k8s 调度

kube-scheduler 是 k8s 系统的核心组件之一，其主要职责就是通过自身的调度算法，为新创建的 Pod 寻找一个最合适的 Node。

主要包含如下几个步骤：

• 通过一组叫做谓词 predicates 的过滤算法，先挑出满足条件的 Node；
• 通过一组叫做优先级 priorities 的打分算法，来给上一步符合条件的每个 Node 进行打分排名；
• 最终选择得分最高的节点，当然如果得分一样就随机一个节点，填回 Pod 的 spec.nodeName 字段。

官方流程图如下:

For given pod:

+---------------------------------------------+
|               Schedulable nodes:            |
|                                             |
| +--------+    +--------+      +--------+    |
| | node 1 |    | node 2 |      | node 3 |    |
| +--------+    +--------+      +--------+    |
|                                             |
+-------------------+-------------------------+
                    |
                    |
                    v
+-------------------+-------------------------+

Pred. filters: node 3 doesn't have enough resource

+-------------------+-------------------------+
                    |
                    |
                    v
+-------------------+-------------------------+
|             remaining nodes:                |
|   +--------+                 +--------+     |
|   | node 1 |                 | node 2 |     |
|   +--------+                 +--------+     |
|                                             |
+-------------------+-------------------------+
                    |
                    |
                    v
+-------------------+-------------------------+

Priority function:    node 1: p=2
                      node 2: p=5

+-------------------+-------------------------+
                    |
                    |
                    v
        select max{node priority} = node 2

scheduler 的工作看似很简单，但其实不然。考虑的问题非常多，比如要保证每个节点被公平调度，提高资源利用率，提高 pod 调度效率，提升调度器扩展能力等等。

Kubernetes的调度器以插件化形式实现的，方便用户定制和二次开发。用户可以自定义调度器并以插件形式与Kubernetes集成，或集成其他调度器，便于调度不同类型的任务。

Kubernetes调度器的源码位于kubernetes/plugin/中，大体的代码目录结构如下所示：

kubernetes/plugin/pkg/  
`-- scheduler               //调度相关的具体实现              
|-- algorithm
|   |-- predicates       //节点筛选策略
|   `-- priorities         //节点打分策略
|       `-- util
|-- algorithmprovider
|   `-- defaults          //定义默认的调度器  12345678

Scheduler创建和运行的过程， 对应的代码在plugin/pkg/scheduler/scheduler.go。
上面初步介绍了Kubernetes调度器,在新增Pod的过程中，调度器的调度策略被分成两个阶段：Predicates阶段和Priorities阶段

Predicates

• 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

Priorities

• 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）

Scheduler

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

vim test.yaml

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

查看信息

kubectl apply -f test.yaml

#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:

vim pod-affinity-demo.yaml
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

Taint And 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。

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"