深入解析Kubernetes亲和性调度机制及其优化策略

前面一篇文章 理解 Kubernetes 的亲和性调度 ，现在仔细回头去看看，发现有很多地方没有理解透彻，不够深入，今天我们重新来理解下亲和性调度这一块知识。

一般情况下我们部署的 Pod 是通过集群的自动调度策略来选择节点的，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；但是有的时候我们的服务之间交流比较频繁，又希望能够将这两个服务的 Pod 调度到同一个的节点上。这就需要用到 Kubernetes 里面的一个概念：亲和性和反亲和性。

亲和性有分成节点亲和性( nodeAffinity )和 Pod 亲和性( podAffinity )。

nodeSelector

在了解亲和性之前，我们先来了解一个非常常用的调度方式：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 去匹配 Pod 资源，而 Pod 的调度也可以根据节点的 label 来进行调度。

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
master    Ready     master    147d      v1.10.0   beta.kubernetes.io/arch=amd64,beta.kubernetes.io/os=linux,kubernetes.io/hostname=master,node-role.kubernetes.io/master=
node02    Ready         67d       v1.10.0   beta.kubernetes.io/arch=amd64,beta.kubernetes.io/os=linux,course=k8s,kubernetes.io/hostname=node02
node03    Ready         127d      v1.10.0   beta.kubernetes.io/arch=amd64,beta.kubernetes.io/os=linux,jnlp=haimaxy,kubernetes.io/hostname=node03

现在我们先给节点 node02 增加一个 com=youdianzhishi 的标签，命令如下：

$ kubectl label nodes node02 com=youdianzhishi
node "node02" 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 即可。比如，下面的 Pod 我们要强制调度到 node02 这个节点上去，我们就可以使用 nodeSelector 来表示了：(node-selector-demo.yaml)

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:
    com: youdianzhishi

然后我们可以通过 describe 命令查看调度结果：

$ kubectl create -f node-selector-demo.yaml
pod "test-busybox" created
$ kubectl describe pod test-busybox
Name:         test-busybox
Namespace:    default
Node:         node02/10.151.30.63
......
QoS Class:       BestEffort
Node-Selectors:  com=youdianzhishi
Tolerations:     node.kubernetes.io/not-ready:NoExecute for 300s
                 node.kubernetes.io/unreachable:NoExecute for 300s
Events:
  Type    Reason                 Age   From               Message
  ----    ------                 ----  ----               -------
  Normal  SuccessfulMountVolume  55s   kubelet, node02    MountVolume.SetUp succeeded for volume "default-token-n9w2d"
  Normal  Scheduled              54s   default-scheduler  Successfully assigned test-busybox to node02
  Normal  Pulling                54s   kubelet, node02    pulling image "busybox"
  Normal  Pulled                 40s   kubelet, node02    Successfully pulled image "busybox"
  Normal  Created                40s   kubelet, node02    Created container
  Normal  Started                40s   kubelet, node02    Started container

我们可以看到 Events 下面的信息，我们的 Pod 通过默认的 default-scheduler 调度器被绑定到了 node02 节点。不过需要注意的是 nodeSelector 属于强制性的，如果我们的目标节点没有可用的资源，我们的 Pod 就会一直处于 Pending 状态，这就是 nodeSelector 的用法。

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，接下来我们再和大家了解下更加灵活的方式：节点亲和性( nodeAffinity )。

亲和性和反亲和性调度

上节课我们了解了 kubernetes 调度器的一个调度流程，我们知道默认的调度器在使用的时候，经过了 predicates 和 priorities 两个阶段，但是在实际的生产环境中，往往我们需要根据自己的一些实际需求来控制 pod 的调度，这就需要用到 nodeAffinity(节点亲和性)、podAffinity(pod 亲和性) 以及 podAntiAffinity(pod 反亲和性)。

亲和性调度可以分成 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
• 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。

对于亲和性和反亲和性都有这两种规则可以设置： preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution 和 requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution ，前面的就是软策略，后面的就是硬策略。

这命名不觉得有点反人类吗？有点无语……

nodeAffinity

节点亲和性主要是用来控制 pod 要部署在哪些主机上，以及不能部署在哪些主机上的。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。

比如现在我们用一个 Deployment 来管理3个 pod 副本，现在我们来控制下这些 pod 的调度，如下例子：（ node-affinity-demo.yaml ）

apiVersion: apps/v1beta1
kind: Deployment
metadata:
  name: affinity
  labels:
    app: affinity
spec:
  replicas: 3
  revisionHistoryLimit: 15
  template:
    metadata:
      labels:
        app: affinity
        role: test
    spec:
      containers:
      - name: nginx
        image: nginx:1.7.9
        ports:
        - containerPort: 80
          name: nginxweb
      affinity:
        nodeAffinity:
          requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:  # 硬策略
            nodeSelectorTerms:
            - matchExpressions:
              - key: kubernetes.io/hostname
                operator: NotIn
                values:
                - node03
          preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:  # 软策略
          - weight: 1
            preference:
              matchExpressions:
              - key: com
                operator: In
                values:
                - youdianzhishi

上面这个 pod 首先是要求不能运行在 node03 这个节点上，如果有个节点满足 com=youdianzhishi 的话就优先调度到这个节点上。

下面是我们测试的节点列表信息：

$ kubectl get nodes --show-labels
NAME      STATUS    ROLES     AGE       VERSION   LABELS
master    Ready     master    154d      v1.10.0   beta.kubernetes.io/arch=amd64,beta.kubernetes.io/os=linux,kubernetes.io/hostname=master,node-role.kubernetes.io/master=
node02    Ready         74d       v1.10.0   beta.kubernetes.io/arch=amd64,beta.kubernetes.io/os=linux,com=youdianzhishi,course=k8s,kubernetes.io/hostname=node02
node03    Ready         134d      v1.10.0   beta.kubernetes.io/arch=amd64,beta.kubernetes.io/os=linux,jnlp=haimaxy,kubernetes.io/hostname=node03

可以看到 node02 节点有 com=youdianzhishi 这样的 label，按要求会优先调度到这个节点来的，现在我们来创建这个 pod，然后使用 descirbe 命令查看具体的调度情况是否满足我们的要求。

$ kubectl create -f node-affinity-demo.yaml
deployment.apps "affinity" created
$ kubectl get pods -l app=affinity -o wide
NAME                        READY     STATUS    RESTARTS   AGE       IP             NODE
affinity-7b4c946854-5gfln   1/1       Running   0          47s       10.244.4.214   node02
affinity-7b4c946854-l8b47   1/1       Running   0          47s       10.244.4.215   node02
affinity-7b4c946854-r86p5   1/1       Running   0          47s       10.244.4.213   node02

从结果可以看出 pod 都被部署到了 node02，其他节点上没有部署 pod，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

pod 亲和性主要解决 pod 可以和哪些 pod 部署在同一个拓扑域中的问题（其中拓扑域用主机标签实现，可以是单个主机，也可以是多个主机组成的 cluster、zone 等等），而 pod 反亲和性主要是解决 pod 不能和哪些 pod 部署在同一个拓扑域中的问题，它们都是处理的 pod 与 pod 之间的关系，比如一个 pod 在一个节点上了，那么我这个也得在这个节点，或者你这个 pod 在节点上了，那么我就不想和你待在同一个节点上。

由于我们这里只有一个集群，并没有区域或者机房的概念，所以我们这里直接使用主机名来作为拓扑域，把 pod 创建在同一个主机上面。

$ kubectl get nodes --show-labels
NAME      STATUS    ROLES     AGE       VERSION   LABELS
master    Ready     master    154d      v1.10.0   beta.kubernetes.io/arch=amd64,beta.kubernetes.io/os=linux,kubernetes.io/hostname=master,node-role.kubernetes.io/master=
node02    Ready         74d       v1.10.0   beta.kubernetes.io/arch=amd64,beta.kubernetes.io/os=linux,com=youdianzhishi,course=k8s,kubernetes.io/hostname=node02
node03    Ready         134d      v1.10.0   beta.kubernetes.io/arch=amd64,beta.kubernetes.io/os=linux,jnlp=haimaxy,kubernetes.io/hostname=node03

同样，还是针对上面的资源对象，我们来测试下 pod 的亲和性：（pod-affinity-demo.yaml）

apiVersion: apps/v1beta1
kind: Deployment
metadata:
  name: affinity
  labels:
    app: affinity
spec:
  replicas: 3
  revisionHistoryLimit: 15
  template:
    metadata:
      labels:
        app: affinity
        role: test
    spec:
      containers:
      - name: nginx
        image: nginx:1.7.9
        ports:
        - containerPort: 80
          name: nginxweb
      affinity:
        podAffinity:
          requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:  # 硬策略
          - labelSelector:
              matchExpressions:
              - key: app
                operator: In
                values:
                - busybox-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。

我们查看有标签 app=busybox-pod 的 pod 列表：

$ kubectl get pods -o wide -l app=busybox-pod
NAME           READY     STATUS    RESTARTS   AGE       IP             NODE
test-busybox   1/1       Running   164        7d        10.244.4.205   node02

我们看到这个 pod 运行在了 node02 的节点上面，所以按照上面的亲和性来说，上面我们部署的3个 pod 副本也应该运行在 node02 节点上：

$ kubectl get pods -o wide -l app=affinity
NAME                        READY     STATUS    RESTARTS   AGE       IP             NODE
affinity-564f9d7db9-lzzvq   1/1       Running   0          3m        10.244.4.216   node02
affinity-564f9d7db9-p79cq   1/1       Running   0          3m        10.244.4.217   node02
affinity-564f9d7db9-spfzs   1/1       Running   0          3m        10.244.4.218   node02

如果我们把上面的 test-busybox 和 affinity 这个 Deployment 都删除，然后重新创建 affinity 这个资源，看看能不能正常调度呢：

$ kubectl delete -f node-selector-demo.yaml
pod "test-busybox" deleted
$ kubectl delete -f pod-affinity-demo.yaml
deployment.apps "affinity" deleted
$ kubectl create -f pod-affinity-demo.yaml
deployment.apps "affinity" created
$ kubectl get pods -o wide -l app=affinity
NAME                        READY     STATUS    RESTARTS   AGE       IP        NODE
affinity-564f9d7db9-fbc8w   0/1       Pending   0          2m            
affinity-564f9d7db9-n8gcf   0/1       Pending   0          2m            
affinity-564f9d7db9-qc7x6   0/1       Pending   0          2m            

我们可以看到处于 Pending 状态了，这是因为现在没有一个节点上面拥有 busybox-pod 这个 label 的 pod，而上面我们的调度使用的是硬策略，所以就没办法进行调度了，大家可以去尝试下重新将 test-busybox 这个 pod 调度到 node03 这个节点上，看看上面的 affinity 的3个副本会不会也被调度到 node03 这个节点上去？

我们这个地方使用的是 kubernetes.io/hostname 这个拓扑域，意思就是我们当前调度的 pod 要和目标的 pod 处于同一个主机上面，因为要处于同一个拓扑域下面，为了说明这个问题，我们把拓扑域改成 beta.kubernetes.io/os ，同样的我们当前调度的 pod 要和目标的 pod 处于同一个拓扑域中，目标的 pod 是不是拥有 beta.kubernetes.io/os=linux 的标签，而我们这里3个节点都有这样的标签，这也就意味着我们3个节点都在同一个拓扑域中，所以我们这里的 pod 可能会被调度到任何一个节点：

$ kubectl get pods -o wide
NAME                                      READY     STATUS      RESTARTS   AGE       IP             NODE
affinity-7d86749984-glkhz                 1/1       Running     0          3m        10.244.2.16    node03
affinity-7d86749984-h4fb9                 1/1       Running     0          3m        10.244.4.219   node02
affinity-7d86749984-tj7k2                 1/1       Running     0          3m        10.244.2.14    node03

podAntiAffinity

这就是 pod 亲和性的用法，而 pod 反亲和性则是反着来的，比如一个节点上运行了某个 pod，那么我们的 pod 则希望被调度到其他节点上去，同样我们把上面的 podAffinity 直接改成 podAntiAffinity，(pod-antiaffinity-demo.yaml)

apiVersion: apps/v1beta1
kind: Deployment
metadata:
  name: affinity
  labels:
    app: affinity
spec:
  replicas: 3
  revisionHistoryLimit: 15
  template:
    metadata:
      labels:
        app: affinity
        role: test
    spec:
      containers:
      - name: nginx
        image: nginx:1.7.9
        ports:
        - containerPort: 80
          name: nginxweb
      affinity:
        podAntiAffinity:
          requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:  # 硬策略
          - labelSelector:
              matchExpressions:
              - key: app
                operator: In
                values:
                - busybox-pod
            topologyKey: kubernetes.io/hostname

这里的意思就是如果一个节点上面有一个 app=busybox-pod 这样的 pod 的话，那么我们的 pod 就别调度到这个节点上面来，上面我们把 app=busybox-pod 这个 pod 固定到了 node03 这个节点上面来，所以正常来说我们这里的 pod 不会出现在 node03 节点上：

$ kubectl create -f pod-antiaffinity-demo.yaml
deployment.apps "affinity" created
$ kubectl get pods -o wide
NAME                                      READY     STATUS      RESTARTS   AGE       IP             NODE
affinity-bcbd8854f-br8z8                  1/1       Running     0          5s        10.244.4.222   node02
affinity-bcbd8854f-cdffh                  1/1       Running     0          5s        10.244.4.223   node02
affinity-bcbd8854f-htb52                  1/1       Running     0          5s        10.244.4.224   node02
test-busybox                              1/1       Running     0          23m       10.244.2.10    node03

这就是 pod 反亲和性的用法。

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。我们使用 kubeadm 搭建的集群默认就给 master 节点添加了一个污点标记，所以我们看到我们平时的 pod 都没有被调度到 master 上去：

$ kubectl describe node master
Name:               master
Roles:              master
Labels:             beta.kubernetes.io/arch=amd64
                    beta.kubernetes.io/os=linux
                    kubernetes.io/hostname=master
                    node-role.kubernetes.io/master=
......
Taints:             node-role.kubernetes.io/master:NoSchedule
Unschedulable:      false
......

我们可以使用上面的命令查看 master 节点的信息，其中有一条关于 Taints 的信息：node-role.kubernetes.io/master:NoSchedule，就表示给 master 节点打了一个污点的标记，其中影响的参数是 NoSchedule ，表示 pod 不会被调度到标记为 taints 的节点，除了 NoSchedule 外，还有另外两个选项：

PreferNoSchedule
NoExecute

污点 taint 标记节点的命令如下：

$ kubectl taint nodes node02 test=node02:NoSchedule
node "node02" tainted

上面的命名将 node02 节点标记为了污点，影响策略是 NoSchedule，只会影响新的 pod 调度，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，比如现在我们想要将一个 pod 调度到 master 节点：(taint-demo.yaml)

apiVersion: apps/v1beta1
kind: Deployment
metadata:
  name: taint
  labels:
    app: taint
spec:
  replicas: 3
  revisionHistoryLimit: 10
  template:
    metadata:
      labels:
        app: taint
    spec:
      containers:
      - name: nginx
        image: nginx:1.7.9
        ports:
        - name: http
          containerPort: 80
      tolerations:
      - key: "node-role.kubernetes.io/master"
        operator: "Exists"
        effect: "NoSchedule"

由于 master 节点被标记为了污点节点，所以我们这里要想 pod 能够调度到 master 节点去，就需要增加容忍的声明：

tolerations:
- key: "node-role.kubernetes.io/master"
  operator: "Exists"
  effect: "NoSchedule"

然后创建上面的资源，查看结果：

$ kubectl create -f taint-demo.yaml
deployment.apps "taint" created
$ kubectl get pods -o wide
NAME                                      READY     STATUS             RESTARTS   AGE       IP             NODE
......
taint-845d8bb4fb-57mhm                    1/1       Running            0          1m        10.244.4.247   node02
taint-845d8bb4fb-bbvmp                    1/1       Running            0          1m        10.244.0.33    master
taint-845d8bb4fb-zb78x                    1/1       Running            0          1m        10.244.4.246   node02
......

我们可以看到有一个 pod 副本被调度到了 master 节点，这就是容忍的使用方法。

对于 tolerations 属性的写法，其中的 key、value、effect 与 Node 的 Taint 设置需保持一致， 还有以下几点说明：

• 1. 如果 operator 的值是 Exists，则 value 属性可省略
• 2. 如果 operator 的值是 Equal，则表示其 key 与 value 之间的关系是 equal(等于)
• 3. 如果不指定 operator 属性，则默认值为 Equal

另外，还有两个特殊值：

• 1. 空的 key 如果再配合 Exists 就能匹配所有的 key 与 value，也是是能容忍所有 node 的所有 Taints
• 2. 空的 effect 匹配所有的 effect

最后，如果我们要取消节点的污点标记，可以使用下面的命令：

$ kubectl taint nodes node02 test-
node "node02" untainted

这就是污点和容忍的使用方法。