Kubernetes——Pod资源亲和调度
Pod资源亲和调度
出于高效通信的需求，偶尔需要把一些 Pod 对象组织在相似的位置（同一节点、机架、区域或地区等），如某业务的前端 Pod 和后端 Pod 等，此时可以将这些 Pod 对象间的关系称为亲和性。
偶尔，出于安全或分布式等原因也有可能需要将一些 Pod 对象在其运行的位置上隔离开来，如在每个区域运行一个应用代理 Pod 对象等，此时可把这些 Pod 对象间的关系称为反亲和性(anti-affinity)。
Kubernetes 调度器通过内建的 MatchInterPodAffinity 预选策略为这种调度方式完成节点预选，并基于 InterPodAffinityPriority 优选函数进行各节点的优先级评估。
一、位置拓扑
Pod亲和性调度需要各相关的 Pod 对象运行于“同一位置”，而反亲和性调度则要求它们不能运行于“同一位置”。何谓同一位置？事实上，它们取决于节点的位置拓扑，拓扑的方式不同。
如果以基于各节点的 kubernetes.io/hostname 标签作为评判标准，那么很显然，“同一位置” 意味着同一个节点，不同节点即不同的位置，如图所示：
在定义 Pod 对象的亲和性与反亲和性时，需要借助于标签选择器来选择被依赖的 Pod 对象，并根据选出的 Pod 对象所在的节点的标签来判定 "同一位置" 的具体意义。
二、Pod硬亲和调度
Pod 强制约束的亲和性调度也使用 requiredDuringSchedulinglgnoredDuringExecution 属性进行定义。Pod 亲和性用于描述一个 Pod 对象与具有某特征的现存 Pod 对象运行位置的依赖关系，因此，测试使用 Pod 亲和性约束，需要事先存在被依赖的Pod对象，它们具有特别的识别标签。例如创建一个有着标签 app=tomcat 的 Deployment 资源部署一个 Pod 对象：
kubectl run tomcat -l app=tomcat --image tomcat:alpine
下面的资源配置清单（required-podAffinity-pod1.yaml）中定义了一个 Pod 对象，它通过 labelSelector 定义的标签选择器挑选感兴趣的现存 Pod 对象，而后根据挑选出的 Pod 对象所在节点的标签 "kubernetes.io/hostname" 来判断同一位置的具体含义，并将当前 Pod 对象调度至这一位置的某节点之上：
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
name: with-pod-affinity-1
spec:
affinity:
podAffinity:
requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
- labelSelector:
matchExpressions:
- {key: app, operator: In, values: ["tomcat"]}
topologyKey: kubernetes.io/hostname
containers:
- name: nginx
image: nginx
事实上，kubernetes.io/hostname 标签是 Kubernetes 集群节点的内建标签，它的值为当前节点的节点主机名称标识，对于各个节点来说，各有不同。因此，新建的 Pod 象将被部署至被依赖的Pod 对象的同一节点上，requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution 表示这种亲和性为强制约束。
kubectl apply -f required-podAffinity-pod1.yaml
kubectl get pods -o wide
基于单一节点的 Pod 亲和性只在极个别的情况下才有可能会用到，较为常用的通常是基于同一地区 region、区域 zone 或机架 rack 的拓扑位置约束。例如部署应用程序服务 myapp 与数据库 db 服务相关的 Pod 时，db Pod 可能会部署于如上图所示的 foo 或 bar 这两个区域中的某节点之上，依赖于数据服务的 myapp Pod 对象可部署于 db Pod 所在区域内的节点上。当然，如果 db Pod 在两个区域 foo 和 bar 中各有副本运行，那么 myapp Pod 将可以运行于这两个区域的任何节点之上。
例如，创建具有两个拥有标签为 "app=db" 的副本 Pod 作为被依赖的资源，它们可能运行类似下图所示的三个节点中的任何一个或两个节点上，本示例中它们凑巧运行于两个 zone 标签值不同的节点上：
kubectl run db -l app=db --image=redis:alpin --replicas=2
kubectl get pods -l app=db -o wide -w
于是，依赖于亲和于这两个 Pod 的其他 Pod 对象可运行于 zone 标签值为 foo 和 bar 的区域内的所有节点之上。下面的资源清单（deploy-with-required-podAffinity.yaml）中正是定义了这样一些 Pod 资源，它们由 Deployment 控制器所创建：
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
name: myapp-with-pod-affinity
spec:
replicas: 3
selector:
matchLabels:
app: myapp
template:
metadata:
name: myapp
labels:
app: myapp
spec:
affinity:
podAffinity:
requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
- labelSelector:
matchExpressions:
- {key: app, operator: In, values: ["db"]}
topologyKey: zone
containers:
- name: nginx
image: nginx
在调度示例中的 Deployment 控制器创建的 Pod资 源时，调度器首先会基于标签选择器查询拥有标签 "app=db" 的所有 Pod 资源，接着获取到它们分别所属的节点的 zone 标签值，接下来再查询拥有匹配这些标签值的所有节点，从而完成节点预选。而后根据优选函数计算这些节点的优先级，从而挑选出运行新建 Pod 对象的节点。
需要注意的是，如果节点上的标签在运行时发生了更改，以致它不再满足 Pod 上的亲和性规则，但该 Pod 还将继续在该节点上运行，因此它仅会影响新建的 Pod 资源；另外，labelSelector 属性仅匹配与被调度器的 Pod 在同一名称空间中的 Pod 资源，不过也可以通过为其添加 namespace 字段以指定其他名称空间 。
三、Pod 软亲和调度
类似于节点亲和性机制，Pod 也支持使用 preferredDuringSchedulinglgnoredDuringExecution 属性定义柔性亲和机制，调度器会尽力确保满足亲和约束的调度逻辑，然而在约束条件不能得到满足时，它也允许将 Pod 对象调度至其他节点运行。下面是一个使用了 Pod 软亲和性调度机制的资源配置清单示例(deploy-with-preferred-podAffinity.yaml):
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
name: myapp-with-preferred-pod-affinity
spec:
replicas: 3
selector:
matchLabels:
app: myapp
template:
metadata:
name: myapp
labels:
app: myapp
spec:
affinity:
podAffinity:
preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
- weight: 80
podAffinityTerm:
labelSelector:
matchExpressions:
- {key: app, operator: In, values: ["cache"]}
topologyKey: zone
- weight: 20
podAffinityTerm:
labelSelector:
matchExpressions:
- {key: app, operator: In, values: ["db"]}
topologyKey: zone
containers:
- name: nginx
image: nginx
它定义了两组亲和性判定机制，一个是选择 cache Pod 所在节点的 zone 标签，并赋予了较高的权重 80，另一个是选择 db Pod 所在节点的 zone 标签，它有着略低的权重 20。于是，调度器会将目标节点分为四类 ：cache Pod 和 db Pod 同时所属的 zone、cache Pod 单独所属的 zone、db Pod 单独所属的 zone，以及其他所有的 zone。
四、Pod反亲和调度
podAffinity 用于定义 Pod 对象的亲和约束，对应地，将其替换为 podAntiAffinty 即可用于定义Pod对象的反亲和约束。不过，反亲和性调度一般用于分散同一类应用的 Pod 对象等，也包括将不同安全级别的 Pod 对象调度至不同的区域、机架或节点等。下面的资源配置清单中定义了由同一 Deployment 创建但彼此基于节点位置互斥的 Pod 对象：
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
name: myapp-with-pod-anti-affinity
spec:
replicas: 4
selector:
matchLabels:
app: myapp
template:
metadata:
name: myapp
labels:
app: myapp
spec:
affinity:
podAntiAffinity:
requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
- labelSelector:
matchExpressions:
- {key: app, operator: In, values: ["myapp"]}
topologyKey: kubernetes.io/hostname
containers:
- name: nginx
image: nginx
由于定义的强制性反亲和和约束，因此，创建的 4 个 Pod 副本必须运行于不同的节点中。不过，本集群中一共只存在 3 个节点，因此，必然地会有一个 Pod 对象处于 Pending 状态。
Pod 反亲和调度也支持使用柔性约束机制，在调度时，它将尽量不把位置相斥的 Pod 对象调度于同一位置，但是，当约束关系无法得到满足时，也可以违反约束而调度。
