K8S-集群调度

一.调度约束

Kubernetes 是通过 List-Watch 的机制进行每个组件的协作，保持数据同步的，每个组件之间的设计实现了解耦。

• 用户是通过 kubectl 根据配置文件，向 APIServer 发送命令，在 Node 节点上面建立 Pod 和 Container。
• APIServer 经过 API 调用，权限控制，调用资源和存储资源的过程，实际上还没有真正开始部署应用。这里 需要 Controller Manager、Scheduler 和 kubelet 的协助才能完成整个部署过程。
• 在 Kubernetes 中，所有部署的信息都会写到 etcd 中保存。实际上 etcd 在存储部署信息的时候，会发送 Create 事件给 APIServer，而 APIServer 会通过监听（Watch）etcd 发过来的事件。其他组件也会监听（Watch）APIServer 发出来的事件。

二.集群调度

2.1Scheduler【调度器】

• 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。
• Sheduler 是作为单独的程序运行的，启动之后会一直监听 APIServer，获取 spec.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。

其主要考虑的问题如下：

• 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

调度分为三部分：

• ①首先是过滤掉不满足条件的节点，这个过程称为预算策略（predicate）；
• ②然后对通过的节点按照优先级排序，这个是优选策略（priorities）；
• ③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。

2.2Predicate【预选策略】

Predicate 有一系列的常见的算法可以使用：

• 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。

注意：

• ①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。
• ②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。

2.3Priorities【优选策略】

• 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）。

常见的优先级选项：

• 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。也就是说，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。这个一般和上面的一起使用，不单独使用。【比如 node01 的 CPU 和 Memory 使用率 20:60，node02 的 CPU 和 Memory 使用率 50:50，虽然 node01 的总使用率比 node02 低，但 node02 的 CPU 和 Memory 使用率更接近，从而调度时会优选 node02。】
• 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。

三.调度亲和性

• Kubernetes中的亲和性（Affinity）和反亲和性（Anti-Affinity）可以用来指定Pod在哪些节点上可以或不能够被调度。这对于在多节点集群上运行应用程序非常有用，因为它可以控制Pod如何被分配到节点上。
• 亲和性可以被定义为Pod应该如何选择节点，反亲和性可以被定义为Pod应该避免哪些节点。它们都由一个或多个亲和性/反亲和性规则组成，这些规则可以基于节点上的标签进行匹配，以确定哪些节点是合适的。

3.1常见的亲和性和反亲和性的规则

• 节点亲和性（nodeAffinity）：允许Pod指定它们需要在哪些节点上运行。可以通过指定节点标签和节点选择器来指定节点亲和性规则。

• Pod亲和性（podAffinity）：允许Pod指定它们需要与哪些Pod共同调度在同一节点上运行。可以通过指定Pod标签和Pod选择器来指定Pod亲和性规则。

• Pod反亲和性（podAntiAffinity）：允许Pod指定它们不能与哪些Pod共同调度在同一节点上运行。可以通过指定Pod标签和Pod选择器来指定Pod反亲和性规则。

• 节点反亲和性（nodeAntiAffinity）：允许Pod指定它们不能在哪些节点上运行。可以通过指定节点标签和节点选择器来指定节点反亲和性规则。

通过使用亲和性和反亲和性规则，可以更好地控制Pod的调度，确保应用程序在适当的节点上运行，从而提高应用程序的可用性和性能。

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

kubectl get nodes --show-labels    //查看node节点的labels
NAME     STATUS   ROLES    AGE   VERSION   LABELS
master   Ready    master   11d   v1.20.11   beta.kubernetes.io/arch=amd64,beta.kubernetes.io/os=linux,kubernetes.io/arch=amd64,kubernetes.io/hostname=master,kubernetes.io/os=linux,node-role.kubernetes.io/master=
node01   Ready    <none>   11d   v1.20.11   beta.kubernetes.io/arch=amd64,beta.kubernetes.io/os=linux,kubernetes.io/arch=amd64,kubernetes.io/hostname=node01,kubernetes.io/os=linux
node02   Ready    <none>   11d   v1.20.11   beta.kubernetes.io/arch=amd64,beta.kubernetes.io/os=linux,kubernetes.io/arch=amd64,kubernetes.io/hostname=node02,kubernetes.io/os=linux

 

3.2节点亲和性

pod.spec.nodeAffinity

• preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution：软策略
• requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution：硬策略

①节点亲和性：硬策略

vim pod1.yaml
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: affinity
  labels:
    app: node-affinity-pod
spec:
  containers:
  - name: with-node-affinity
    image: soscscs/myapp:v1
  affinity:
    nodeAffinity:    //节点亲和
      requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:    //硬策略
        nodeSelectorTerms:
        - matchExpressions:
          - key: kubernetes.io/hostname    //指定node的标签
            operator: NotIn     //设置Pod安装到kubernetes.io/hostname的标签值不在values列表中的node上
            values:：
            - node02
            

kubectl apply -f pod1.yaml

kubectl get pods -o wide
NAME       READY   STATUS    RESTARTS   AGE   IP            NODE     NOMINATED NODE   READINESS GATES
affinity   1/1     Running   0          13s   10.244.1.30   node01   <none>           <none>

kubectl delete pod --all && kubectl apply -f pod1.yaml && kubectl get pods -o wide

#如果硬策略不满足条件，Pod 状态一直会处于 Pending 状态。

 

②节点亲和性：软策略

vim pod2.yaml
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: affinity
  labels:
    app: node-affinity-pod
spec:
  containers:
  - name: with-node-affinity
    image: soscscs/myapp:v1
  affinity:
    nodeAffinity:
      preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:   //软策略
      - weight: 1   //如果有多个软策略选项的话，权重越大，优先级越高
        preference:
          matchExpressions:
          - key: kubernetes.io/hostname
            operator: In
            values:
            - node03


kubectl apply -f pod2.yaml

kubectl get pods -o wide
NAME       READY   STATUS    RESTARTS   AGE   IP            NODE     NOMINATED NODE   READINESS GATES
affinity   1/1     Running   0          5s    10.244.2.35   node02   <none>           <none>

#把values:的值改成node01，则会优先在node01上创建Pod
kubectl delete pod --all && kubectl apply -f pod2.yaml && kubectl get pods -o wide

 

③节点亲和性：软策略和硬策略

• 如果把硬策略和软策略合在一起使用，则要先满足硬策略之后才会满足软策略

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: affinity
  labels:
    app: node-affinity-pod
spec:
  containers:
  - name: with-node-affinity
    image: soscscs/myapp:v1
  affinity:
    nodeAffinity:
      requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:   //先满足硬策略，排除有kubernetes.io/hostname=node02标签的节点
        nodeSelectorTerms:
        - matchExpressions:
          - key: kubernetes.io/hostname
            operator: NotIn
            values:
            - node02
      preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:  //再满足软策略，优先选择有kgc=a标签的节点
      - weight: 1
        preference:
          matchExpressions:
          - key: kgc
            operator: In
            values:
            - a

3.3pod亲和性与反亲和性

• pod亲和性主要解决pod可以和哪些pod部署在同一个拓扑域中的问题

拓扑域：

• 用主机标签实现，可以是单个主机，或者具有同个label的多个主机，也可以是多个主机组成的 cluster、zone 等等

pod亲和性/反亲和性又分为两种：

pod.spec.affinity.podAffinity/podAntiAffinity

• preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution：软策略
• requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution：硬策略

①pod亲和性/反亲和性：软策略和硬策略

apiVersion: v1 
kind: Pod 
metadata:
  name: pod-3 
  labels:
    app: pod-3 
spec:
  containers:
  - name: pod-3 
    image: lzw5399/tocgenerator
  affinity:
    # 配置一条pod亲和性策略
    podAffinity:
      # 配置为硬策略
      requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
      - labelSelector:
          matchExpressions:
          - key: app 
            operator: In 
            values:
            - pod-1 
      topologyKey: kubernetes.io/hostname
    # 配置一条pod反亲和性策略
    podAntiAffinity:
      # 配置为软策略
      preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
        - weight: 1 
          podAffinityTerm:
            labelSelector:
              matchExpressions:
              - key: app 
                operator: In 
                values:
                - pod-2 
            topologyKey: kubernetes.io/hostname

 

②亲和性/反亲和性调度策略

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
podAntiAffinity	POD	IN, NotIn, Exists, DoesNotExist	是	POD与指定POD不在同一拓扑域

3.4Taint(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（但不一定）被调度到具有匹配 taint 的节点上。

①污点【taint】

• 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。

污点的组成：

key=value:effect   //effect描述污点的作用

 

• 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

Taint的设置、查看和去除：

#设置污点
kubectl taint node node01 key1=value1:NoSchedule

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

#去除污点
kubectl taint node node01 key1:NoSchedule-

 

②容忍【toleration】

• 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(Tolerations)，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。

注意：

• 可以被调度不代表一定会被调度，只是保存了可能性

容忍的配置：

tolerations:
# 容忍key1-value1:NoSchedule的污点
# 且需要被驱逐时，可以再呆3600秒
- key: "key1"
  operator: "Equal"
  value: "value1"
  effect: "NoSchedule"
  # 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
  tolerationSeconds: 3600 
  
# 容忍key1-value1:NoExecute的污点
- key: "key1"
  operator: "Equal"
  value: "value1"
  effect: "NoExecute"

# 容忍key2:NoSchedule的污点
- key:"key2"
  operator: "Exists"
  effect: "NoSchedule"

 

注意点：

• 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
• 如不指定operator,则默认为equal
• 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

四.指定调度节点

通过指定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:
      # 直接指定node名称
      nodeName: k8s-node01 
      containers:
      - name: myweb 
        image: lzw5399/tocgenerator 
        ports:
        - containerPort: 80

 

4.1cordon 和 drain

• 对节点执行维护操作

#将 Node 标记为不可调度的状态，这样就不会让新创建的 Pod 在此 Node 上运行
kubectl cordon <NODE_NAME>          #该node将会变为SchedulingDisabled状态

#kubectl drain 可以让 Node 节点开始释放所有 pod，并且不接收新的 pod 进程。drain 本意排水，意思是将出问题的 Node 下的 Pod 转移到其它 Node 下运行
kubectl drain <NODE_NAME> --ignore-daemonsets --delete-local-data --force

 

• --ignore-daemonsets：无视 DaemonSet 管理下的 Pod。
• --delete-local-data：如果有 mount local volume 的 pod，会强制杀掉该 pod。
• --force：强制释放不是控制器管理的 Pod，例如 kube-proxy。

 

注：执行 drain 命令，会自动做了两件事情:

• ①设定此 node 为不可调度状态（cordon)
• ②evict（驱逐）了 Pod

kubectl uncordon 将 Node 标记为可调度的状态

kubectl uncordon <NODE_NAME>

 

4.2Pod启动阶段（相位 phase）

• Pod 创建完之后，一直到持久运行起来，中间有很多步骤，也就有很多出错的可能，因此会有很多不同的状态。

一般来说，pod 这个过程包含以下几个步骤：
（1）调度到某台 node 上。kubernetes 根据一定的优先级算法选择一台 node 节点将其作为 Pod 运行的 node
（2）拉取镜像
（3）挂载存储配置等
（4）运行起来。如果有健康检查，会根据检查的结果来设置其状态。

phase 的可能状态有：

• Pending：表示APIServer创建了Pod资源对象并已经存入了etcd中，但是它并未被调度完成（比如还没有调度到某台node上），或者仍然处于从仓库下载镜像的过程中。
• Running：Pod已经被调度到某节点之上，并且Pod中所有容器都已经被kubelet创建。至少有一个容器正在运行，或者正处于启动或者重启状态（也就是说Running状态下的Pod不一定能被正常访问）。
• Succeeded：有些pod不是长久运行的，比如job、cronjob，一段时间后Pod中的所有容器都被成功终止，并且不会再重启。需要反馈任务执行的结果。
• Failed：Pod中的所有容器都已终止了，并且至少有一个容器是因为失败终止。也就是说，容器以非0状态退出或者被系统终止，比如 command 写的有问题。
• Unknown：表示无法读取 Pod 状态，通常是 kube-controller-manager 无法与 Pod 通信。

五.总结

①故障排除步骤：

#查看Pod事件
kubectl describe TYPE NAME_PREFIX  

#查看Pod日志（Failed状态下）
kubectl logs <POD_NAME> [-c Container_NAME]

#进入Pod（状态为running，但是服务没有提供）
kubectl exec –it <POD_NAME> bash

#查看集群信息
kubectl get nodes

#发现集群状态正常
kubectl cluster-info

#查看kubelet日志发现
journalctl -xefu kubelet