kubernetes(六)--集群调度

一、调度器--调度说明

1.1、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

1.2、调度过程

调度分为几个部分：

1. 首先是过滤掉不满足条件的节点，这个过程称为predicate（预选）；
2. 然后对通过的节点按照优先级排序，这个是priority（优选）；
3. 最后从中选择优先级最高的节点。
4. 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

1.3、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：

二、调度亲和性

2.1、节点亲和性

字段：pod.spec.nodeAffinity

• preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution：软策略
• requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution：硬策略

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

2.1.1、节点亲和性--硬策略

[root@k8s-master01 affinity]# kubectl get node --show-labels
NAME           STATUS   ROLES    AGE     VERSION   LABELS
k8s-master01   Ready    master   3d      v1.15.1   beta.kubernetes.io/arch=amd64,beta.kubernetes.io/os=linux,kubernetes.io/arch=amd64,kubernetes.io/hostname=k8s-master01,kubernetes.io/os=linux,node-role.kubernetes.io/master=
k8s-node01     Ready    <none>   2d23h   v1.15.1   beta.kubernetes.io/arch=amd64,beta.kubernetes.io/os=linux,kubernetes.io/arch=amd64,kubernetes.io/hostname=k8s-node01,kubernetes.io/os=linux
k8s-node02     Ready    <none>   2d23h   v1.15.1   beta.kubernetes.io/arch=amd64,beta.kubernetes.io/os=linux,kubernetes.io/arch=amd64,kubernetes.io/hostname=k8s-node02,kubernetes.io/os=linux

[root@k8s-master01 affinity]# cat required-nodeAffinity.yaml 
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:  
  name: affinity  
  labels:    
    app: node-affinity-pod
spec:  
  containers:  
  - name: with-node-affinity    
    image: hub.dianchou.com/library/myapp:v1  
  affinity:    
    nodeAffinity:      
      requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:        
        nodeSelectorTerms:        
        - matchExpressions:          
          - key: kubernetes.io/hostname            
            operator: In  #pod将会被调度到k8s-node02上，当节点不存在，pod将处于pending状态            
            values:            
            - k8s-node02

[root@k8s-master01 affinity]# kubectl create -f required-nodeAffinity.yaml 
pod/affinity created
[root@k8s-master01 affinity]# kubectl get pod -o wide
NAME       READY   STATUS    RESTARTS   AGE   IP             NODE         NOMINATED NODE   READINESS GATES
affinity   1/1     Running   0          7s    10.244.2.163   k8s-node02   <none>           <none>

2.1.2、节点亲和性--软策略

[root@k8s-master01 affinity]# cat preferred-nodeAffinity.yaml 
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:  
  name: affinity  
  labels:    
    app: node-affinity-pod
spec:  
  containers:  
  - name: with-node-affinity    
    image: hub.dianchou.com/library/myapp:v1  
  affinity:    
    nodeAffinity:      
      preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:        
      - weight: 1
        preference:
          matchExpressions:          
          - key: kubernetes.io/hostname            
            operator: In
            values:            
            - k8s-node03 #node03不存在，但还是会调度到node01或node02上
[root@k8s-master01 affinity]# kubectl create -f preferred-nodeAffinity.yaml
pod/affinity created
[root@k8s-master01 affinity]# kubectl get pod -o wide
NAME       READY   STATUS    RESTARTS   AGE   IP             NODE         NOMINATED NODE   READINESS GATES
affinity   1/1     Running   0          6s    10.244.1.174   k8s-node01   <none>           <none>

2.1.3、软硬策略结合使用

2.2、pod亲和性

字段：pod.spec.affinity.podAffinity/podAntiAffinity

preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution：软策略
requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution：硬策略

[root@k8s-master01 affinity]# cat pod.yaml 
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:  
  name: test-pod  
  labels:    
    app: test-pod
spec:  
  containers:  
  - name: with-node-affinity    
    image: hub.dianchou.com/library/myapp:v1  
[root@k8s-master01 affinity]# kubectl create -f pod.yaml
pod/test-pod created
[root@k8s-master01 affinity]# kubectl get pod -o wide
NAME       READY   STATUS    RESTARTS   AGE   IP             NODE         NOMINATED NODE   READINESS GATES
test-pod   1/1     Running   0          6s    10.244.1.177   k8s-node01   <none>           <none>

[root@k8s-master01 affinity]# cat podAffinity.yaml 
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:  
  name: podaffinity
  labels:    
    app: podaffinity
spec:  
  containers:  
  - name: podaffinity-container    
    image: hub.dianchou.com/library/myapp:v1  
  affinity:    
    podAffinity:      
      requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:      
      - labelSelector:          
          matchExpressions:          
          - key: app            
            operator: In            
            values:            
            - test-pod        
        topologyKey: kubernetes.io/hostname    
    podAntiAffinity:      
      preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:      
      - weight: 1        
        podAffinityTerm:          
          labelSelector:            
            matchExpressions:            
            - key: app              
              operator: In              
              values:              
              - test-pod2          
          topologyKey: kubernetes.io/hostname
[root@k8s-master01 affinity]# kubectl create -f podAffinity.yaml
pod/podaffinity created
[root@k8s-master01 affinity]# kubectl get pod -o wide
NAME          READY   STATUS    RESTARTS   AGE   IP             NODE         NOMINATED NODE   READINESS GATES
podaffinity   1/1     Running   0          7s    10.244.1.178   k8s-node01   <none>           <none>
test-pod      1/1     Running   0          40s   10.244.1.177   k8s-node01   <none>           <none>

亲和性/反亲和性调度策略比较如下：

三、Taint(污点)和Toleration(容忍)

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

为什么pod不能分配到master上，是因为master节点设置了污点：

[root@k8s-master01 ~]# kubectl describe node k8s-master01 | grep Taint
Taints:             node-role.kubernetes.io/master:NoSchedule

3.1、污点(Taint)

3.1.1、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 tainteffect 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

3.1.2、污点的设置、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-

实验：

#创建一个deployment，只有一个pod
[root@k8s-master01 affinity]# cat deployment.yaml 
apiVersion: extensions/v1beta1
kind: Deployment
metadata:
  name: nginx-deployment
spec:
  replicas: 1
  template:
    metadata:
      labels:
        app: nginx
    spec:
      containers:
      - name: nginx
        image: hub.dianchou.com/library/myapp:v1
        ports:
        - containerPort: 80
[root@k8s-master01 affinity]# kubectl create -f deployment.yaml 
deployment.extensions/nginx-deployment created
[root@k8s-master01 affinity]# kubectl get pod
NAME                                READY   STATUS    RESTARTS   AGE
nginx-deployment-59d7d9d5b4-dttc5   1/1     Running   0          5s
[root@k8s-master01 affinity]# kubectl get pod -o wide
NAME                                READY   STATUS    RESTARTS   AGE   IP             NODE         NOMINATED NODE   READINESS GATES
nginx-deployment-59d7d9d5b4-dttc5   1/1     Running   0          17s   10.244.1.179   k8s-node01   <none>           <none>

#给节点打污点，pod会转移到node02上
[root@k8s-master01 affinity]# kubectl taint nodes k8s-node01 creator=lawrence:NoExecute
node/k8s-node01 tainted
[root@k8s-master01 affinity]# kubectl get pod -o wide
NAME                                READY   STATUS    RESTARTS   AGE   IP             NODE         NOMINATED NODE   READINESS GATES
nginx-deployment-59d7d9d5b4-zzxnn   1/1     Running   0          4s    10.244.2.169   k8s-node02   <none>           <none>

3.2、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

字段：pod.spec.tolerations

1）当不指定 key 值时，表示容忍所有的污点 key：

tolerations:
- operator: "Exists"

2）当不指定 effect 值时，表示容忍所有的污点作用

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

3）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

示例：

#给节点打污点
[root@k8s-master01 affinity]# kubectl taint nodes k8s-node01 creator=lawrence:NoExecute
node/k8s-node01 tainted
[root@k8s-master01 affinity]# kubectl taint nodes k8s-node02 creator=lawrence:NoExecute
node/k8s-node02 tainted

#创建能容忍污点的pod
[root@k8s-master01 affinity]# cat pod.yaml 
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:  
  name: test-pod  
  labels:    
    app: test-pod
spec:  
  containers:  
  - name: with-node-affinity    
    image: hub.dianchou.com/library/myapp:v1  
  tolerations:
  - key: "creator"
    operator: "Equal"
    value: "lawrence"
    effect: "NoExecute"
    tolerationSeconds: 3600
[root@k8s-master01 affinity]# kubectl create -f pod.yaml 
pod/test-pod created
[root@k8s-master01 affinity]# kubectl get pod
NAME       READY   STATUS    RESTARTS   AGE
test-pod   1/1     Running   0          4s
[root@k8s-master01 affinity]# kubectl get pod -o wide
NAME       READY   STATUS    RESTARTS   AGE   IP             NODE         NOMINATED NODE   READINESS GATES
test-pod   1/1     Running   0          9s    10.244.1.181   k8s-node01   <none>           <none>

四、指定调度节点

4.1、指定调度节点名称

字段：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

[root@k8s-master01 affinity]# cat nodeName.yaml 
apiVersion: extensions/v1beta1
kind: Deployment
metadata: 
  name: myweb
spec:
  replicas: 5
  template:  
    metadata:
      labels:
        app: myweb
    spec:
      nodeName: k8s-node01
      containers:
      - name: myweb
        image: hub.dianchou.com/library/myapp:v1
        ports:
        - containerPort: 80
[root@k8s-master01 affinity]# kubectl create -f nodeName.yaml
deployment.extensions/myweb created
[root@k8s-master01 affinity]# kubectl get pod -o wide
NAME                    READY   STATUS    RESTARTS   AGE   IP             NODE         NOMINATED NODE   READINESS GATES
myweb-654cc7b88-5m6xl   1/1     Running   0          8s    10.244.1.230   k8s-node01   <none>           <none>
myweb-654cc7b88-6v4q4   1/1     Running   0          8s    10.244.1.233   k8s-node01   <none>           <none>
myweb-654cc7b88-ddn8n   1/1     Running   0          8s    10.244.1.231   k8s-node01   <none>           <none>
myweb-654cc7b88-dhfgc   1/1     Running   0          8s    10.244.1.234   k8s-node01   <none>           <none>
myweb-654cc7b88-f6r55   1/1     Running   0          8s    10.244.1.232   k8s-node01   <none>           <none>

4.2、指定调度节点标签

字段：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

[root@k8s-master01 affinity]# cat nodeSelector.yaml 
apiVersion: extensions/v1beta1
kind: Deployment
metadata:  
  name: myweb
spec:  
  replicas: 2  
  template:    
    metadata:      
      labels:        
        app: myweb    
    spec:      
      nodeSelector:        
        disk: ssd
      containers:      
      - name: myweb        
        image: hub.dianchou.com/library/myapp:v1
        ports:        
        - containerPort: 80
[root@k8s-master01 affinity]# kubectl create -f nodeSelector.yaml
deployment.extensions/myweb created
[root@k8s-master01 affinity]# kubectl get pod -o wide  #由于节点没有disk: ssd标签，所以pod一直处于pending状态
NAME                     READY   STATUS    RESTARTS   AGE   IP       NODE     NOMINATED NODE   READINESS GATES
myweb-557558f9bb-c9tgf   0/1     Pending   0          13s   <none>   <none>   <none>           <none>
myweb-557558f9bb-mhfnl   0/1     Pending   0          13s   <none>   <none>   <none>           <none>

#给node01打标签，pod分配至node01
[root@k8s-master01 affinity]# kubectl label node k8s-node01 disk=ssd
node/k8s-node01 labeled
[root@k8s-master01 affinity]# kubectl get pod -o wide
NAME                     READY   STATUS    RESTARTS   AGE    IP             NODE         NOMINATED NODE   READINESS GATES
myweb-557558f9bb-c9tgf   1/1     Running   0          108s   10.244.1.236   k8s-node01   <none>           <none>
myweb-557558f9bb-mhfnl   1/1     Running   0          108s   10.244.1.235   k8s-node01   <none>           <none>

#给node02打标签，同时给deployment扩容
[root@k8s-master01 affinity]# kubectl label node k8s-node02 disk=ssd
node/k8s-node02 labeled
[root@k8s-master01 affinity]# kubectl edit deployment myweb  #更改副本数为5
deployment.extensions/myweb edited  
[root@k8s-master01 affinity]# kubectl get pod -o wide
NAME                     READY   STATUS    RESTARTS   AGE     IP             NODE         NOMINATED NODE   READINESS GATES
myweb-557558f9bb-7rz9w   1/1     Running   0          6s      10.244.1.237   k8s-node01   <none>           <none>
myweb-557558f9bb-c9tgf   1/1     Running   0          3m31s   10.244.1.236   k8s-node01   <none>           <none>
myweb-557558f9bb-f762w   1/1     Running   0          6s      10.244.2.175   k8s-node02   <none>           <none>
myweb-557558f9bb-mhfnl   1/1     Running   0          3m31s   10.244.1.235   k8s-node01   <none>           <none>
myweb-557558f9bb-pgtw8   1/1     Running   0          6s      10.244.2.176   k8s-node02   <none>           <none>