Kubernetes调度之亲和与反亲和

系列目录

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：

不仅仅是“与”，支持更多的逻辑表达式。
nodeSelector是硬性要求，亲和与反亲和支持软硬两种要求。
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

巴特西