七、kubernetes Pod调度

Pod调度

在默认情况下，一个Pod在哪个Node节点上运行，是由Scheduler组件采用相应的算法计算出来的，这个过程是不受人工控制的。但是在实际使用中，这并不满足的需求，因为很多情况下，我们想控制某些Pod到达某些节点上，那么应该怎么做呢？这就要求了解kubernetes对Pod的调度规则，kubernetes提供了四大类调度方式：

• 自动调度：运行在哪个节点上完全由Scheduler经过一系列的算法计算得出
• 定向调度：NodeName、NodeSelector
• 亲和性调度：NodeAffinity、PodAffinity、PodAntiAffinity
• 污点（容忍）调度：Taints、Toleration

1. 定向调度

定向调度，指的是利用在pod上声明nodeName或者nodeSelector，以此将Pod调度到期望的node节点上。注意，这里的调度是强制的，这就意味着即使要调度的目标Node不存在，也会向上面进行调度，只不过pod运行失败而已。

NodeName

NodeName用于强制约束将Pod调度到指定的Name的Node节点上。这种方式，其实是直接跳过Scheduler的调度逻辑，直接将Pod调度到指定名称的节点。

接下来，实验一下：创建一个pod-nodename.yaml文件

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: pod-nodename
  namespace: dev
spec:
  containers:
  - name: nginx
    image: nginx:1.17.1
  nodeName: node1 # 指定调度到node1节点上

#创建Pod
[root@master ~]# kubectl create -f pod-nodename.yaml
pod/pod-nodename created

#查看Pod调度到NODE属性，确实是调度到了node1节点上
[root@master ~]# kubectl get pods pod-nodename -n dev -o wide
NAME           READY   STATUS    RESTARTS   AGE   IP            NODE      ......
pod-nodename   1/1     Running   0          56s   10.244.1.87   node1     ......   

# 接下来，删除pod，修改nodeName的值为node3（并没有node3节点）
[root@master ~]# kubectl delete -f pod-nodename.yaml
pod "pod-nodename" deleted
[root@master ~]# vim pod-nodename.yaml
[root@master ~]# kubectl create -f pod-nodename.yaml
pod/pod-nodename created

#再次查看，发现已经向Node3节点调度，但是由于不存在node3节点，所以pod无法正常运行
[root@master ~]# kubectl get pods pod-nodename -n dev -o wide
NAME           READY   STATUS    RESTARTS   AGE   IP       NODE    ......
pod-nodename   0/1     Pending   0          6s    <none>   node3   ......           

NodeSelector

NodeSelector用于将pod调度到添加了指定标签的node节点上。它是通过kubernetes的label-selector机制实现的，也就是说，在pod创建之前，会由scheduler使用MatchNodeSelector调度策略进行label匹配，找出目标node，然后将pod调度到目标节点，该匹配规则是强制约束。

接下来，实验一下：

1. 首先分别为node节点添加标签

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   [root@master ~]# kubectl label nodes node1 nodeenv=pro
   node/node2 labeled
   [root@master ~]# kubectl label nodes node2 nodeenv=test
   node/node2 labeled
   

2. 创建一个pod-nodeselector.yaml文件，并使用它创建Pod

   apiVersion: v1
   kind: Pod
   metadata:
     name: pod-nodeselector
     namespace: dev
   spec:
     containers:
     - name: nginx
       image: nginx:1.17.1
     nodeSelector: 
       nodeenv: pro # 指定调度到具有nodeenv=pro标签的节点上
   

#创建Pod
[root@master ~]# kubectl create -f pod-nodeselector.yaml
pod/pod-nodeselector created

#查看Pod调度到NODE属性，确实是调度到了node1节点上
[root@master ~]# kubectl get pods pod-nodeselector -n dev -o wide
NAME               READY   STATUS    RESTARTS   AGE     IP          NODE    ......
pod-nodeselector   1/1     Running   0          47s   10.244.1.87   node1   ......

# 接下来，删除pod，修改nodeSelector的值为nodeenv: xxxx（不存在打有此标签的节点）
[root@master ~]# kubectl delete -f pod-nodeselector.yaml
pod "pod-nodeselector" deleted
[root@master ~]# vim pod-nodeselector.yaml
[root@master ~]# kubectl create -f pod-nodeselector.yaml
pod/pod-nodeselector created

#再次查看，发现pod无法正常运行,Node的值为none
[root@master ~]# kubectl get pods -n dev -o wide
NAME               READY   STATUS    RESTARTS   AGE     IP       NODE    
pod-nodeselector   0/1     Pending   0          2m20s   <none>   <none>

# 查看详情,发现node selector匹配失败的提示
[root@master ~]# kubectl describe pods pod-nodeselector -n dev
.......
Events:
  Type     Reason            Age        From               Message
  ----     ------            ----       ----               -------
  Warning  FailedScheduling  <unknown>  default-scheduler  0/3 nodes are available: 3 node(s) didn't match node selector.
  Warning  FailedScheduling  <unknown>  default-scheduler  0/3 nodes are available: 3 node(s) didn't match node selector.

2. 亲和性调度

上一节，介绍了两种定向调度的方式，使用起来非常方便，但是也有一定的问题，那就是如果没有满足条件的Node，那么Pod将不会被运行，即使在集群中还有可用Node列表也不行，这就限制了它的使用场景。

​ 基于上面的问题，kubernetes还提供了一种亲和性调度（Affinity）。它在NodeSelector的基础之上的进行了扩展，可以通过配置的形式，实现优先选择满足条件的Node进行调度，如果没有，也可以调度到不满足条件的节点上，使调度更加灵活。

Affinity主要分为三类：

• nodeAffinity(node亲和性）: 以node为目标，解决pod可以调度到哪些node的问题

• podAffinity(pod亲和性) : 以pod为目标，解决pod可以和哪些已存在的pod部署在同一个拓扑域中的问题

• podAntiAffinity(pod反亲和性) : 以pod为目标，解决pod不能和哪些已存在pod部署在同一个拓扑域中的问题

关于亲和性(反亲和性)使用场景的说明：

亲和性：如果两个应用频繁交互，那就有必要利用亲和性让两个应用的尽可能的靠近，这样可以减少因网络通信而带来的性能损耗。

反亲和性：当应用的采用多副本部署时，有必要采用反亲和性让各个应用实例打散分布在各个node上，这样可以提高服务的高可用性。

NodeAffinity

首先来看一下NodeAffinity的可配置项：

pod.spec.affinity.nodeAffinity
  requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution  Node节点必须满足指定的所有规则才可以，相当于硬限制
    nodeSelectorTerms  节点选择列表
      matchFields   按节点字段列出的节点选择器要求列表
      matchExpressions   按节点标签列出的节点选择器要求列表(推荐)
        key    键
        values 值
        operator 关系符 支持Exists, DoesNotExist, In, NotIn, Gt, Lt
  preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution 优先调度到满足指定的规则的Node，相当于软限制 (倾向)
    preference   一个节点选择器项，与相应的权重相关联
      matchFields   按节点字段列出的节点选择器要求列表
      matchExpressions   按节点标签列出的节点选择器要求列表(推荐)
        key    键
        values 值
        operator 关系符 支持In, NotIn, Exists, DoesNotExist, Gt, Lt
	weight 倾向权重，在范围1-100。

关系符的使用说明:

- matchExpressions:
  - key: nodeenv              # 匹配存在标签的key为nodeenv的节点
    operator: Exists
  - key: nodeenv              # 匹配标签的key为nodeenv,且value是"xxx"或"yyy"的节点
    operator: In
    values: ["xxx","yyy"]
  - key: nodeenv              # 匹配标签的key为nodeenv,且value大于"xxx"的节点
    operator: Gt
    values: "xxx"

接下来首先演示一下requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution ,

创建pod-nodeaffinity-required.yaml

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: pod-nodeaffinity-required
  namespace: dev
spec:
  containers:
  - name: nginx
    image: nginx:1.17.1
  affinity:  #亲和性设置
    nodeAffinity: #设置node亲和性
      requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution: # 硬限制
        nodeSelectorTerms:
        - matchExpressions: # 匹配env的值在["xxx","yyy"]中的标签
          - key: nodeenv
            operator: In
            values: ["xxx","yyy"]

# 创建pod
[root@master ~]# kubectl create -f pod-nodeaffinity-required.yaml
pod/pod-nodeaffinity-required created

# 查看pod状态 （运行失败）
[root@master ~]# kubectl get pods pod-nodeaffinity-required -n dev -o wide
NAME                        READY   STATUS    RESTARTS   AGE   IP       NODE    ...... 
pod-nodeaffinity-required   0/1     Pending   0          16s   <none>   <none>  ......

# 查看Pod的详情
# 发现调度失败，提示node选择失败
[root@master ~]# kubectl describe pod pod-nodeaffinity-required -n dev
......
  Warning  FailedScheduling  <unknown>  default-scheduler  0/3 nodes are available: 3 node(s) didn't match node selector.
  Warning  FailedScheduling  <unknown>  default-scheduler  0/3 nodes are available: 3 node(s) didn't match node selector.

#接下来，停止pod
[root@master ~]# kubectl delete -f pod-nodeaffinity-required.yaml
pod "pod-nodeaffinity-required" deleted

# 修改文件，将values: ["xxx","yyy"]------> ["pro","yyy"]
[root@master ~]# vim pod-nodeaffinity-required.yaml

# 再次启动
[root@master ~]# kubectl create -f pod-nodeaffinity-required.yaml
pod/pod-nodeaffinity-required created

# 此时查看，发现调度成功，已经将pod调度到了node1上
[root@master ~]# kubectl get pods pod-nodeaffinity-required -n dev -o wide
NAME                        READY   STATUS    RESTARTS   AGE   IP            NODE  ...... 
pod-nodeaffinity-required   1/1     Running   0          11s   10.244.1.89   node1 ......

接下来再演示一下requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution ,

创建pod-nodeaffinity-preferred.yaml

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: pod-nodeaffinity-preferred
  namespace: dev
spec:
  containers:
  - name: nginx
    image: nginx:1.17.1
  affinity:  #亲和性设置
    nodeAffinity: #设置node亲和性
      preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution: # 软限制
      - weight: 1
        preference:
          matchExpressions: # 匹配env的值在["xxx","yyy"]中的标签(当前环境没有)
          - key: nodeenv
            operator: In
            values: ["xxx","yyy"]

# 创建pod
[root@master ~]# kubectl create -f pod-nodeaffinity-preferred.yaml
pod/pod-nodeaffinity-preferred created

# 查看pod状态 （运行成功）
[root@master ~]# kubectl get pod pod-nodeaffinity-preferred -n dev
NAME                         READY   STATUS    RESTARTS   AGE
pod-nodeaffinity-preferred   1/1     Running   0          40s

NodeAffinity规则设置的注意事项：
    1 如果同时定义了nodeSelector和nodeAffinity，那么必须两个条件都得到满足，Pod才能运行在指定的Node上
    2 如果nodeAffinity指定了多个nodeSelectorTerms，那么只需要其中一个能够匹配成功即可
    3 如果一个nodeSelectorTerms中有多个matchExpressions ，则一个节点必须满足所有的才能匹配成功
    4 如果一个pod所在的Node在Pod运行期间其标签发生了改变，不再符合该Pod的节点亲和性需求，则系统将忽略此变化

PodAffinity

PodAffinity主要实现以运行的Pod为参照，实现让新创建的Pod跟参照pod在一个区域的功能。

首先来看一下PodAffinity的可配置项：

pod.spec.affinity.podAffinity
  requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution  硬限制
    namespaces       指定参照pod的namespace
    topologyKey      指定调度作用域
    labelSelector    标签选择器
      matchExpressions  按节点标签列出的节点选择器要求列表(推荐)
        key    键
        values 值
        operator 关系符 支持In, NotIn, Exists, DoesNotExist.
      matchLabels    指多个matchExpressions映射的内容
  preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution 软限制
    podAffinityTerm  选项
      namespaces      
      topologyKey
      labelSelector
        matchExpressions  
          key    键
          values 值
          operator
        matchLabels 
    weight 倾向权重，在范围1-100

topologyKey用于指定调度时作用域,例如:
    如果指定为kubernetes.io/hostname，那就是以Node节点为区分范围
	如果指定为beta.kubernetes.io/os,则以Node节点的操作系统类型来区分

接下来，演示下requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution,

1）首先创建一个参照Pod，pod-podaffinity-target.yaml：

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: pod-podaffinity-target
  namespace: dev
  labels:
    podenv: pro #设置标签
spec:
  containers:
  - name: nginx
    image: nginx:1.17.1
  nodeName: node1 # 将目标pod名确指定到node1上

# 启动目标pod
[root@master ~]# kubectl create -f pod-podaffinity-target.yaml
pod/pod-podaffinity-target created

# 查看pod状况
[root@master ~]# kubectl get pods  pod-podaffinity-target -n dev
NAME                     READY   STATUS    RESTARTS   AGE
pod-podaffinity-target   1/1     Running   0          4s

2）创建pod-podaffinity-required.yaml，内容如下：

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: pod-podaffinity-required
  namespace: dev
spec:
  containers:
  - name: nginx
    image: nginx:1.17.1
  affinity:  #亲和性设置
    podAffinity: #设置pod亲和性
      requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution: # 硬限制
      - labelSelector:
          matchExpressions: # 匹配env的值在["xxx","yyy"]中的标签
          - key: podenv
            operator: In
            values: ["xxx","yyy"]
        topologyKey: kubernetes.io/hostname

上面配置表达的意思是：新Pod必须要与拥有标签nodeenv=xxx或者nodeenv=yyy的pod在同一Node上，显然现在没有这样pod，接下来，运行测试一下。

# 启动pod
[root@master ~]# kubectl create -f pod-podaffinity-required.yaml
pod/pod-podaffinity-required created

# 查看pod状态，发现未运行
[root@master ~]# kubectl get pods pod-podaffinity-required -n dev
NAME                       READY   STATUS    RESTARTS   AGE
pod-podaffinity-required   0/1     Pending   0          9s

# 查看详细信息
[root@master ~]# kubectl describe pods pod-podaffinity-required  -n dev
......
Events:
  Type     Reason            Age        From               Message
  ----     ------            ----       ----               -------
  Warning  FailedScheduling  <unknown>  default-scheduler  0/3 nodes are available: 2 node(s) didn't match pod affinity rules, 1 node(s) had taints that the pod didn't tolerate.

# 接下来修改  values: ["xxx","yyy"]----->values:["pro","yyy"]
# 意思是：新Pod必须要与拥有标签nodeenv=xxx或者nodeenv=yyy的pod在同一Node上
[root@master ~]# vim pod-podaffinity-required.yaml

# 然后重新创建pod，查看效果
[root@master ~]# kubectl delete -f  pod-podaffinity-required.yaml
pod "pod-podaffinity-required" deleted
[root@master ~]# kubectl create -f pod-podaffinity-required.yaml
pod/pod-podaffinity-required created

# 发现此时Pod运行正常
[root@master ~]# kubectl get pods pod-podaffinity-required -n dev
NAME                       READY   STATUS    RESTARTS   AGE   LABELS
pod-podaffinity-required   1/1     Running   0          6s    <none>

关于PodAffinity的 preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution，这里不再演示。

PodAntiAffinity

PodAntiAffinity主要实现以运行的Pod为参照，让新创建的Pod跟参照pod不在一个区域中的功能。

它的配置方式和选项跟PodAffinty是一样的，这里不再做详细解释，直接做一个测试案例。

1）继续使用上个案例中目标pod

[root@master ~]# kubectl get pods -n dev -o wide --show-labels
NAME                     READY   STATUS    RESTARTS   AGE     IP            NODE    LABELS
pod-podaffinity-required 1/1     Running   0          3m29s   10.244.1.38   node1   <none>     
pod-podaffinity-target   1/1     Running   0          9m25s   10.244.1.37   node1   podenv=pro

2）创建pod-podantiaffinity-required.yaml，内容如下：

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: pod-podantiaffinity-required
  namespace: dev
spec:
  containers:
  - name: nginx
    image: nginx:1.17.1
  affinity:  #亲和性设置
    podAntiAffinity: #设置pod亲和性
      requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution: # 硬限制
      - labelSelector:
          matchExpressions: # 匹配podenv的值在["pro"]中的标签
          - key: podenv
            operator: In
            values: ["pro"]
        topologyKey: kubernetes.io/hostname

上面配置表达的意思是：新Pod必须要与拥有标签nodeenv=pro的pod不在同一Node上，运行测试一下。

# 创建pod
[root@master ~]# kubectl create -f pod-podantiaffinity-required.yaml
pod/pod-podantiaffinity-required created

# 查看pod
# 发现调度到了node2上
[root@master ~]# kubectl get pods pod-podantiaffinity-required -n dev -o wide
NAME                           READY   STATUS    RESTARTS   AGE   IP            NODE   .. 
pod-podantiaffinity-required   1/1     Running   0          30s   10.244.1.96   node2  ..

3. 污点和容忍

污点（Taints）

前面的调度方式都是站在Pod的角度上，通过在Pod上添加属性，来确定Pod是否要调度到指定的Node上，其实我们也可以站在Node的角度上，通过在Node上添加污点属性，来决定是否允许Pod调度过来。

​ Node被设置上污点之后就和Pod之间存在了一种相斥的关系，进而拒绝Pod调度进来，甚至可以将已经存在的Pod驱逐出去。

污点的格式为：key=value:effect, key和value是污点的标签，effect描述污点的作用，支持如下三个选项：

• PreferNoSchedule：kubernetes将尽量避免把Pod调度到具有该污点的Node上，除非没有其他节点可调度
• NoSchedule：kubernetes将不会把Pod调度到具有该污点的Node上，但不会影响当前Node上已存在的Pod
• NoExecute：kubernetes将不会把Pod调度到具有该污点的Node上，同时也会将Node上已存在的Pod驱离

使用kubectl设置和去除污点的命令示例如下：

# 设置污点
kubectl taint nodes node1 key=value:effect

# 去除污点
kubectl taint nodes node1 key:effect-

# 去除所有污点
kubectl taint nodes node1 key-

接下来，演示下污点的效果：

1. 准备节点node1（为了演示效果更加明显，暂时停止node2节点）
2. 为node1节点设置一个污点: tag=heima:PreferNoSchedule；然后创建pod1( pod1 可以 )
3. 修改为node1节点设置一个污点: tag=heima:NoSchedule；然后创建pod2( pod1 正常 pod2 失败 )
4. 修改为node1节点设置一个污点: tag=heima:NoExecute；然后创建pod3 ( 3个pod都失败 )

# 为node1设置污点(PreferNoSchedule)
[root@master ~]# kubectl taint nodes node1 tag=heima:PreferNoSchedule

# 创建pod1
[root@master ~]# kubectl run taint1 --image=nginx:1.17.1 -n dev
[root@master ~]# kubectl get pods -n dev -o wide
NAME                      READY   STATUS    RESTARTS   AGE     IP           NODE   
taint1-7665f7fd85-574h4   1/1     Running   0          2m24s   10.244.1.59   node1    

# 为node1设置污点(取消PreferNoSchedule，设置NoSchedule)
[root@master ~]# kubectl taint nodes node1 tag:PreferNoSchedule-
[root@master ~]# kubectl taint nodes node1 tag=heima:NoSchedule

# 创建pod2
[root@master ~]# kubectl run taint2 --image=nginx:1.17.1 -n dev
[root@master ~]# kubectl get pods taint2 -n dev -o wide
NAME                      READY   STATUS    RESTARTS   AGE     IP            NODE
taint1-7665f7fd85-574h4   1/1     Running   0          2m24s   10.244.1.59   node1 
taint2-544694789-6zmlf    0/1     Pending   0          21s     <none>        <none>   

# 为node1设置污点(取消NoSchedule，设置NoExecute)
[root@master ~]# kubectl taint nodes node1 tag:NoSchedule-
[root@master ~]# kubectl taint nodes node1 tag=heima:NoExecute

# 创建pod3
[root@master ~]# kubectl run taint3 --image=nginx:1.17.1 -n dev
[root@master ~]# kubectl get pods -n dev -o wide
NAME                      READY   STATUS    RESTARTS   AGE   IP       NODE     NOMINATED 
taint1-7665f7fd85-htkmp   0/1     Pending   0          35s   <none>   <none>   <none>    
taint2-544694789-bn7wb    0/1     Pending   0          35s   <none>   <none>   <none>     
taint3-6d78dbd749-tktkq   0/1     Pending   0          6s    <none>   <none>   <none>     

小提示：
    使用kubeadm搭建的集群，默认就会给master节点添加一个污点标记,所以pod就不会调度到master节点上.

容忍（Toleration）

上面介绍了污点的作用，我们可以在node上添加污点用于拒绝pod调度上来，但是如果就是想将一个pod调度到一个有污点的node上去，这时候应该怎么做呢？这就要使用到容忍。

污点就是拒绝，容忍就是忽略，Node通过污点拒绝pod调度上去，Pod通过容忍忽略拒绝

下面先通过一个案例看下效果：

1. 上一小节，已经在node1节点上打上了NoExecute的污点，此时pod是调度不上去的
2. 本小节，可以通过给pod添加容忍，然后将其调度上去

创建pod-toleration.yaml，内容如下

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: pod-toleration
  namespace: dev
spec:
  containers:
  - name: nginx
    image: nginx:1.17.1
  tolerations:      # 添加容忍
  - key: "tag"        # 要容忍的污点的key
    operator: "Equal" # 操作符
    value: "heima"    # 容忍的污点的value
    effect: "NoExecute"   # 添加容忍的规则，这里必须和标记的污点规则相同

# 添加容忍之前的pod
[root@master ~]# kubectl get pods -n dev -o wide
NAME             READY   STATUS    RESTARTS   AGE   IP       NODE     NOMINATED 
pod-toleration   0/1     Pending   0          3s    <none>   <none>   <none>           

# 添加容忍之后的pod
[root@master ~]# kubectl get pods -n dev -o wide
NAME             READY   STATUS    RESTARTS   AGE   IP            NODE    NOMINATED
pod-toleration   1/1     Running   0          3s    10.244.1.62   node1   <none>        

下面看一下容忍的详细配置：

[root@master ~]# kubectl explain pod.spec.tolerations
......
FIELDS:
   key       # 对应着要容忍的污点的键，空意味着匹配所有的键
   value     # 对应着要容忍的污点的值
   operator  # key-value的运算符，支持Equal和Exists（默认）
   effect    # 对应污点的effect，空意味着匹配所有影响
   tolerationSeconds   # 容忍时间, 当effect为NoExecute时生效，表示pod在Node上的停留时间