K8S专栏Kubernetes调度管理

Posted 2022-08-27 运维开发故事

微信公众号：运维开发故事，作者：乔克

基本介绍

在日常工作中，每个机场都有调度室，用来管理飞机应该从哪里降落，停在什么地方。在Kubernetes也有这样的调度器，主要作用就是将Pod安排到合适的节点上。

Kubernetes中的调度器是kube-scheduler，工作流程如下：

1. 在集群中所有Node中，根据调度算法挑选出可以运行该Pod的所有Node；
2. 在上一步的基础上，再根据调度算法给筛选出的Node进行打分，筛选出分数最高的Node进行调度；
3. 将Pod的spec.nodeName填上调度结果的Node名字；

其原理图如下：

由上图可知，Kubernetes的调度器核心是两个相互独立的控制循环。1、Informer Path其主要作用是启动一个Informer来监听Etcd中Pod，Node，Service等与调度器相关的API对象的变化。当一个Pod被创建出来后，就被通过Informer Handler将待调度的Pod放入调度队列中，默认情况下，Kubernetes的调度策略是一个优先级队列，并且当集群信息发生变化的时候，调度器还会对调度队列里的内容进行一些特殊操作。而且Kubernetes的默认调度器还负责对调度器缓存（scheduler cache）进行更新，以执行调度算法的执行效率。

2、Scheduler Path其主要逻辑是不断从队列中出一个Pod，然后调用Predicates进行过滤，然后得到一组Node（也就是可运行Pod的所有Node信息，这些信息都是来自scheduler cache），接下来调用Priorities对筛选出的Node进行打分，然后分数最高的Node会作为本次调度选择的对象。调度完成后，调度器需要将Pod的spec.nodeName的值修改为调度的Node名字，这个步骤称为Bind。

但是在Bind阶段，Kubernetes默认调度器只会更新scheduler cache中的信息，这种基于乐观假设的API对象更新方式被称为Assume。在Assume之后，调度器才会向API Server发起更新Pod的请求，来真正完成Bind操作。如果本次Bind失败，等到scheduler cache更新之后又会恢复正常。

正是由于有Assume的原因，当一个Pod完成调度需要在某个Node节点运行之前，kubelet还会进行一步Admit操作来验证该Pod是否能够运行在该Node上，作为kubelet的二次验证。

常用的预算策略有：

• CheckNodeCondition
• GeneralPredication:

HostName, PodFitsHostPort, MatchNodeSelector, PodFitsResources

• NoDiskConflict

优先级和抢占机制

正常情况下，当一个Pod调度失败后，它会被搁置起来，直到Pod被更新，或者集群状态发生变化，调度器才会对这个Pod进行重新调度。但是有的时候我们不希望一个高优先级的Pod在调度失败就被搁置，而是会把某个Node上的一些低优先级的Pod删除，来保证高优先级的Pod可以调度成功。

Kubernetes中优先级是通过ProrityClass来定义，如下：

apiVersion: scheduling.k8s.io/v1
kind: PriorityClass
metadata:
  name: high-priority
value: 1000000
globalDefault: false
description: "This priority class should be used for high priority service pods only."

其中的value就是优先级数值，数值越大，优先级越高。优先级是一个32bit的整数，最大值不超过10亿，超过10亿的值是被Kubernetes保留下来作为系统Pod使用的，就是为了保证系统Pod不会被抢占。另外如果globalDefault的值设置为 true的话表明这个PriorityClass的值会成为系统默认值，如果是false就表示只有在申明这个PriorityClass的Pod才会拥有这个优先级，而对于其他没有申明的，其优先级为0。

如下定义Pod并定义优先级：

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: nginx
  labels:
    env: test
spec:
  containers:
  - name: nginx
    image: nginx
    imagePullPolicy: IfNotPresent
  priorityClassName: high-priority

上面的PriotiryClassName就是定义我们的PriorityClass，当这个Pod提交给Kubernetes之后，Kubernetes的PriorityAdmissionController会自动将这个Pod的spec.priority字段设置为我们定义的值。而当这个Pod拥有这个优先级之后，高优先级的Pod就可能比低优先级的Pod先出队，从而尽早完成调度。

而当一个高优先级的Pod调度失败后，其抢占机制就会被触发，这时候调度器就会试图从当前的集群中寻找一个节点，使得这个节点上的一个或多个低优先级的Pod被删除，然后这个高优先级的Pod就可以被调度到这个节点上。当抢占发生时，这个高优先级Pod并不会立即调度到即将抢占的节点上，调度器只会将这个Pod的spec.nominatedNodeName的值设置为被抢占节点的Node名字，然后这个Pod会重新进入下一个调度周期，然后会在这个周期内决定这个Pod被调度到哪个节点上。在这个重新调度期间，如果有一个更高的优先级Pod也要抢占这个节点，那么调度器就会清空原Pod的nominatedNodeName的值，而更高优先级的Pod将会抢占这个值。

实现原理：Kubernetes用两个队列来实现抢占算法：ActiveQ和unschedulableQ。

1. ActiveQ：凡是在ActiveQ里的Pod，都是下一个周期需要调度的对象，所以当Kubernetes创建一个新的Pod，这个Pod就会被放入ActiveQ里；
2. unschedulableQ：专门用来存放调度失败的Pod；

那么如果一个Pod调度失败，调度器就会将其放入unschedulableQ里，然后调度器会检查这个调度失败的原因，分析并确认是否可以通过抢占来解决此次调度问题，如果确定抢占可以发生，那么调度器就会把自己缓存的所有信息都重新复制一份，然后使用这个副本来模拟抢占过程。如果模拟通过，调度器就会真正开始抢占操作了：

1. 调度器会检查牺牲者列表，清空这些Pod所携带的nominatedNodeName字段；
2. 调度器会把抢占者的nominatedNodeName的字段设置为被抢占的Node名字；
3. 调度器会开启Goroutine，同步的删除牺牲者；

接下来调度器就会通过正常的调度流程，把抢占者调度成功。在这个过程中，调度器会对这个Node，进行两次Predicates算法：

1. 假设上述抢占者已经运行在这个节点上，然后运行Predicates算法；
2. 调度器正常执行Predicates算法；

只有上述者两个都通过的情况下，这个Node和Pod才会被 绑定。

高级调度

上面介绍的是Kubernetres默认的调度策略，有时候默认的调度策略不能满足我们的需求，比如想把Pod调度到指定的节点，或者不让某些节点调度Pod。这时候就要用到更高级的调度策略，主要有如下几种：

• nodeSelector
• nodeName
• nodeAffinity
• podAffinity
• podAntiAffinity
• 污点调度

nodeSelector

nodeSelector也可以叫做节点选择器，其原理是通过在节点上定义label标签，然后Pod中指定选择这些标签，让Pod能够调度到指定的节点上。

比如给kk-node01指定env=uat标签，命令如下：

$ kubectl label nodes kk-node01 env=uat

现在在Pod的YAML清单中配置nodeSelector，如下：

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: pod-nodeselector
spec:
  containers:
  - name: myapp
    image: ikubernetes/myapp:v1
  nodeSelector:
    env: uat

这样，该Pod就会调度到kk-node01节点上，如果该Pod指定为env=prod，则调度不到kk-node01节点。

nodeName

nodeName也是节点选择器，和nodeSelector不同之处在于nodeName是直接指定节点名，这属于强调度，定义方式如下：

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: pod-nodename
spec:
  containers:
  - name: myapp
    image: ikubernetes/myapp:v1
  nodeName: kk-node01     # 节点名字

nodeAffinity

nodeAffinity叫做节点亲和性调度，其调度方式比nodeSelector和nodeName更强大。

目前，nodeAffinity支持两种调度策略：

• preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution
• requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution

preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution表示如果有Node匹配，则优先调度到该Node，如果没有，可以根据配置调度到其他节点。requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution则表示必须满足条件的节点才允许调度。

定义preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution的例子如下：

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: pod-nodeaffinity-preferred
spec:
  containers:
  - name: myapp
    image: ikubernetes/myapp:v1
  affinity:
    nodeAffinity:
      preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
      - preference:
          matchExpressions:
          - key: disktype
            operator: In
            values: ["ssd", "harddisk"]
        weight: 60

requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution的例子如下：

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: pod-nodeaffinity-required
spec:
  containers:
  - name: myapp
    image: ikubernetes/myapp:v1
  affinity:
    nodeAffinity:
      requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
        nodeSelectorTerms:
        - matchExpressions:
          - key: disktype
            operator: In
            values: ["ssd", "harddisk"]

其中，operator支持In,NotIn, Exists, DoesNotExist. Gt, and Lt。

podAffinity

上面介绍的nodeSelector，nodeName，nodeAffinity都是针对节点的，下面介绍的podAffinity和podAntiAffinity则是针对Pod。

podAffinity表示Pod亲和性调度，意识就是把Pod调度到与它比较紧密的Pod上，如下：

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: fronted
  labels:
    app: myapp
    row: fronted
spec:
  containers:
  - name: myapp
    image: ikubernetes/myapp:v1
---
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: backend
  labels:
    app: db
    row: backend
spec:
  containers:
  - name: db
    image: busybox
    imagePullPolicy: IfNotPresent
    command:
    - "/bin/sh"
    - "-c"
    - "sleep 3600"
  affinity:
    podAffinity:
      requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
      - labelSelector:
          matchExpressions:
          - key: app
            operator: In
            values: ["myapp"]
        topologyKey: kubernetes.io/hostname

这表示把后端pod和前端pod调度在一起。

podAffinity也有preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution和requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution，也就是硬亲和和软亲和，其使用情况和nodeAffinity一样。

podAntiAffinity

上面介绍了pod的亲和性，这里介绍的podAntiAffinity则是Pod的反亲和性，也就是说不将这类Pod调度到一起。在日常工作中，这种亲和性使用频率还比较高。微服务很少有单Pod，基本都是多个Pod，为了提高应用的高可用，不会将同应用的多个Pod调度到同一台机器上，这时候就要用到podAntiAffinity，如下：

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: nginx
  labels:
    app: nginx
spec:
  replicas: 3
  selector:
    matchLabels:
      app: nginx
  template:
    metadata:
      labels:
        app: nginx
    spec:
      affinity:
        podAntiAffinity:
          requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
          - labelSelector:
              matchExpressions:
              - key: app
                operator: In
                values:
                - nginx
            topologyKey: kubernetes.io/hostname
      containers:
      - name: nginx
        image: nginx

污点调度

在Kubernetes中，有些节点自带污点 ，比如Master节点，这类节点，如果Pod没有配置容忍污点，则这些Pod不会调度到这类节点上。

在实际中，污点调度也是非常有用的，有些场景某些节点只允许某些项目组的Pod允许，比如大数据项目是一些高IO项目，不想和其他普通项目混合在一起，而其他项目如果使用标签选择器配置部署又比较麻烦，这时候就可以使用污点选择器。

我们可以通过​​kubectl explain node.spec.taints​​来查看污点相关的配置信息：

$ kubectl explain node.spec.taints
KIND:     Node
VERSION:  v1

RESOURCE: taints <[]Object>

DESCRIPTION:
     If specified, the nodes taints.

     The node this Taint is attached to has the "effect" on any pod that does
     not tolerate the Taint.

FIELDS:
   effect       <string> -required-
     Required. The effect of the taint on pods that do not tolerate the taint.
     Valid effects are NoSchedule, PreferNoSchedule and NoExecute.

     Possible enum values:
     - `"NoExecute"` Evict any already-running pods that do not tolerate the
     taint. Currently enforced by NodeController.
     - `"NoSchedule"` Do not allow new pods to schedule onto the node unless
     they tolerate the taint, but allow all pods submitted to Kubelet without
     going through the scheduler to start, and allow all already-running pods to
     continue running. Enforced by the scheduler.
     - `"PreferNoSchedule"` Like TaintEffectNoSchedule, but the scheduler tries
     not to schedule new pods onto the node, rather than prohibiting new pods
     from scheduling onto the node entirely. Enforced by the scheduler.

   key  <string> -required-
     Required. The taint key to be applied to a node.

   timeAdded    <string>
     TimeAdded represents the time at which the taint was added. It is only
     written for NoExecute taints.

   value        <string>
     The taint value corresponding to the taint key.

其中effect定义对Pod的排斥效果：

• NoSchdule：仅影响调度过程，对现存在的Pod不产生影响；
• NoExecute：不仅影响调度，而且还影响现存Pod，不容忍的Pod对象将被驱逐；
• PreferNoSchedule：软排斥，不是完全禁止Pod调度；

如果要给节点添加污点，则如下：

$ kubectl taint nodes kk-node01 node-type=dev:NoSchedule

给节点 kk-node01增加一个污点，它的键名是 node-type，键值是 dev，效果是 NoSchedule。这表示只有拥有和这个污点相匹配的容忍度的 Pod 才能够被分配到 kk-node01这个节点。

如果要删除污点，则使用如下命令：

$ kubectl taint nodes kk-node01 node-type=dev:NoSchedule-

如果要配置容忍污点，则如下:

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: nginx-deployment
  labels:
    app: nginx
spec:
  replicas: 2
  selector:
    matchLabels:
      app: nginx
  template:
    metadata:
      labels:
        app: nginx
    spec:
      containers:
      - name: nginx
        image: nginx:1.7.9
        imagePullPolicy: IfNotPresent 
        ports:
        - containerPort: 80
      tolerations:
      - key: "node-type"
        operator: Equal
        value: dev
        effect: NoSchedule
        tolerationSeconds: 20

operator支持​​Equal​​​和​​Exists​​​，默认是​​Equal​​。

如果是Equal，表示污点的键值需要一致，如果使用Exists，则表示只要存在该键的污点，比如：

tolerations:
- key: "key1"
  operator: "Exists"
  effect: "NoSchedule"

该配置表示只要匹配容忍度，并且key1的健存在即可调度。

如果一个容忍度的 key 为空且 operator 为 Exists， 表示这个容忍度与任意的 key、value 和 effect 都匹配，即这个容忍度能容忍任何污点。如果 effect 为空，则可以与所有键名 key1 的效果相匹配。

你可以给一个节点添加多个污点，也可以给一个 Pod 添加多个容忍度设置。Kubernetes 处理多个污点和容忍度的过程就像一个过滤器：从一个节点的所有污点开始遍历， 过滤掉那些 Pod 中存在与之相匹配的容忍度的污点。余下未被过滤的污点的 effect 值决定了 Pod 是否会被分配到该节点，特别是以下情况：

• 如果未被忽略的污点中存在至少一个 effect 值为 NoSchedule 的污点， 则 Kubernetes 不会将 Pod 调度到该节点。
• 如果未被忽略的污点中不存在 effect 值为 NoSchedule 的污点， 但是存在 effect 值为 PreferNoSchedule 的污点， 则 Kubernetes 会 尝试 不将 Pod 调度到该节点。
• 如果未被忽略的污点中存在至少一个 effect 值为 NoExecute 的污点， 则 Kubernetes 不会将 Pod 调度到该节点（如果 Pod 还未在节点上运行）， 或者将 Pod 从该节点驱逐（如果 Pod 已经在节点上运行）。

例如，假设你给一个节点添加了如下污点

$ kubectl taint nodes node1 key1=value1:NoSchedule
$ kubectl taint nodes node1 key1=value1:NoExecute
$ kubectl taint nodes node1 key2=value2:NoSchedule

假定有一个 Pod，它有两个容忍度：

tolerations:
- key: "key1"
  operator: "Equal"
  value: "value1"
  effect: "NoSchedule"
- key: "key1"
  operator: "Equal"
  value: "value1"
  effect: "NoExecute"

在这种情况下，上述 Pod 不会被调度到上述节点，因为其没有容忍度和第三个污点相匹配。但是如果在给节点添加上述污点之前，该 Pod 已经在上述节点运行， 那么它还可以继续运行在该节点上，因为第三个污点是三个污点中唯一不能被这个 Pod 容忍的。

通常情况下，如果给一个节点添加了一个 effect 值为 NoExecute 的污点， 则任何不能忍受这个污点的 Pod 都会马上被驱逐，任何可以忍受这个污点的 Pod 都不会被驱逐。但是，如果 Pod 存在一个 effect 值为 NoExecute 的容忍度指定了可选属性 tolerationSeconds 的值，则表示在给节点添加了上述污点之后， Pod 还能继续在节点上运行的时间。例如:

tolerations:
- key: "key1"
  operator: "Equal"
  value: "value1"
  effect: "NoExecute"
  tolerationSeconds: 3600

这表示如果这个 Pod 正在运行，同时一个匹配的污点被添加到其所在的节点， 那么 Pod 还将继续在节点上运行 3600 秒，然后被驱逐。如果在此之前上述污点被删除了，则 Pod 不会被驱逐。

重新调度

在Kubernetes中，kube-scheduler负责将Pod调度到合适的Node上，但是Kubernetes是一个非常动态的，高度弹性的环境，有时候会造成某一个或多个节点pod数分配不均，比如：

• 一些节点利用率低下或过度使用
• 添加删除标签或添加删除污点，pod或Node亲和性改变等造成原调度不再满足
• 一些节点故障，其上运行的Pod调度到其他节点
• 新节点加入集群

由于以上种种原因，可能导致多个Pod运行到不太理想的节点，而整个K8S集群也会处于一段时间不均衡的状态，这时候就需要重新平衡集群。Descheduler就是这样一个项目。

Descheduler可以根据一些规则配置来重新平衡集群状态，目前支持的策略有：

• RemoveDuplicates
• LowNodeUtilization
• RemovePodsViolatingInterPodAntiAffinity
• RemovePodsViolatingNodeAffinity
• RemovePodsViolatingNodeTaints
• RemovePodsViolatingTopologySpreadConstraint
• RemovePodsHavingTooManyRestarts
• PodLifeTime

这些策略可以启用，也可以关闭，默认情况下，所有策略都是启动的。

另外，还有一些通用配置，如下：

• nodeSelector：限制要处理的节点
• evictLocalStoragePods: 驱除使用LocalStorage的Pods
• ignorePvcPods: 是否忽略配置PVC的Pods，默认是False
• maxNoOfPodsToEvictPerNode：节点允许的最大驱逐Pods数

由于我集群版本是1.24.2，所以安装descheduler v0.24版本。

（1）下载对应的Helm chart，我这里选择的是0.24版本

$ wget https://github.com/kubernetes-sigs/descheduler/releases/download/descheduler-helm-chart-0.24.0/descheduler-0.24.0.tgz

（2）如果可以科学上网，直接使用以下命令部署即可。

$ helm install descheduler .

如果不能科学上网，就替换镜像，修改​​value.yaml​​里的镜像信息，如下：

image:
  repository: registry.cn-hangzhou.aliyuncs.com/coolops/descheduler 
  # Overrides the image tag whose default is the chart version
  tag: "v0.24.0"
  pullPolicy: IfNotPresent

然后再执行安装命令。

安装完成过后，会配置默认的调度策略，如下：

apiVersion: v1
data:
  policy.yaml: |
    apiVersion: "descheduler/v1alpha1"
    kind: "DeschedulerPolicy"
    strategies:
      LowNodeUtilization:
        enabled: true
        params:
          nodeResourceUtilizationThresholds:
            targetThresholds:
              cpu: 50
              memory: 50
              pods: 50
            thresholds:
              cpu: 20
              memory: 20
              pods: 20
      RemoveDuplicates:
        enabled: true
      RemovePodsViolatingInterPodAntiAffinity:
        enabled: true
      RemovePodsViolatingNodeAffinity:
        enabled: true
        params:
          nodeAffinityType:
          - requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution
      RemovePodsViolatingNodeTaints:
        enabled: true
kind: ConfigMap
metadata:
  annotations:
    meta.helm.sh/release-name: descheduler
    meta.helm.sh/release-namespace: default
  creationTimestamp: "2022-08-02T03:06:57Z"
  labels:
    app.kubernetes.io/instance: descheduler
    app.kubernetes.io/managed-by: Helm
    app.kubernetes.io/name: descheduler
    app.kubernetes.io/version: 0.24.0
    helm.sh/chart: descheduler-0.24.0
  name: descheduler
  namespace: default
  resourceVersion: "894636"
  uid: 4ab2e628-9404-4e52-bd88-615f5e096d90

其中配置了：

• LowNodeUtilization：设置了cpu\\内存\\pod水位，thresholds表示未充分利用，targetThresholds表示过度使用
• RemoveDuplicates：开启同节点只有一个Pod运行
• RemovePodsViolatingInterPodAntiAffinity：删除违反亲和性的Pod
• RemovePodsViolatingNodeAffinity：删除不满足Node亲和性的Pod
• RemovePodsViolatingNodeTaints：删除不被Node污点容忍的Pod

并且会创建一个CronJob，周期性的执行调度均衡。

apiVersion: batch/v1
kind: CronJob
metadata:
  annotations:
    meta.helm.sh/release-name: descheduler
    meta.helm.sh/release-namespace: default
  creationTimestamp: "2022-08-02T03:06:57Z"
  generation: 1
  labels:
    app.kubernetes.io/instance: descheduler
    app.kubernetes.io/managed-by: Helm
    app.kubernetes.io/name: descheduler
    app.kubernetes.io/version: 0.24.0
    helm.sh/chart: descheduler-0.24.0
  name: descheduler
  namespace: default
  resourceVersion: "898221"
  uid: e209e498-71cb-413f-97a9-372aea5442bc
spec:
  concurrencyPolicy: Forbid
  failedJobsHistoryLimit: 1
  jobTemplate:
    metadata:
      creationTimestamp: null
    spec:
      template:
        metadata:
          annotations:
            checksum/config: 5efec14c3638fa4028e25f3fa067758f13dcae442fe711439c7d0b2e9913d41e
          creationTimestamp: null
          labels:
            app.kubernetes.io/instance: descheduler
            app.kubernetes.io/name: descheduler
          name: descheduler
        spec:
          containers:
          - args:
            - --policy-config-file
            - /policy-dir/policy.yaml
            - --v
            - "3"
            command:
            - /bin/descheduler
            image: registry.cn-hangzhou.aliyuncs.com/coolops/descheduler:v0.24.0
            imagePullPolicy: IfNotPresent
            livenessProbe:
              failureThreshold: 3
              httpGet:
                path: /healthz
                port: 10258
                scheme: HTTPS
              initialDelaySeconds: 3
              periodSeconds: 10
              successThreshold: 1
              timeoutSeconds: 1
            name: descheduler
            resources:
              requests:
                cpu: 500m
                memory: 256Mi
            securityContext:
              allowPrivilegeEscalation: false
              capabilities:
                drop:
                - ALL
              privileged: false
              readOnlyRootFilesystem: true
              runAsNonRoot: true
            terminationMessagePath: /dev/termination-log
            terminationMessagePolicy: File
            volumeMounts:
            - mountPath: /policy-dir
              name: policy-volume
          dnsPolicy: ClusterFirst
          priorityClassName: system-cluster-critical
          restartPolicy: Never
          schedulerName: default-scheduler
          securityContext: 
          serviceAccount: descheduler
          serviceAccountName: descheduler
          terminationGracePeriodSeconds: 30
          volumes:
          - configMap:
              defaultMode: 420
              name: descheduler
            name: policy-volume
  schedule: */2 * * * *
  successfulJobsHistoryLimit: 3
  suspend: false
status:
  lastScheduleTime: "2022-08-02T03:28:00Z"
  lastSuccessfulTime: "2022-08-02T03:28:03Z"

该Job会每2分钟执行一次均衡调度。

总结

Kubernetes的调度策略是非常复杂的，里面有许多复杂的算法，这里介绍的只是一些常用的调度策略，足够满足日常使用。如果想更深入的研究可以多看看官方文档以及源码。

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