K8S Learning（12）——Pod调度

一、Pod调度

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

二、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。

（1）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

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: pod-nodename
  namespace: mk
spec:
  containers:
  - name: tomcat
    image: tomcat:lastest
  nodeName: node1 # 指定调度到node1节点上

#创建Pod
kubectl create -f pod-nodename.yaml

#查看Pod调度到NODE属性，确实是调度到了node1节点上
kubectl get pods pod-nodename -n mk -o wide
​
# 接下来，删除pod，修改nodeName的值为node5（并没有node5节点）
kubectl delete -f pod-nodename.yaml

# vim pod-nodename.yaml 改 nodeName:node5，重新创建
kubectl create -f pod-nodename.yaml
​
#再次查看，发现已经向Node5节点调度，但是由于不存在node5节点，所以pod无法正常运行
kubectl get pods pod-nodename -n mk -o wide
         

（2）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，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。

接下来，实验一下：

1 首先分别为node节点添加标签

kubectl label nodes node1 worker=node1
kubectl label nodes node2 worker=node2

2 创建一个pod-nodeselector.yaml文件，并使用它创建Pod

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: pod-nodeselector
  namespace: mk
spec:
  containers:
  - name: tomcat
    image: tomcat:lastest
  nodeSelector: 
    worker: node1# 指定调度到具有worker=node1标签的节点上

#创建Pod
kubectl create -f pod-nodeselector.yaml
​
#查看Pod调度到NODE属性，确实是调度到了node1节点上
kubectl get pods pod-nodeselector -n mk -o wide
​
# 接下来，删除pod，修改nodeSelector的值为worker: node5（不存在打有此标签的节点）
kubectl delete -f pod-nodeselector.yaml

# vim pod-nodeselector.yaml  worker: node5
kubectl create -f pod-nodeselector.yaml
​
#再次查看，发现pod无法正常运行,Node的值为none
kubectl get pods -n mk -o wide
​
# 查看详情,发现node selector匹配失败的提示
kubectl describe pods pod-nodeselector -n mk

三、亲和性调度

两种定向调度的方式，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的基础之上的进行了扩展，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

关于亲和性(反亲和性)使用场景的说明：

亲和性：如果两个应用频繁交互，那就有必要利用亲和性让两个应用的尽可能的靠近，这样可以减少因网络通信而带来的性能损耗。

反亲和性：当应用的采用多副本部署时，有必要采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。

（1）NodeAffinity

首先来看一下NodeAffinity的可配置项：

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
        operat or 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: worker              # 匹配存在标签的key为worker的节点
    operator: Exists
  - key: worker              # 匹配标签的key为worker,且value是"xxx"或"yyy"的节点
    operator: In
    values: ["xxx","yyy"]
  - key: worker              # 匹配标签的key为worker,且value大于"xxx"的节点
    operator: Gt
    values: "xxx"

接下来首先演示一下requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution ,

创建pod-nodeaffinity-required.yaml

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: pod-nodeaffinity-required
  namespace: mk
spec:
  containers:
  - name: tomcat
    image: tomcat:lastest
  affinity:  #亲和性设置
    nodeAffinity: #设置node亲和性
      requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution: # 硬限制
        nodeSelectorTerms:
        - matchExpressions: # 匹配woker的值在["node3"]中的标签
          - key: worker
            operator: In
            values: ["node3"]

# 创建pod
kubectl create -f pod-nodeaffinity-required.yaml
​
# 查看pod状态 （运行失败）
kubectl get pods pod-nodeaffinity-required -n mk -o wide
​
# 查看Pod的详情
# 发现调度失败，提示node选择失败
kubectl describe pod pod-nodeaffinity-required -n mk
​
#接下来，停止pod
kubectl delete -f pod-nodeaffinity-required.yaml

# 修改文件，将values: ["node3"]------> ["node1"]
vim pod-nodeaffinity-required.yaml
​
# 再次启动
kubectl create -f pod-nodeaffinity-required.yaml
​
# 此时查看，发现调度成功，已经将pod调度到了node1上
kubectl get pods pod-nodeaffinity-required -n mk -o wide

接下来再演示一下requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution ,

创建pod-nodeaffinity-preferred.yaml

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: pod-nodeaffinity-preferred
  namespace: mk
spec:
  containers:
  - name: tomcat
    image: tomcat:lastest
  affinity:  #亲和性设置
    nodeAffinity: #设置node亲和性
      preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution: # 软限制
      - weight: 1
        preference:
          matchExpressions: # 匹配worker的值在["node3"]中的标签(当前环境没有)
          - key: worker
            operator: In
            values: ["node3"]

# 创建pod
kubectl create -f pod-nodeaffinity-preferred.yaml
​
# 查看pod状态 （运行成功）
kubectl get pod pod-nodeaffinity-preferred -n mk

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

（2）PodAffinity

PodAffinity主要实现以运行的Pod为参照，实现让新创建的Pod跟参照pod在一个区域的功能。

首先来看一下PodAffinity的可配置项：

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1-100

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

requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution,

1）首先创建一个参照Pod，pod-podaffinity-target.yaml：

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: pod-podaffinity-target
  namespace: mk
  labels:
    worker: node1 #设置标签
spec:
  containers:
  - name: tomcat
    image: tomcat:lastest
  nodeName: node1 # 将目标pod名确指定到node1上

# 启动目标pod
kubectl create -f pod-podaffinity-target.yaml
​
# 查看pod状况
kubectl get pods  pod-podaffinity-target -n mk

2）创建pod-podaffinity-required.yaml，内容如下：

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: pod-podaffinity-required
  namespace: mk
spec:
  containers:
  - name: tomcat
    image: tomcat:lastest
  affinity:  #亲和性设置
    podAffinity: #设置pod亲和性
      requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution: # 硬限制
      - labelSelector:
          matchExpressions: # 匹配worker的值在["node3"]中的标签
          - key: worker
            operator: In
            values: ["node3"]
        topologyKey: kubernetes.io/hostname

上面配置表达的意思是：新Pod必须要与拥有标签worker=worker3的pod在同一Node上，显然现在没有这样pod。

# 启动pod
kubectl create -f pod-podaffinity-required.yaml
​
# 查看pod状态，发现未运行
kubectl get pods pod-podaffinity-required -n mk

# 查看详细信息
kubectl describe pods pod-podaffinity-required  -n mk


# 接下来修改  values: ["node3"]----->values:["node1"]
# 意思是：新Pod必须要与拥有标签worker=node1的pod在同一Node上
# 然后重新创建pod，查看效果
kubectl delete -f  pod-podaffinity-required.yaml

kubectl create -f pod-podaffinity-required.yaml

# 发现此时Pod运行正常
kubectl get pods pod-podaffinity-required -n mk

PodAffinity的 preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution与上面node的相似

（3）PodAntiAffinity

PodAntiAffinity主要实现以运行的Pod为参照，让新创建的Pod跟参照pod不在一个区域中的功能。

它的配置方式和选项跟PodAffinty是一样的，这里不再做详细解释，直接做一个测试案例。

1）继续使用上个案例中目标pod

kubectl get pods -n mk -o wide --show-labels

2）创建pod-podantiaffinity-required.yaml，内容如下：

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: pod-podantiaffinity-required
  namespace: mk
spec:
  containers:
  - name: tomcat
    image: tomcat:lastest
  affinity:  #亲和性设置
    podAntiAffinity: #设置pod亲和性
      requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution: # 硬限制
      - labelSelector:
          matchExpressions: # 匹配worker的值在["node1"]中的标签
          - key: worker
            operator: In
            values: ["node1"]
        topologyKey: kubernetes.io/hostname

上面配置表达的意思是：新Pod必须要与拥有标签worker=node1的pod不在同一Node上。

# 创建pod
kubectl create -f pod-podantiaffinity-required.yaml

# 查看pod
# 发现调度到了node2上
kubectl get pods pod-podantiaffinity-required -n mk -o wide

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

使用kubectl设置和去除污点的命令示例如下：

# 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-

设置污点的效果：

1. 准备节点node1（为了效果明显，停止node2）

2. 为node1节点设置一个污点: error=mk:PreferNoSchedule；然后创建pod1( pod1 可以 )

3. 修改为node1节点设置一个污点: error=mk:NoSchedule；然后创建pod2( pod1 正常 pod2 失败 )

4. 修改为node1节点设置一个污点: error=mk:NoExecute；然后创建pod3 ( 3个pod都失败 )

# 为node1设置污点(PreferNoSchedule)
kubectl taint nodes node1 error=mk:PreferNoSchedule
​
# 创建pod1
kubectl run taint-deploy1 --image=tomcat:lastest -n mk
kubectl get pods -n mk -o wide

​
# 为node1设置污点(取消PreferNoSchedule，设置NoSchedule)
kubectl taint nodes node1 error:PreferNoSchedule-
kubectl taint nodes node1 error=mk:NoSchedule
​
# 创建pod2
kubectl run taint-deploy2 --image=tomcat:lastest -n mk
kubectl get pods taint-deploy2 -n mk -o wide

# 为node1设置污点(取消NoSchedule，设置NoExecute)
kubectl taint nodes node1 error:NoSchedule-
kubectl taint nodes node1 error=mk:NoExecute
​
# 创建pod3
kubectl run taint-deploy3 --image=tomcat:lastest -n mk
kubectl get pods -n mk -o wide

提示：
    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，可以在node上添加污点用于拒绝pod调度上来，如果想将一个pod调度到一个有污点的node上去，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

下面先通过例子看下效果：

1. 已经在node1节点上打上了NoExecute的污点，此时pod是调度不上去的

2. 可以通过给pod添加容忍，然后将其调度上去

创建pod-toleration.yaml,内容如下

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: pod-toleration
  namespace: mk
spec:
  containers:
  - name: tomcat
    image: tomcat:lastest
  tolerations:      # 添加容忍
  - key: "error"        # 要容忍的污点的key
    operator: "Equal" # 操作符
    value: "mk"    # 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

# 添加容忍之前的pod
kubectl get pods -n mk -o wide     
​
# 添加容忍之后的pod
kubectl get pods -n mk -o wide

下面看一下容忍的详细配置:

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