key
      operator: Exists # 操作符
 tolerations: # 容忍
    - operator: Exists # 操作符

在上面的污点中,已经给k8s-node1打上了NoExecute的污点,此时Pod是调度不上去的,此时可以通过在Pod中添加容忍,将Pod调度上去。
创建pod-toleration.yaml文件,内容如下:

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: pod-toleration
  namespace: dev
spec:
  containers: # 容器配置
    - name: nginx
      image: nginx:1.17.1
      imagePullPolicy: IfNotPresent
      ports:
        - name: nginx-port
          containerPort: 80
          protocol: TCP
  tolerations: # 容忍
    - key: "tag" # 要容忍的污点的key
      operator: Equal # 操作符
      value: "test" # 要容忍的污点的value
      effect: NoExecute # 添加容忍的规则,这里必须和标记的污点规则相同

创建Pod:

kubectl create -f pod-toleration.yaml

image.png

查看Pod:

kubectl get pod pod-toleration -n dev -o wide

image.png

Q.E.D.


只有创造,才是真正的享受,只有拚搏,才是充实的生活。