Kubernetes 调度器和调度算法

简介

• 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；然后对通过的节点按照优先级排序，这个是 priority；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

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：

<code>
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
/<code>

节点亲和性

pod.spec.nodeAffinity

• preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution：软策略
• requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution：硬策略

requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution

<code>
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
/<code>

preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution

<code>
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
/<code>

合体

<code>
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
:
      - 
weight
: 
1
        
preference
:
          
matchExpressions 
:
          - 
key
: source
            
operator
: In
            
values
:
            - qikqiak
/<code>

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

Pod 亲和性

pod.spec.affinity.podAffinity/podAntiAffinity

• preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution：软策略
• requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution：硬策略

<code>
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
/<code>

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podAffinityPODIn, NotIn, Exists, DoesNotExist是POD与指定POD同一拓扑域podAnitAffinityPODIn, NotIn, Exists, DoesNotExist是POD与指定POD不在同一拓扑域

Taint 和 Toleration

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：

<code>
key
=value:effect
/<code>

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、污点的设置、查看和去除

<code> 
kubectl
 
taint nodes node1 key1=value1:NoSchedule
 
kubectl
 
describe pod  pod-name  
 
kubectl
 
taint nodes node1 key1:NoSchedule-
/<code>

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

<code>
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"
/<code>

• 其中 key, vaule, 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：

<code>
tolerations
:
- 
operator
: 
"Exists"
/<code>

Ⅱ、当不指定 effect 值时，表示容忍所有的污点作用

<code>
tolerations
:
- 
key
: 
"key" 

  
operator
: 
"Exists"
/<code>

Ⅲ、有多个 Master 存在时，防止资源浪费，可以如下设置

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

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

<code>
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:
 
80
/<code>

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

<code>
apiVersion:
 
extensions/v1beta1
kind:
 
Deployment
metadata:
  
name:
 
myweb 

spec:
  
replicas:
 
2
  
template:
    
metadata:
      
labels:
        
app:
 
myweb
    
spec:
      
nodeSelector:
        
type:
 
backEndNode1
      
containers:
      
-
 
name:
 
myweb
        
image:
 
harbor/tomcat:8.5-jre8
        
ports:
        
-
 
containerPort:
 
80
/<code>