Kubernetes 1.6新特性系列 | 高级调度

作者注：这是深入Kubernetes 1.6特性系列的第四篇。

导读：
Kubernetes 1.6高级调度的新特性主要集中在四个方面:
Node的亲和性和反亲和性(Affinity/Anti-Affinity)
Node的污点和容忍(Taints and Tolerations)
Pod的亲和性和反亲和性(Affinity/Anti-Affinity)
自定义调度器

1、简介

Kubernetes的调度器在大多数情况下能过运行的很好，例如：它能够将Pod调度到有充足资源的Node上；它能够将一组Pod(ReplicaSet, StatefulSet,等)均匀的调度到不同的Node上；它尽力平衡各个节点的资源使用率等。

但有些时候您会想控制您的Pod如何调度，例如：可能您想让一些Pod被确定调度到某些使用特殊硬件的节点上，或者您想让交互频繁的服务一起调度，或者您想让一些Node只给特定的一些用户提供服务等等。最终，您对于应用程序调度和部署的需求永远要比Kubernetes提供的多。因此，Kubernetes 1.6提供了四个高级高级调度功能：节点亲和性和反亲和性，污点和容忍，Pod亲和性/反亲和性和自定义调度。这四个特性在Kubernetes 1.6版本中都是beta版。

2、Node亲和性/反亲和性

Node亲和性/反亲和性是在Node上设置如何被Scheduler选择的规则一种方式。此功能是自Kubernetes 1.0版本以来在Kubernetes中的nodeSelector的功能的通用化。规则是使用在Pod中指定和选择器上自定义的标签等用户熟悉的概念定义的，并且他们是必需的或者首选的，这取决于您希望调度程序强制执行他们的严格程度。

A必需的规则(Required)

只有满足必需的规则的Pod才会被调度到特定的Node上。如果没有Node匹配条件(加上所有其他所有正常的条件，例如为Pod请求提供足够的可用资源），否则Pod不会被调度。必需满足的规则在nodeAffinity的requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution字段中指定。

例如，如果我们要求在多可用区域(Multiple Zones)的us-central1-a(GCE)区域中的节点上进行调度，则可以将以下的关联规则指定为Pod规范(Spec)的一部分：

affinity:
  nodeAffinity:
    requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
      nodeSelectorTerms:
        - matchExpressions:
          - key: "failure-domain.beta.kubernetes.io/zone"
            operator: In
            values: ["us-central1-a"]

“IgnoredDuringExecution”意味着如果Node上的标签发生更改，并且亲和性的规则不再满足时选择忽略。这个在未来会计划实现。
“requiredDuringSchedulingRequiredDuringExecution”意味着一旦他们不满足节点亲和性规则，将从Node上驱逐不再匹配规则的Pod。

B首选的规则(Preferred)

首选规则意味着如果节点与规则匹配，则将优先选择它们，并且仅当没有优选节点可用时才选择非优选节点。您可以选择使用首选规则，而不是通过必需规则强制将Pod部署到GCE的us-central1-a区域中的节点上。使用首选规则，则需指定preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution：

affinity:
  nodeAffinity:
    preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
      nodeSelectorTerms:
        - matchExpressions:
          - key: "failure-domain.beta.kubernetes.io/zone"
            operator: In
            values: ["us-central1-a"]

Node的反亲和性能够使用负操作符(NotIn, DoesNotExist等)来表示。下面的例子说明了如何禁止您的Pod被调度到us-central1-a的区域中：

affinity:
  nodeAffinity:
    requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
      nodeSelectorTerms:
      - matchExpressions:
        - key: "failur-domain.beta.kubernetes.io/zone"
          operator: NotIn
          values: ["us-central1-a"]

可以使用的操作符有：In, NotIn, Exists, DoesNotExist, Gt, 和Lt。

这个特性还有一些另外的使用场景，比如需要在调度上严格区别Node上的硬件架构，操作系统版本，或者专用的硬件等。

Node的亲和性和反亲和性在Kubernetes 1.6版本中是Beta版。

3、污点和容忍(Taints and Tolerations)

此功能允许您标记一个Node(“受污染”，“有污点”），以便没有Pod可以被调度到此节点上，除非Pod明确地“容忍”污点。标记的是Node而不是Pod（如节点的亲和性和反亲和性），对于集群中大多数Pod应该避免调度到特定的节点上的功能特别有用，例如，您可能希望主节点（Master）标记为仅可调度Kubernetes系统组件，或将一组节点专用于特定的用户组，或者让常规的Pod远离具有特殊硬件的Node，以便为有特殊硬件需求的Pod留出空间。

使用kubectl命令可以设置节点的“污点”，例如：

kubectl taint nodes node1 key=value:NoSchedule

创建一个污点并标记到Node，那些没有设置容忍的Pod（通过key-value方式设置NoSchedule，这是其中一个选项）不能调度到该Node上。其他污点的选项是PerferredNoSchedule，这是NoSchedule首选版本；还有NoExecute，这个选项意味着在当Node被标记有污点时，该Node上运行的任何没有设置容忍的Pod都将被驱逐。容忍将被添加到PodSpec中，看起来像这样：

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

除了将污点和容忍(Taints and Tolerations)特性在Kubernetes 1.6中移至Beta版外，我们还引入了一个使用污点和容忍的Alpha的特性：允许用户自定义一个Pod被绑定到Node上后遇到了诸如网络分区的问题时的行为（可能Pod希望长时间允许在这个Node上，或者网络分区会很快恢复），而不是现在默认的等待五分钟超时。更详细的信息，请参阅文档。

4、Pod的亲和性和反亲和性

Node的亲和性和反亲和性允许您基于节点的标签来限制Pod的调度行为。但是，如果您想要指定Pod的亲和关系时这种方法就无法奏效了。例如，如何实现在一个服务或者相关的服务中聚合Pod或将Pod均匀分布？为此，您可以使用Pod的亲和性和反亲和性特性，它在Kubernetes 1.6中也是Beta版。

我们来看一个例子。假设您在服务S1中有个前端应用，它经常与服务S2的后端应用进行通信。因此，您希望这两个服务共同位于同一个云提供商的区域中，但您不需要手动选择区域（如果有些区域暂时不可用），希望将Pod重新调度到另一个（单个的）区域。您可以像这样指定Pod的亲和性和反亲和性规则（假设您将该服务的Pod命名为*”service=S2″，另外一个服务的Pod为”service=S1″）：

affinity:
  podAffinity:
    requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
    - labelSelector:
      matchExpressions:
      - key: service
        operator: In
        values: [“S1”]
    topologyKey: failure-domain.beta.kubernetes.io/zone

如同Node的亲和性和反亲和性，也有一个preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution变量。

Pod的亲和性和反亲和性非常灵活。想象一下，您已经分析了您的服务的性能，发现来自服务S1的容器会干扰运行在同一Node上的服务S2的容器，这可能是由于缓存干扰效应或者网络连接饱和引起，或者也许是由于安全性问题，您不会想要S1和S2的容器共享一个Node。要实现这些规则，只需对上述代码段进行两次更改即可将podAffinity更改为podAntiAffinity”，并将topologyKey更改为kubernetes.io/hostname*即可。

5、自定义调度器

如果Kubernetes Scheduler的这些特性没能足够满足您控制负载的需求，您可以在将任意子集的Pod的调度任务交给您自己的自定义调度器，自定义的调度器可以跟默认的调度器（Kubernetes Scheduler）一起运行，或者替代默认的调度器。多调度器(Multiple schedulers)在Kubernetes 1.6中是Beta版。

在默认的情况下，每个新的Pod都使用默认的调度器进行调度。但是如果您提供了自定义调度器的名称，默认的调度器会忽略Pod的调度请求，允许您的自定义调度器对Pod进行调度。看看下面的例子：
在Pod的规范(Spec)中制定调度器的名字：

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:  
  name: nginx    
  labels:    
    app: nginx
spec:
  schedulerName: my-scheduler
  containers:
  - name: nginx
    image: nginx:1.10

如果我们在没有部署自定义调度器的情况下创建了这个Pod，结果会是默认的调度器将忽略这个Pod，它将处于Pending状态。因此，我们需要一个自定义调度程序来查找和调度其schedulerName字段为my-scheduler的Pod。

自定义调度语言可以用任何语言编写，调度策略根据需要可以简单也可以复杂。这是一个非常简单的例子，它使用Bash编写，它可以为Pod随机分配一个Node。请注意，您需要让它与kubectl proxy一起运行：

#!/bin/bash
SERVER='localhost:8001' # Proxy address for apiServer
while true;
do
    # Get all pods, and pod's properties
    for PODNAME in $(kubectl --server $SERVER get pods -o json 
            | jq '.items[] 
            | select(.spec.schedulerName == "my-scheduler") 
            | select(.spec.nodeName == null) 
            | .metadata.name' | tr -d '"');
    do
        # Get all nodes
        NODES=($(kubectl --server $SERVER get nodes -o json 
                | jq '.items[].metadata.name' 
                | tr -d '"'))
        NUMNODES=${#NODES[@]}
        
        # Choose a node randomly
        CHOSEN=${NODES[$[ $RANDOM % $NUMNODES ]]}
        
        # Bind a pod($PODNAME) to a node($CHOSEN)
        curl --header "Content-Type:application/json"  
             --request POST 
             --data 
            '{
                 "apiVersion":"v1",
                 "kind": "Binding",
                 "metadata": {
                     "name": "'$PODNAME'"
                 }, 
                 "target": {
                     "apiVersion": "v1", 
                     "kind": "Node", 
                     "name": "'$CHOSEN'"
                 }
             }'
             http://$SERVER/api/v1/namespaces/default/pods/$PODNAME/binding/        echo "Assigned $PODNAME to $CHOSEN"
    done
    sleep 1
done

Kubernetes 1.6的release notes关于这个特性有更多的介绍，包括您已经使用了这些（其中一个或者多个）特性的Alpha版本改如何进行配置的细节（这些事必需的，因为对于这些特性，从Alpha到Beta的转变是突破性的）。

6、致谢

这里描述的功能，包括Alpha和Beta版本，都是真正的社区努力，涉及Google，华为，IBM，Red Hat等的工程师。

7、参与其中

参与每周的 community meeting:

·                    在Stack Overflow上发布问题

·                    在Twitter @Kubernetesio 上关注最新的更新for latest updates

·                    在 Slack (room#sig-scheduling)上关注社区

非常感谢你的贡献。

–Ian Lewis, Developer Advocate, and David Oppenheimer, Software Engineer,Google

翻译于  http://blog.kubernetes.io/2017/03/advanced-scheduling-in-kubernetes.html

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