亲和与反亲和调度

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yixiaoer 发表于 2020/11/02 19:30:35 2020/11/02
【摘要】 在DaemonSet中讲到使用nodeSelector选择Pod要部署的节点，其实Kubernetes还支持更精细、更灵活的调度机制，那就是亲和（affinity）与反亲和（anti-affinity）调度。Kubernetes支持节点和Pod两个层级的亲和与反亲和。通过配置亲和与反亲和规则，可以允许你指定硬性限制或者偏好，例如将前台Pod和后台Pod部署在一起、某类应用部署到某些特定的节点...

在DaemonSet中讲到使用nodeSelector选择Pod要部署的节点，其实Kubernetes还支持更精细、更灵活的调度机制，那就是亲和（affinity）与反亲和（anti-affinity）调度。

Kubernetes支持节点和Pod两个层级的亲和与反亲和。通过配置亲和与反亲和规则，可以允许你指定硬性限制或者偏好，例如将前台Pod和后台Pod部署在一起、某类应用部署到某些特定的节点、不同应用部署到不同的节点等等。

Node Affinity（节点亲和）

您肯定也猜到了亲和性规则的基础肯定也是标签，先来看一下CCE集群中节点上有些什么标签。

$ kubectl describe node 192.168.0.212
Name:               192.168.0.212
Roles:              <none>
Labels:             beta.kubernetes.io/arch=amd64
                    beta.kubernetes.io/os=linux
                    failure-domain.beta.kubernetes.io/is-baremetal=false
                    failure-domain.beta.kubernetes.io/region=cn-east-3
                    failure-domain.beta.kubernetes.io/zone=cn-east-3a
                    kubernetes.io/arch=amd64
                    kubernetes.io/availablezone=cn-east-3a
                    kubernetes.io/eniquota=12
                    kubernetes.io/hostname=192.168.0.212
                    kubernetes.io/os=linux
                    node.kubernetes.io/subnetid=fd43acad-33e7-48b2-a85a-24833f362e0e
                    os.architecture=amd64
                    os.name=EulerOS_2.0_SP5
                    os.version=3.10.0-862.14.1.5.h328.eulerosv2r7.x86_64

这些标签都是在创建节点的时候CCE会自动添加上的，下面介绍几个在调度中会用到比较多的标签。

  • failure-domain.beta.kubernetes.io/region：表示节点所在的区域，如果上面这个节点标签值为cn-east-3，表示节点在上海一区域。

  • failure-domain.beta.kubernetes.io/zone：表示节点所在的可用区（availability zone）。

  • kubernetes.io/hostname：节点的hostname。

另外在Label：组织Pod的利器章节还介绍自定义标签，通常情况下，对于一个大型Kubernetes集群，肯定会根据业务需要定义很多标签。

在DaemonSet中介绍了nodeSelector，通过nodeSelector可以让Pod只部署在具有特定标签的节点上。如下所示，Pod只会部署在拥有gpu=true这个标签的节点上。

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: nginx
spec:  nodeSelector:                 # 节点选择，当节点拥有gpu=true时才在节点上创建Pod    gpu: ture...

通过节点亲和性规则配置，也可以做到同样的事情，如下所示。

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name:  gpu
  labels:
    app:  gpu
spec:
  selector:
    matchLabels:
      app: gpu
  replicas: 3
  template:
    metadata:
      labels:
        app:  gpu
    spec:
      containers:
      - image:  nginx:alpine
        name:  gpu
        resources:
          requests:
            cpu: 100m
            memory: 200Mi
          limits:
            cpu: 100m
            memory: 200Mi
      imagePullSecrets:
      - name: default-secret      affinity:        nodeAffinity:          requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:            nodeSelectorTerms:            - matchExpressions:              - key: gpu                operator: In                values:                - "true"

看起来这要复杂很多，但这种方式可以得到更强的表达能力，后面会进一步介绍。

这里affinity表示亲和，nodeAffinity表示节点亲和，requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution非常长，不过可以将这个分作两段来看：

  • 前半段requiredDuringScheduling表示下面定义的规则必须强制满足（require）。

  • 后半段IgnoredDuringExecution表示不会影响已经在节点上运行的Pod，目前Kubernetes提供的规则都是以IgnoredDuringExecution结尾的，因为当前的节点亲缘性规则只会影响正在被调度的pod，最终，kubernetes也会支持RequiredDuringExecution，即去除节点上的某个标签，那些需要节点包含该标签的pod将会被剔除。

另外操作符operator的值为In，表示标签值需要在values的列表中，其他operator取值如下。

  • NotIn：标签的值不在某个列表中

  • Exists：某个标签存在

  • DoesNotExist：某个标签不存在

  • Gt：标签的值大于某个值（字符串比较）

  • Lt：标签的值小于某个值（字符串比较）

需要说明的是并没有nodeAntiAffinity（节点反亲和），因为NotIn和DoesNotExist可以提供相同的功能。

下面来验证这段规则是否生效，首先给192.168.0.212这个节点打上gpu=true的标签。

$ kubectl label node 192.168.0.212 gpu=true
node/192.168.0.212 labeled

$ kubectl get node -L gpu
NAME            STATUS   ROLES    AGE   VERSION                            GPU192.168.0.212   Ready    <none>   13m   v1.15.6-r1-20.3.0.2.B001-15.30.2   true192.168.0.94    Ready    <none>   13m   v1.15.6-r1-20.3.0.2.B001-15.30.2   
192.168.0.97    Ready    <none>   13m   v1.15.6-r1-20.3.0.2.B001-15.30.2

创建这个Deployment，可以发现所有的Pod都部署在了192.168.0.212这个节点上。

$ kubectl create -f affinity.yaml 
deployment.apps/gpu created

$ kubectl get pod -owide
NAME                     READY   STATUS    RESTARTS   AGE   IP            NODE         gpu-6df65c44cf-42xw4     1/1     Running   0          15s   172.16.0.37   192.168.0.212gpu-6df65c44cf-jzjvs     1/1     Running   0          15s   172.16.0.36   192.168.0.212gpu-6df65c44cf-zv5cl     1/1     Running   0          15s   172.16.0.38   192.168.0.212

节点优先选择规则

上面讲的requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution是一种强制选择的规则，节点亲和还有一种优先选择规则，即preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution，表示会根据规则优先选择哪些节点。

为演示这个效果，先为上面的集群添加一个节点，且这个节点跟另外三个节点不在同一个可用区，创建完之后查询节点的可用区标签，如下所示，新添加的节点在cn-east-3c这个可用区。

$ kubectl get node -L failure-domain.beta.kubernetes.io/zone,gpu
NAME            STATUS   ROLES    AGE     VERSION                            ZONE         GPU
192.168.0.100   Ready    <none>   7h23m   v1.15.6-r1-20.3.0.2.B001-15.30.2   cn-east-3c   192.168.0.212   Ready    <none>   8h      v1.15.6-r1-20.3.0.2.B001-15.30.2   cn-east-3a   true192.168.0.94    Ready    <none>   8h      v1.15.6-r1-20.3.0.2.B001-15.30.2   cn-east-3a   
192.168.0.97    Ready    <none>   8h      v1.15.6-r1-20.3.0.2.B001-15.30.2   cn-east-3a

下面定义一个Deployment，要求Pod优先部署在可用区cn-east-3a的节点上，可以像下面这样定义，使用preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution规则，给cn-east-3a设置权重（weight）为80，而gpu=true权重为20，这样Pod就优先部署在cn-east-3a的节点上。

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name:  gpu
  labels:
    app:  gpu
spec:
  selector:
    matchLabels:
      app: gpu
  replicas: 10
  template:
    metadata:
      labels:
        app:  gpu
    spec:
      containers:
      - image:  nginx:alpine
        name:  gpu
        resources:
          requests:
            cpu:  100m
            memory:  200Mi
          limits:
            cpu:  100m
            memory:  200Mi
      imagePullSecrets:
      - name: default-secret      affinity:        nodeAffinity:          preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:          - weight: 80             preference:               matchExpressions:               - key: failure-domain.beta.kubernetes.io/zone                operator: In                 values:                 - cn-east-3a          - weight: 20             preference:               matchExpressions:               - key: gpu                operator: In                 values:                 - "true"

来看实际部署后的情况，可以看到部署到192.168.0.212这个节点上的Pod有5个，而192.168.0.100上只有2个。

$ kubectl create -f affinity2.yaml 
deployment.apps/gpu created

$ kubectl get po -o wide
NAME                   READY   STATUS    RESTARTS   AGE     IP            NODE         
gpu-585455d466-5bmcz   1/1     Running   0          2m29s   172.16.0.44   192.168.0.212
gpu-585455d466-cg2l6   1/1     Running   0          2m29s   172.16.0.63   192.168.0.97 
gpu-585455d466-f2bt2   1/1     Running   0          2m29s   172.16.0.79   192.168.0.100
gpu-585455d466-hdb5n   1/1     Running   0          2m29s   172.16.0.42   192.168.0.212
gpu-585455d466-hkgvz   1/1     Running   0          2m29s   172.16.0.43   192.168.0.212
gpu-585455d466-mngvn   1/1     Running   0          2m29s   172.16.0.48   192.168.0.97 
gpu-585455d466-s26qs   1/1     Running   0          2m29s   172.16.0.62   192.168.0.97 
gpu-585455d466-sxtzm   1/1     Running   0          2m29s   172.16.0.45   192.168.0.212
gpu-585455d466-t56cm   1/1     Running   0          2m29s   172.16.0.64   192.168.0.100
gpu-585455d466-t5w5x   1/1     Running   0          2m29s   172.16.0.41   192.168.0.212

上面这个例子中，对于节点排序优先级如下所示，有个两个标签的节点排序最高，只有cn-east-3a标签的节点排序第二（权重为80），只有gpu=true的节点排序第三，没有的节点排序最低。

图1 优先级排序顺序


这里您看到Pod并没有调度到192.168.0.94这个节点上，这是因为这个节点上部署了很多其他Pod，资源使用较多，所以并没有往这个节点上调度，这也侧面说明preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution是优先规则，而不是强制规则。

Pod Affinity（Pod亲和）

节点亲和的规则只能影响Pod和节点之间的亲和，Kubernetes还支持Pod和Pod之间的亲和，例如将应用的前端和后端部署在一起，从而减少访问延迟。Pod亲和同样有requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution和preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution两种规则。

来看下面这个例子，假设有个应用的后端已经创建，且带有app=backend的标签。

$ kubectl get po -o wide
NAME                       READY   STATUS    RESTARTS   AGE     IP            NODE         
backend-658f6cb858-dlrz8   1/1     Running   0          2m36s   172.16.0.67   192.168.0.100

将前端frontend的pod部署在backend一起时，可以做如下Pod亲和规则配置。

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name:   frontend
  labels:
    app:  frontend
spec:
  selector:
    matchLabels:
      app: frontend
  replicas: 3
  template:
    metadata:
      labels:
        app:  frontend
    spec:
      containers:
      - image:  nginx:alpine
        name:  frontend
        resources:
          requests:
            cpu:  100m
            memory:  200Mi
          limits:
            cpu:  100m
            memory:  200Mi
      imagePullSecrets:
      - name: default-secret      affinity:        podAffinity:          requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:          - topologyKey: kubernetes.io/hostname            labelSelector:              matchLabels:                app: backend

创建frontend然后查看，可以看到frontend都创建到跟backend一样的节点上了。

$ kubectl create -f affinity3.yaml 
deployment.apps/frontend created

$ kubectl get po -o wide
NAME                        READY   STATUS    RESTARTS   AGE     IP            NODE         
backend-658f6cb858-dlrz8    1/1     Running   0          5m38s   172.16.0.67   192.168.0.100
frontend-67ff9b7b97-dsqzn   1/1     Running   0          6s      172.16.0.70   192.168.0.100
frontend-67ff9b7b97-hxm5t   1/1     Running   0          6s      172.16.0.71   192.168.0.100
frontend-67ff9b7b97-z8pdb   1/1     Running   0          6s      172.16.0.72   192.168.0.100

这里有个topologyKey字段，意思是先圈定topologyKey指定的范围，然后再选择下面规则定义的内容。这里每个节点上都有kubernetes.io/hostname，所以看不出topologyKey起到的作用。

如果backend有两个Pod，分别在不同的节点上。

$ kubectl get po -o wide
NAME                       READY   STATUS    RESTARTS   AGE     IP            NODE         
backend-658f6cb858-5bpd6   1/1     Running   0          23m     172.16.0.40   192.168.0.97
backend-658f6cb858-dlrz8   1/1     Running   0          2m36s   172.16.0.67   192.168.0.100

给192.168.0.97和192.168.0.94打一个perfer=true的标签。

$ kubectl label node 192.168.0.97 perfer=true
node/192.168.0.97 labeled
$ kubectl label node 192.168.0.94 perfer=true
node/192.168.0.94 labeled

$ kubectl get node -L perfer
NAME            STATUS   ROLES    AGE   VERSION                            PERFER
192.168.0.100   Ready    <none>   44m   v1.15.6-r1-20.3.0.2.B001-15.30.2   
192.168.0.212   Ready    <none>   91m   v1.15.6-r1-20.3.0.2.B001-15.30.2   
192.168.0.94    Ready    <none>   91m   v1.15.6-r1-20.3.0.2.B001-15.30.2   true
192.168.0.97    Ready    <none>   91m   v1.15.6-r1-20.3.0.2.B001-15.30.2   true

将podAffinity的topologyKey定义为perfer。

      affinity:
        podAffinity:
          requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
          - topologyKey: perfer
            labelSelector:
              matchLabels:
                app: backend

调度时，先圈定拥有perfer标签的节点，这里也就是192.168.0.97和192.168.0.94，然后再匹配app=backend标签的Pod，从而frontend就会全部部署在192.168.0.97上。

$ kubectl create -f affinity3.yaml 
deployment.apps/frontend created

$ kubectl get po -o wide
NAME                        READY   STATUS    RESTARTS   AGE     IP            NODE         
backend-658f6cb858-5bpd6    1/1     Running   0          26m     172.16.0.40   192.168.0.97
backend-658f6cb858-dlrz8    1/1     Running   0          5m38s   172.16.0.67   192.168.0.100
frontend-67ff9b7b97-dsqzn   1/1     Running   0          6s      172.16.0.70   192.168.0.97
frontend-67ff9b7b97-hxm5t   1/1     Running   0          6s      172.16.0.71   192.168.0.97
frontend-67ff9b7b97-z8pdb   1/1     Running   0          6s      172.16.0.72   192.168.0.97

Pod AntiAffinity（Pod反亲和）

前面讲了Pod的亲和，通过亲和将Pod部署在一起，有时候需求却恰恰相反，需要将Pod分开部署，例如Pod之间部署在一起会影响性能的情况。

下面例子中定义了反亲和规则，这个规则表示Pod不能调度到拥有app=frontend标签Pod的节点上，也就是下面将frontend分别调度到不同的节点上（每个节点只有一个Pod）。

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name:   frontend
  labels:
    app:  frontend
spec:
  selector:
    matchLabels:
      app: frontend
  replicas: 5
  template:
    metadata:
      labels:
        app:  frontend
    spec:
      containers:
      - image:  nginx:alpine
        name:  frontend
        resources:
          requests:
            cpu:  100m
            memory:  200Mi
          limits:
            cpu:  100m
            memory:  200Mi
      imagePullSecrets:
      - name: default-secret
      affinity:        podAntiAffinity:
          requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
          - topologyKey: kubernetes.io/hostname
            labelSelector:
              matchLabels:                app: frontend

创建并查看，可以看到每个节点上只有一个frontend的Pod，还有一个在Pending，因为在部署第5个时4个节点上都有了app=frontend的Pod，所以第5个一直是Pending。

$ kubectl create -f affinity4.yaml 
deployment.apps/frontend created

$ kubectl get po -o wide
NAME                        READY   STATUS    RESTARTS   AGE   IP            NODE         
frontend-6f686d8d87-8dlsc   1/1     Running   0          18s   172.16.0.76   192.168.0.100frontend-6f686d8d87-d6l8p   0/1     Pending   0          18s   <none>        <none>       frontend-6f686d8d87-hgcq2   1/1     Running   0          18s   172.16.0.54   192.168.0.97 
frontend-6f686d8d87-q7cfq   1/1     Running   0          18s   172.16.0.47   192.168.0.212
frontend-6f686d8d87-xl8hx   1/1     Running   0          18s   172.16.0.23   192.168.0.94


了解更多Kubernetes集群相关知识和使用方法请猛击这里。

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