理解 Kubernetes 的亲和性调度

这次给大家介绍下k8s的亲和性调度：nodeSelector、nodeAffinity、podAffinity、Taints以及Tolerations用法。

一般情况下我们部署的 POD 是通过集群自动调度选择某个节点的，默认情况下调度器考虑的是资源足够，并且负载尽量平均，但是有的时候我们需要能够更加细粒度的去控制 POD 的调度，比如我们内部的一些服务 gitlab 之类的也是跑在Kubernetes集群上的，我们就不希望对外的一些服务和内部的服务跑在同一个节点上了，害怕内部服务对外部的服务产生影响；有的时候呢我们两个服务直接交流比较频繁，又希望能够将这两个服务的 POD 调度到同样的节点上。这就需要用到 Kubernetes 里面的一个概念：亲和性，亲和性主要分为两类：nodeAffinity和podAffinity。

nodeSelector

我们知道label是kubernetes中一个非常重要的概念，用户可以非常灵活的利用 label 来管理集群中的资源，比如最常见的一个就是 service 通过匹配 label 去选择 POD 的。而 POD 的调度也可以根据节点的 label 进行特定的部署。

我们可以通过下面的命令查看我们的 node 的 label：

$ kubectl get nodes --show-labels
NAME            STATUS    ROLES     AGE       VERSION   LABELS
192.168.1.140   Ready     <none>    42d       v1.8.1    beta.kubernetes.io/arch=amd64,beta.kubernetes.io/os=linux,kubernetes.io/hostname=192.168.1.140
192.168.1.161   Ready     <none>    118d      v1.8.1    beta.kubernetes.io/arch=amd64,beta.kubernetes.io/os=linux,kubernetes.io/cluster-service=true,kubernetes.io/hostname=192.168.1.161
192.168.1.170   Ready     <none>    118d      v1.8.1    beta.kubernetes.io/arch=amd64,beta.kubernetes.io/os=linux,kubernetes.io/cluster-service=true,kubernetes.io/hostname=192.168.1.170
192.168.1.172   Ready     <none>    114d      v1.8.1    beta.kubernetes.io/arch=amd64,beta.kubernetes.io/os=linux,kubernetes.io/cluster-service=true,kubernetes.io/hostname=192.168.1.172

现在我们先给节点192.168.1.140增加一个source=qikqiak的标签，命令如下：

$ kubectl label nodes 192.168.1.140 source=qikqiak
node "192.168.1.140" labeled

我们可以通过上面的--show-labels参数可以查看上述标签是否生效。当 node 被打上了相关标签后，在调度的时候就可以使用这些标签了，只需要在 POD 的 spec 字段中添加nodeSelector字段，里面是我们需要被调度的节点的 label。例如，下面是我们之前的一个默认的 busybox POD 的 YAML 文件：

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  labels:
    app: busybox-pod
  name: test-busybox
spec:
  containers:
  - command:
    - sleep
    - "3600"
    image: busybox
    imagePullPolicy: Always
    name: test-busybox

然后我需要让上面的 POD 被调度到140的节点上，那么最简单的方法就是去匹配140上面的 label，如下：

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  labels:
    app: busybox-pod
  name: test-busybox
spec:
  containers:
  - command:
    - sleep
    - "3600"
    image: busybox
    imagePullPolicy: Always
    name: test-busybox
  nodeSelector:
    source: qikqiak

然后我们可以通过 describe 命令查看调度结果：

$ kubectl describe pod test-busybox
......
Events:
  Type    Reason                 Age   From                    Message
  ----    ------                 ----  ----                    -------
  Normal  Scheduled              49s   default-scheduler       Successfully assigned test-busybox to 192.168.1.140
  Normal  SuccessfulMountVolume  49s   kubelet, 192.168.1.140  MountVolume.SetUp succeeded for volume "default-token-hmpbz"
  Normal  Pulling                49s   kubelet, 192.168.1.140  pulling image "busybox"
  Normal  Pulled                 41s   kubelet, 192.168.1.140  Successfully pulled image "busybox"
  Normal  Created                41s   kubelet, 192.168.1.140  Created container
  Normal  Started                41s   kubelet, 192.168.1.140  Started container

我们可以看到 Events 下面的信息，上面的 POD 被正确的调度到了140节点。通过上面的例子我们可以感受到nodeSelector的方式比较直观，但是还够灵活，控制粒度偏大，下面我们再看另外一种更加灵活的方式：nodeAffinity。

nodeAffinity

nodeAffinity就是节点亲和性，相对应的是Anti-Affinity，就是反亲和性，这种方法比上面的nodeSelector更加灵活，它可以进行一些简单的逻辑组合了，不只是简单的相等匹配。 调度可以分成软策略和硬策略两种方式，软策略就是如果你没有满足调度要求的节点的话，POD 就会忽略这条规则，继续完成调度过程，说白了就是满足条件最好了，没有的话也无所谓了的策略；而硬策略就比较强硬了，如果没有满足条件的节点的话，就不断重试直到满足条件为止，简单说就是你必须满足我的要求，不然我就不干的策略。 nodeAffinity就有两上面两种策略：preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution和requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution，前面的就是软策略，后面的就是硬策略。

如下例子：（test-node-affinity.yaml）

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: with-node-affinity
  labels:
    app: node-affinity-pod
spec:
  containers:
  - name: with-node-affinity
    image: nginx
  affinity:
    nodeAffinity:
      requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
        nodeSelectorTerms:
        - matchExpressions:
          - key: kubernetes.io/hostname
            operator: NotIn
            values:
            - 192.168.1.140
            - 192.168.1.161
      preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
      - weight: 1
        preference:
          matchExpressions:
          - key: source
            operator: In
            values:
            - qikqiak

上面这个 POD 首先是要求 POD 不能运行在140和161两个节点上，如果有个节点满足source=qikqiak的话就优先调度到这个节点上，同样的我们可以使用descirbe命令查看具体的调度情况是否满足我们的要求。这里的匹配逻辑是 label 的值在某个列表中，现在Kubernetes提供的操作符有下面的几种：

• 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

如果nodeSelectorTerms下面有多个选项的话，满足任何一个条件就可以了；如果matchExpressions有多个选项的话，则必须同时满足这些条件才能正常调度 POD。

podAffinity

上面两种方式都是让 POD 去选择节点的，有的时候我们也希望能够根据 POD 之间的关系进行调度，Kubernetes在1.4版本引入的podAffinity概念就可以实现我们这个需求。

和nodeAffinity类似，podAffinity也有requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution和 preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution两种调度策略，唯一不同的是如果要使用互斥性，我们需要使用podAntiAffinity字段。 如下例子，我们希望with-pod-affinity和busybox-pod能够就近部署，而不希望和node-affinity-pod部署在同一个拓扑域下面：（test-pod-affinity.yaml）

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: with-pod-affinity
  labels:
    app: pod-affinity-pod
spec:
  containers:
  - name: with-pod-affinity
    image: nginx
  affinity:
    podAffinity:
      requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
      - labelSelector:
          matchExpressions:
          - key: app
            operator: In
            values:
            - busybox-pod
        topologyKey: kubernetes.io/hostname
    podAntiAffinity:
      preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
      - weight: 1
        podAffinityTerm:
          labelSelector:
            matchExpressions:
            - key: app
              operator: In
              values:
              - node-affinity-pod
          topologyKey: kubernetes.io/hostname

上面这个例子中的 POD 需要调度到某个指定的主机上，至少有一个节点上运行了这样的 POD：这个 POD 有一个app=busybox-pod的 label。podAntiAffinity则是希望最好不要调度到这样的节点：这个节点上运行了某个 POD，而这个 POD 有app=node-affinity-pod的 label。根据前面两个 POD 的定义，我们可以预见上面这个 POD 应该会被调度到140的节点上，因为busybox-pod被调度到了140节点，而node-affinity-pod被调度到了140以为的节点，正好满足上面的需求。通过describe查看：

$ kubectl describe pod with-pod-affinity
......
Events:
  Type    Reason                 Age   From                    Message
  ----    ------                 ----  ----                    -------
  Normal  Scheduled              8s    default-scheduler       Successfully assigned with-pod-affinity to 192.168.1.140
  Normal  SuccessfulMountVolume  7s    kubelet, 192.168.1.140  MountVolume.SetUp succeeded for volume "default-token-lcl77"
  Normal  Pulling                7s    kubelet, 192.168.1.140  pulling image "nginx"

上面的事件信息也验证了我们的想法。

在labelSelector和 topologyKey的同级，还可以定义 namespaces 列表，表示匹配哪些 namespace 里面的 pod，默认情况下，会匹配定义的 pod 所在的 namespace；如果定义了这个字段，但是它的值为空，则匹配所有的 namespaces。

查看上面我们定义的3个 POD 结果：

$ kubectl get po -o wide
NAME                 READY     STATUS    RESTARTS   AGE       IP             NODE
test-busybox         1/1       Running   0          8m        172.30.95.18   192.168.1.140
with-node-affinity   1/1       Running   0          10m       172.30.81.25   192.168.1.172
with-pod-affinity    1/1       Running   0          8m        172.30.95.17   192.168.1.140

亲和性/反亲和性调度策略比较如下：

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
podAnitAffinity	POD	In, NotIn, Exists, DoesNotExist	是	POD与指定POD不在同一拓扑域

污点（Taints）与容忍（tolerations）

对于nodeAffinity无论是硬策略还是软策略方式，都是调度 POD 到预期节点上，而Taints恰好与之相反，如果一个节点标记为 Taints ，除非 POD 也被标识为可以容忍污点节点，否则该 Taints 节点不会被调度pod。

比如用户希望把 Master 节点保留给 Kubernetes 系统组件使用，或者把一组具有特殊资源预留给某些 POD，则污点就很有用了，POD 不会再被调度到 taint 标记过的节点。taint 标记节点举例如下：

$ kubectl taint nodes 192.168.1.40 key=value:NoSchedule
node "192.168.1.40" tainted

如果仍然希望某个 POD 调度到 taint 节点上，则必须在 Spec 中做出Toleration定义，才能调度到该节点，举例如下：

tolerations:
- key: "key"
operator: "Equal"
value: "value"
effect: "NoSchedule"

effect 共有三个可选项，可按实际需求进行设置：

1. NoSchedule：POD 不会被调度到标记为 taints 节点。
2. PreferNoSchedule：NoSchedule 的软策略版本。
3. NoExecute：该选项意味着一旦 Taint 生效，如该节点内正在运行的 POD 没有对应 Tolerate 设置，会直接被逐出。

参考资料

• https://kubernetes.io/docs/concepts/configuration/assign-pod-node/
• https://kubernetes.io/docs/concepts/configuration/taint-and-toleration/
• https://coreos.com/fleet/docs/latest/affinity.html