Kubernetes之调度器和调度过程

scheduler

当Scheduler通过API server 的watch接口监听到新建Pod副本的信息后，它会检查所有符合该Pod要求的Node列表，开始执行Pod调度逻辑。调度成功后将Pod绑定到目标节点上。Scheduler在整个系统中承担了承上启下的作用，承上是负责接收创建的新Pod，为安排一个落脚的地（Node）,启下是安置工作完成后，目标Node上的kubelet服务进程接管后继工作，负责Pod生命周期的后半生。具体来说，Scheduler的作用是将待调度的Pod安装特定的调度算法和调度策略绑定到集群中的某个合适的Node上，并将绑定信息传给API server 写入etcd中。整个调度过程中涉及三个对象，分别是：待调度的Pod列表，可以的Node列表，以及调度算法和策略。

Kubernetes Scheduler 提供的调度流程分三步：

1. 预选策略(predicate) 遍历nodelist，选择出符合要求的候选节点，Kubernetes内置了多种预选规则供用户选择。
2. 优选策略(priority) 在选择出符合要求的候选节点中，采用优选规则计算出每个节点的积分，最后选择得分最高的。
3. 选定(select)  如果最高得分有好几个节点，select就会从中随机选择一个节点。

如图：

预选策略算法的集合在官方源码

常用的预选策略（代码里的策略不一定都会被使用）

• CheckNodeConditionPred  检查节点是否正常
  
• GeneralPred  HostName(如果pod定义hostname属性，会检查节点是否匹配。pod.spec.hostname)、PodFitsHostPorts（检查pod要暴露的hostpors是否被占用。pod.spec.containers.ports.hostPort）
• MatchNodeSelector  pod.spec.nodeSelector  看节点标签能否适配pod定义的nodeSelector
• PodFitsResources 判断节点的资源能够满足Pod的定义（如果一个pod定义最少需要2C4G node上的低于此资源的将不被调度。用kubectl describe node NODE名称 可以查看资源使用情况）
• NoDiskConflict 判断pod定义的存储是否在node节点上使用。（默认没有启用）
• PodToleratesNodeTaints 检查pod上Tolerates的能否容忍污点（pod.spec.tolerations）
• CheckNodeLabelPresence 检查节点上的标志是否存在 （默认没有启动）
• CheckServiceAffinity  根据pod所属的service。将相同service上的pod尽量放到同一个节点（默认没有启动）
• CheckVolumeBinding 检查是否可以绑定（默认没有启动）
• NoVolumeZoneConflict 检查是否在一起区域（默认没有启动）
• CheckNodeMemoryPressure  检查内存是否存在压力
• CheckNodeDiskPressure   检查磁盘IO压力是否过大
  
• CheckNodePIDPressure 检查pid资源是否过大

优选策略

• least_requested  选择消耗最小的节点（根据空闲比率评估 cpu(总容量-sum(已使用)*10/总容量) ）
  
• balanced_resource_allocation  从节点列表中选出各项资源使用率最均衡的节点（CPU和内存）
• node_prefer_avoid_pods  节点倾向
• taint_toleration 将pod对象的spec.toleration与节点的taints列表项进行匹配度检查，匹配的条目越多，得分越低。
• selector_spreading 与services上其他pod尽量不在同一个节点上，节点上通一个service的pod越少得分越高。
• interpod_affinity  遍历node上的亲和性条目，匹配项越多的得分越高
• most_requested  选择消耗最大的节点上（尽量将一个节点上的资源用完）
• node_label  根据节点标签得分，存在标签既得分，没有标签没得分。标签越多 得分越高。
• image_locality  节点上有所需要的镜像既得分，所需镜像越多得分越高。（根据已有镜像体积大小之和）

高级调度方式

当我们想把调度到预期的节点，我们可以使用高级调度分为：

• 节点选择器： nodeSelector、nodeName
• 节点亲和性调度： nodeAffinity
• Pod亲和性调度：PodAffinity
• Pod反亲和性调度：podAntiAffinity

NodeSelector

我们定义一个pod,让其选择带有node=ssd这个标签的节点

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: pod-1
  labels:
    name: myapp
spec:
  containers:
  - name: myapp
    image: ikubernetes/myapp:v1
  nodeSelector:
    node: ssd

kubectl apply -f test.yaml

查看信息

#get一下pod 一直处于Pending状态
$ kubectl get pod 
NAME      READY     STATUS    RESTARTS   AGE
pod-1     0/1       Pending   0          7s
#查看详细信息,是没有可用的selector
$ kubectl describe pod pod-1
...
Events:
  Type     Reason            Age                From               Message
  ----     ------            ----               ----               -------
  Warning  FailedScheduling  9s (x14 over 36s)  default-scheduler  0/4 nodes are available: 4 node(s) didn't match node selector.
#我们给node2打上这个标签
$  kubectl label node k8s-node02 node=ssd
node/k8s-node02 labeled
#Pod正常启动
$  kubectl describe pod pod-1
....
Events:
  Type     Reason            Age                From                 Message
  ----     ------            ----               ----                 -------
  Warning  FailedScheduling  2m (x122 over 8m)  default-scheduler    0/4 nodes are available: 4 node(s) didn't match node selector.
  Normal   Pulled            7s                 kubelet, k8s-node02  Container image "ikubernetes/myapp:v1" already present on machine
  Normal   Created           7s                 kubelet, k8s-node02  Created container
  Normal   Started           7s                 kubelet, k8s-node02  Started container

 nodeAffinity

kubectl explain pod.spec.affinity.nodeAffinity 

• requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution 硬亲和性  必须满足亲和性。
  
  • matchExpressions  匹配表达式,这个标签可以指定一段，例如pod中定义的key为zone，operator为In(包含那些)，values为 foo和bar。就是在node节点中包含foo和bar的标签中调度
  • matchFields  匹配字段 和上面的意思 不过他可以不定义标签值，可以定义
• preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution   软亲和性 能满足最好，不满足也没关系。
  
  • preference 优先级
  • weight 权重1-100范围内，对于满足所有调度要求的每个节点，调度程序将通过迭代此字段的元素计算总和，并在节点与对应的节点匹配时将“权重”添加到总和。

运算符包含：In，NotIn，Exists，DoesNotExist，Gt，Lt。可以使用NotIn和DoesNotExist实现节点反关联行为。

硬亲和性:

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: node-affinity-pod
  labels:
    name: myapp
spec:
  containers:
  - name: myapp
    image: ikubernetes/myapp:v1
  affinity:
    nodeAffinity:
      requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
        nodeSelectorTerms:
        - matchExpressions:
          - key: zone
            operator: In
            values:
            - foo
            - bar
$ kubectl apply -f pod-affinity-demo.yaml 
$ kubectl describe pod node-affinity-pod 
.....
Events:
  Type     Reason            Age                From               Message
  ----     ------            ----               ----               -------
  Warning  FailedScheduling  33s (x25 over 1m)  default-scheduler  0/4 nodes are available: 4 node(s) didn't match node selector.
# 给其中一个node打上foo的标签
$ kubectl label node k8s-node03 zone=foo
$ kubectl get pods
NAME                READY     STATUS    RESTARTS   AGE
node-affinity-pod   1/1       Running   0          8m

 软亲和性：

与requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution比较，这里需要注意的是preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution是个列表项，而preference不是一个列表项了。

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: node-affinity-pod-2
  labels:
    name: myapp
spec:
  containers:
  - name: myapp
    image: ikubernetes/myapp:v1
  affinity:
    nodeAffinity:
      preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
      - weight: 50
        preference:
          matchExpressions:
          - key: zone
            operator: In
            values:
            - foo
            - bar
$ kubectl get pod -o wide 
NAME                  READY     STATUS    RESTARTS   AGE       IP           NODE
node-affinity-pod     1/1       Running   0          3h        10.244.3.2   k8s-node03
node-affinity-pod-2   1/1       Running   0          1m        10.244.3.3   k8s-node03

 podAffinity

Pod亲和性场景，我们的k8s集群的节点分布在不同的区域或者不同的机房，当服务A和服务B要求部署在同一个区域或者同一机房的时候，我们就需要亲和性调度了。

kubectl explain pod.spec.affinity.podAffinity 和NodeAffinity是一样的，都是有硬亲和性和软亲和性

硬亲和性：

• labelSelector  选择跟那组Pod亲和
• namespaces 选择哪个命名空间
• topologyKey 指定节点上的哪个键

样例

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: node-affinity-pod1
  labels:
    name: podaffinity-myapp
    tier: service
spec:
  containers:
  - name: myapp
    image: ikubernetes/myapp:v1
---
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: node-affinity-pod2
  labels:
    name: podaffinity-myapp
    tier: front
spec:
  containers:
  - name: myapp
    image: ikubernetes/myapp:v1
  affinity:
    podAffinity:
      requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
      - labelSelector:
          matchExpressions:
          - key: name
            operator: In
            values:
            - podaffinity-myapp
        topologyKey: kubernetes.io/hostname 

查看

kubectl get pods -o wide 
NAME                  READY     STATUS    RESTARTS   AGE       IP           NODE
node-affinity-pod1    1/1       Running   0          12s       10.244.2.6   k8s-node02
node-affinity-pod2    1/1       Running   0          12s       10.244.2.5   k8s-node02

podAntiAffinity

Pod反亲和性场景，当应用服务A和数据库服务B要求尽量不要在同一台节点上的时候。

 kubectl explain pod.spec.affinity.podAntiAffinity 也分为硬反亲和性和软反亲和性调度（和podAffinity一样的配置）

#首先把两个node打上同一个标签。
kubectl label node k8s-node02 zone=foo 
kubectl label node k8s-node03 zone=foo
#反硬亲和调度
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: node-affinity-pod1
  labels:
    name: podaffinity-myapp
    tier: service
spec:
  containers:
  - name: myapp
    image: ikubernetes/myapp:v1
---
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: node-affinity-pod2
  labels:
    name: podaffinity-myapp
    tier: front
spec:
  containers:
  - name: myapp
    image: ikubernetes/myapp:v1
  affinity:
    podAntiAffinity:
      requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
      - labelSelector:
          matchExpressions:
          - key: name
            operator: In
            values:
            - podaffinity-myapp
        topologyKey: zone

查看一下(因为zone这个key在每个node都有会，所以第二个Pod没有办法调度，所以一直Pending状态)

$ kubectl get  pod 
NAME                 READY     STATUS    RESTARTS   AGE
node-affinity-pod1   1/1       Running   0          11s
node-affinity-pod2   0/1       Pending   0          11s

污点容忍调度（Taint和Toleration）

前两种方式都是pod选择那个pod，而污点调度是node选择的pod，污点就是定义在节点上的键值属性数据。举要作用是让节点拒绝pod，拒绝不合法node规则的pod。Taint（污点）和 Toleration（容忍）是相互配合的，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。

Taint

Taint是节点上属性，我们看一下Taints如何定义

kubectl explain node.spec.taints（对象列表）

• key  定义一个key
• value 定义一个值
• effect  pod不能容忍这个污点时，他的行为是什么，行为分为三种：NoSchedule 仅影响调度过程，对现存的pod不影响。PreferNoSchedule 系统将尽量避免放置不容忍节点上污点的pod，但这不是必需的。就是软版的NoSchedule  NoExecute 既影响调度过程，也影响现存的pod，不满足的pod将被驱逐。

node 打 taint

kubectl taint NODE NAME KEY_1=VAL_1:TAINT_EFFECT_1 ... KEY_N=VAL_N:TAINT_EFFECT_N [options]
增加taint
kubectl  taint node k8s-node02 node-type=prod:NoSchedule
删除taint
kubectl  taint node k8s-node02 node-type:NoSchedule-

tolerations

• key 被容忍的key
• tolerationSeconds  被驱逐的宽限时间，默认是0 就是立即被驱逐
• value  被容忍key的值
• operator  Exists只要key在就可以调度，Equal（等值比较）必须是值要相同
• effect  节点调度后的操作

创建一个容忍

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: myapp-deploy
  namespace: default
spec:
  replicas: 3
  selector:
    matchLabels:
      app: myapp
      release: dev
  template:
    metadata:
      labels:
        app: myapp
        release: dev
    spec:
      containers:
      - name: myapp-containers
        image: ikubernetes/myapp:v2
        ports:
        - name: http
          containerPort: 80
      tolerations:
      - key: "node-type"
        operator: "Equal"
        value: "prod"
        effect: "NoSchedule"