Kubernetes调度之亲和与反亲和

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部署pod时,大多数情况下kubernetes的调度程序能将pod调度到集群中合适的节点上。但有些情况下用户需要对pod调度到哪个节点上施加更多控制,比如将特定pod部署到拥有SSD存储节点、将同一个服务的多个后端部署在不同的机器上提高安全性、将通信频繁的服务部署在同一个可用区域降低通信链路长度。用户对pod部署的节点施加控制都与”label selector”有关。

nodeSelector(节点选择器)

nodeSelector也是标签选择器,是最简单、最直接控制pod部署node的方法,在daemonset用nodeSelector过滤可部署节点,以下是其普通的应用示例。

步骤1:为节点添加标签

  • kubectl get nodes,返回集群中所有node。

  • kubectl node label = ,为node选定的node添加标签。如kubectl label nodes kubernetes-foo-node-1.c.a-robinson.internal disktype=ssd

  • 为pod configuration添加节点选择器:

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: nginx
  labels:
    env: test
spec:
  containers:
  - name: nginx
    image: nginx
    imagePullPolicy: IfNotPresent
  nodeSelector:
    disktype: ssd

当运行kubectl create -f https://k8s.io/examples/pods/pod-nginx.yaml命令创建pod时,节点选择器选中有上述节点,如果没有符合条件的node则调度失败,为pod输出调度失败事件并指明失败原因。pod一直处于pending状态,直到找到合适的节点

运行kubectl get pods -o wide查看调度程序为pod选定的节点。

Interlude: built-in node labels(插曲:内置节点标签)

上例中使用用户自定义标签,也可以使用系统自动生成的内置节点标签。不同kubernetes版本、不同的基础设备供应商,默认添加的内置节点标签可能不同,需查询相关文档确认,以下是kubernetes1.4的内置节点标签:

  • kubernetes.io/hostname
  • failure-domain.beta.kubernetes.io/zone
  • failure-domain.beta.kubernetes.io/region
  • beta.kubernetes.io/instance-type
  • beta.kubernetes.io/os
  • beta.kubernetes.io/arch 

亲和与反亲和(Affinity and anti-affinity)

nodeSelector只能基于节点标签控制pod部署node,并且选择器只支持“与”逻辑操作。亲和与反亲和特性目前处于测试阶段,相比于节点选择器,其更灵活,功能更强大,体现在以下三点:

1) 不仅仅是“与”,支持更多的逻辑表达式。

2) nodeSelector是硬性要求,亲和与反亲和支持软硬两种要求。

3) 除了节点标签,亲和与反亲和支持根据节点上已经部署的pod进行节点选择,这一点很重要。比如不想将两种计算密集类型的pod部署在同一节点上,后部署pod可选择过滤。

细分成两种类型的选择器:”节点亲和”与”内部pod亲和、反亲和”。节点亲和与nodeSelector相似,具备上述1、2两条优点。内部pod亲和依赖的是节点上已有pod的标签而不是节点标签,兼俱上述三个优点。因为节点亲和能完成nodeSelector所工作并且具备额外的优点,因此nodeSelector虽然还能用,但已经不再维护,并且将来可能删除。

节点亲和(测试特性)

节点亲和与nodeSelector工作原理相同,都是其于node标签选择节点。有两点不同,第一是节点亲和支持软硬两种节点选择requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution、preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution。前者是硬性条件必需满足,后者是软性条件,属于偏好部署。第二点是在选择节点时,节点亲和比nodeSelector支持更多更灵活的表达式,示例如下:

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: with-node-affinity
spec:
  affinity:
    nodeAffinity:
      requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
        nodeSelectorTerms:
        - matchExpressions:
          - key: kubernetes.io/e2e-az-name
            operator: In
            values:
            - e2e-az1
            - e2e-az2
      preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
      - weight: 1
        preference:
          matchExpressions:
          - key: another-node-label-key
            operator: In
            values:
            - another-node-label-value
  containers:
  - name: with-node-affinity
    image: k8s.gcr.io/pause:2.0

符合条件的节点必需满足requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution的条件,在此基础上,如果有节点满足
preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution的条件,则更倾向部署在后者上。查询表达式中可以使用的操作符有:
In, NotIn, Exists, DoesNotExist, Gt, Lt等。

在requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution中的matchExpressions可以包含多条选择表达式,相互之间是”逻辑与”的关系,必需同时满足。preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution中的matchExpressions也可以有多条,因为它是软性条件,因为并非一定要全匹配,匹配的条目越多越符合条件。另外还可以为偏好中的表达式赋予不同的权重weight,可取的值在0-100之间,最后通过计算权重和决定那个节点更符合条件。

如果同时使用了nodeSelector与nodeAffinity,那么目标节点必需同时满足这两个选择器。

内部pod亲和与反亲和(测试特性)

内部pod亲和与反亲和特性由kubernetes1.4版本初次引入,其基于节点上已部署pod的标签计算亲和与反亲和,如实现将两种通信频繁pod部署在相同节点,将两种计算密集型pod部署在不同节点等。

提示:实现内部亲和与反亲和需要数量可观的计算步骤,会明显降低pod调度的速度,集群规模越大、节点越多降速越明显,呈指数级增长,需要在使用此特性时考虑对调度速度的影响。

在配置时,内部pod亲和用podAffinity字段表示,内部pod反亲和用podAntiAffinity字段表示,其它与节点亲和一样,也有软硬两种选择器,每种选择器可以多个过滤条件。

内部pod亲和示例:

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: with-pod-affinity
spec:
  affinity:
    podAffinity:
      requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
      - labelSelector:
          matchExpressions:
          - key: security
            operator: In
            values:
            - S1
        topologyKey: failure-domain.beta.kubernetes.io/zone
    podAntiAffinity:
      preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
      - weight: 100
        podAffinityTerm:
          labelSelector:
            matchExpressions:
            - key: security
              operator: In
              values:
              - S2
          topologyKey: kubernetes.io/hostname
  containers:
  - name: with-pod-affinity
    image: k8s.gcr.io/pause:2.0

上例中的topologyKey用来缩小节点选择范围,其值可以是任何合法的节点标签,在大规模集群中,为此字段不指定或者指定错误值,可能引发巨大的性能、安全问题。因此,对其使用有如下限制:

  • 对于亲和与硬性反亲和,topologyKey字段值不能为空。

  • 对于硬性反亲和,topoloygKey只能是kubernetes.io/hostname,除非禁止LimitPodHardAntiAffinityTopology允入控制器或者修改其实现。

  • 对于软件反亲和,允许topoloygKey为空,表示对节点拓扑没有限制。

  • 以上情况外,topologyKey可以是任何合法标签。

示例1:用反亲和特性实现pod位置协商

假设集群有五个工作节点,部署一个web应用,假设其用redis作内存缓存,共需要三个副本,通过反亲和将三个redis副本分别部署在三个不同的节点上,提高可用性,Deployment配置如下:

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: redis-cache
spec:
  selector:
    matchLabels:
      app: store
  replicas: 3
  template:
    metadata:
      labels:
        app: store
    spec:
      affinity:
        podAntiAffinity:
          requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
          - labelSelector:
              matchExpressions:
              - key: app
                operator: In
                values:
                - store
            topologyKey: "kubernetes.io/hostname"
      containers:
      - name: redis-server
        image: redis:3.2-alpine

反亲和会阻止同相的redis副本部署在同一节点上。

现在部署三个nginx web前端,要求三个副本不对分别部署在不同的节点上,通过与上列相似的反亲和实现。同时需要将三个web前端部署在其上已经部署redis的节点上,降低通信成本,通过亲和实现,配置如下:

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: web-server
spec:
  selector:
    matchLabels:
      app: web-store
  replicas: 3
  template:
    metadata:
      labels:
        app: web-store
    spec:
      affinity:
        podAntiAffinity:
          requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
          - labelSelector:
              matchExpressions:
              - key: app
                operator: In
                values:
                - web-store
            topologyKey: "kubernetes.io/hostname"
        podAffinity:
          requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
          - labelSelector:
              matchExpressions:
              - key: app
                operator: In
                values:
                - store
            topologyKey: "kubernetes.io/hostname"
      containers:
      - name: web-app
        image: nginx:1.12-alpine

参考

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