k8s调度之初探nodeSelector和nodeAffinity

在k8s的调度中，有强制性的nodeSelector，节点亲和性nodeAffinity、Pod亲和性podAffinity、pod反亲和性podAntiAffinity。本篇先对nodeSelector和nodeAffinity做个初探。

进入主题之前，先看看创建pod的大概过程

kubectl向apiserver发起创建pod请求，apiserver将创建pod配置写入etcd

scheduler收到apiserver有新pod的事件，scheduler根据自身调度算法选择一个合适的节点，并打标记pod=test-b-k8s-node01

kubelet收到分配到自己节点的pod，调用docker api创建容器，并获取容器状态汇报给apiserver

执行kubectl get查看，apiserver会再次从etcd查询pod信息

k8s的各个组件是基于list-watch机制进行交互的，了解了list-watch机制，以及结合上述pod的创建流程，就可以很好的理解各个组件之间的交互。

关于list-watch机制概念（参考）：

list-watch机制是一种比较常用的分布式协调机制，它使得系统中的多个节点能够相互通信并且同步更新状态。list-watch机制的基本原理是：一个节点A将发布一个列表存储到共享内存，然后另一个节点B可以访问该存储列表，当A对该存储列表进行任何变更时，系统会自动通知B节点同步数据。list-watch是一种轻量级的架构，用于在分布式环境中支持和管理系统name-value对模型。首先，它构建一个包含所有name-value对的结构，当name-value发生变化时更新这个结构，然后将其提供给特定的节点。对于每个节点，可以创建一条监视链条，以便检测名称-值的变化，以便节点能够保持最新的数据。如果name-value发生变化，list-watch机制将通知特定节点同步新的name-value。list-watch机制的工作方式非常简单，它不需要复杂的分布式框架。list-watch机制非常适合用于高可用系统，因为它可以自动地进行数据共享和同步，使各个节点能够及时获取最新的信息，从而提升系统的可用性和可靠性。此外，list-watch还可以帮助系统在各个节点上实现一致，这有助于提高系统的可扩展性，改进其可靠性和稳定性。

何为调度

说白了就是将Pod指派到合适的节点上，以便对应节点上的Kubelet能够运行这些Pod。在k8s中，承担调度工作的组件是kube-scheduler，它也是k8s集群的默认调度器，它在设计上就允许编写一个自定义的调度组件并替换原有的kube-scheduler。所以，如果你足够牛逼，就可以自己开发一个调度器来替换默认的了。调度器通过K8S的监测（Watch）机制来发现集群中新创建且尚未被调度到节点上的Pod，调度器会将所发现的每一个未调度的Pod调度到一个合适的节点上来运行。

调度程序会过滤掉任何不满足Pod特定调度需求的节点

创建Pod时也可以手动指定一个节点

如果没有任何一个节点能满足Pod的资源请求，那么这个Pod将一直停留在未调度状态直到调度器能够找到合适的Node

调度流程

kube-scheduler给一个Pod做调度选择时包含了两个步骤：过滤、打分。

pod开始创建，通知apiserver

kube-scheduler在集群中找出所有满足需求的可调度节点（过滤阶段）

kube-scheduler根据当前打分规则给这些可调度节点打分（打分阶段）

kube-scheduler选择得分最高的节点运行Pod（存在多个得分最高的节点则随机选取）

kube-scheduler通知kube-apiserver

nodeSelector和nodeAffinity

实际工作中，可能会有这样的情况，需要进一步控制Pod被部署到哪个节点。例如，确保某些Pod最终落在具有SSD硬盘的主机上，又需要确保某些pod落在具体部门的主机上运行，这时就可以使用标签选择器来进行选择。

nodeSelector：通过它可以将pod指派到具有特定标签的节点上，nodeSelector只能选择指定标签的节点，它属于强制性的，如果标签不小心写错则无法调度

nodeAffinity：节点亲和性有以下两种，它的表达能力更强，允许指定软规则，提供了对选择逻辑更强的控制能力，operator字段支持In、NotIn、Exists、DoesNotExist、Gt和Lt，

requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution：调度器只有在规则被满足的时候才能执行调度（硬策略）

preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution：调度器会尝试寻找满足对应规则的节点。如果找不到匹配的节点，调度器仍然会调度该Pod（软策略）

进一步对nodeAffinity的理解：我对亲和性和反亲和性的理解是这样的，亲和性就是希望某些pod在同一个node上，反亲和性是希望某些pod不要在同一个node上。nodeAffinity是亲和性的，它的NotIn和DoesNotExist可用来实现节点反亲和性行为（当然也可以使用节点污点将Pod从特定节点上驱逐，后面专门分享），通过逻辑组合可以控制pod要部署在哪些节点上，以及不能部署在哪些节点上。

注意：

如果同时指定了 nodeSelector 和 nodeAffinity，两者必须都要满足，才能将Pod调度到候选节点上

如果在与 nodeAffinity 类型关联的 nodeSelectorTerms 中指定多个条件，只要其中一个 nodeSelectorTerms 满足（各个条件按逻辑或操作组合）的话，Pod 就可以被调度到节点上

如果在与 nodeSelectorTerms 中的条件相关联的单个 matchExpressions 字段中指定多个表达式，则只有当所有表达式都满足（各表达式按逻辑与操作组合）时，Pod才能被调度到节点上

实战案例

1. 节点亲和性案例（nodeAffinity）

pod.yaml

apiVersion: v1kind: Podmetadata:  name: goweb-demospec:  affinity:    nodeAffinity:      requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution: # 调度器只有在规则被满足的时候才执行调度        nodeSelectorTerms:        - matchExpressions:          - key: team            operator: In            values:            - team-a            - team-b      preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution: # 调度器会尝试寻找满足对应规则的节点（如果找不到匹配的节点，调度器仍然会调度该Pod）      - weight: 1        preference:          matchExpressions:          - key: hostbrand            operator: In            values:            - ibm  containers:  - name: container-goweb-demo    image: 192.168.11.247/web-demo/goweb-demo:20221229v3

配置node的标签

# 设置标签kubectl label node test-b-k8s-node01 team=team-akubectl label node test-b-k8s-node02 team=team-bkubectl label node test-b-k8s-node01 hostbrand=ibm# 查看kubectl get node --show-labels# 创建kubectl create -f pod.yaml # 查看Podtantianran@test-b-k8s-master:~/goweb-demo$ kubectl get pod -o wideNAME         READY   STATUS    RESTARTS   AGE   IP              NODE                NOMINATED NODE   READINESS GATESgoweb-demo   1/1     Running   0          17s   10.244.240.58   test-b-k8s-node01   <none>           <none>tantianran@test-b-k8s-master:~/goweb-demo$

在上面的案例中，所应用的规则如下：

节点必须包含一个键名为 team 的标签，并且该标签的取值必须为 team-a 或 team-b

节点最好具有一个键名为 hostbrand 且取值为 ibm 的标签

关于节点亲和性权重的weight字段：

preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution 亲和性类型可以设置 weight 字段，其取值范围是 1 到 100。当调度器找到能够满足 Pod 的其他调度请求的节点时，调度器会遍历节点满足的所有的偏好性规则，并将对应表达式的 weight 值加和。

最终的加和值会添加到该节点的其他优先级函数的评分之上。在调度器为 Pod 作出调度决定时，总分最高的节点的优先级也最高。

2. 节点亲和性+带有权重的例子

pod.yaml

apiVersion: v1kind: Podmetadata:  name: goweb-demospec:  affinity:    nodeAffinity:      requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:        nodeSelectorTerms:        - matchExpressions:          - key: team            operator: In            values:            - team-a      preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:      - weight: 1        preference:          matchExpressions:          - key: disktype            operator: In            values:            - ssd      - weight: 50        preference:          matchExpressions:          - key: disktype            operator: In            values:            - sas  containers:  - name: container-goweb-demo    image: 192.168.11.247/web-demo/goweb-demo:20221229v3

# 创建tantianran@test-b-k8s-master:~/goweb-demo$ kubectl create -f pod.yaml pod/goweb-demo created# 查看tantianran@test-b-k8s-master:~/goweb-demo$ kubectl get pods -o wideNAME         READY   STATUS    RESTARTS   AGE   IP              NODE                NOMINATED NODE   READINESS GATESgoweb-demo   1/1     Running   0          35s   10.244.240.18   test-b-k8s-node01   <none>           <none>tantianran@test-b-k8s-master:~/goweb-demo$

上面的例子，存在两个候选节点，都满足 preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution 规则，其中一个节点具有标签 disktype:ssd，另一个节点具有标签 disktype:sas，调度器会考察各个节点的weight取值，并将该权重值添加到节点的其他得分值之上。

3. nodeSelector案例

设置节点的标签

# 给节点打标签，key和value：gpu=truekubectl label node test-b-k8s-node02 gpu=truenode/test-b-k8s-node02 labeled# 查看指定节点标签kubectl get node test-b-k8s-node02 --show-labels# 不指定节点时，查看所有节点标签kubectl get node --show-labels

添加nodeSelector字段到pod配置

apiVersion: v1kind: Namespacemetadata:  name: test-a---apiVersion: apps/v1kind: Deploymentmetadata:  name: goweb-demo  namespace: test-aspec:  replicas: 10  selector:    matchLabels:      app: goweb-demo  template:    metadata:      labels:        app: goweb-demo    spec:      nodeSelector:        gpu: true      containers:      - name: goweb-demo        image: 192.168.11.247/web-demo/goweb-demo:20221229v3---apiVersion: v1kind: Servicemetadata:  name: goweb-demo  namespace: test-aspec:  ports:  - port: 80    protocol: TCP    targetPort: 8090  selector:    app: goweb-demo  type: NodePort

提示：刚测了一下，非要取这种标签的话gpu=true，在yaml定义时gpu: true ，true就要加双引号，它是字符串，不加的话，他认为是bool。所以，设置node的标签，value以后尽量不要是true/false，非要的话，指定时加上双引号即可。

tantianran@test-b-k8s-master:~/goweb-demo$ kubectl get pods -n test-a -o wideNAME                          READY   STATUS    RESTARTS   AGE   IP              NODE                NOMINATED NODE   READINESS GATESgoweb-demo-69d79997f7-24862   1/1     Running   0          16m   10.244.222.7    test-b-k8s-node02   <none>           <none>goweb-demo-69d79997f7-48c62   1/1     Running   0          16m   10.244.222.32   test-b-k8s-node02   <none>           <none>goweb-demo-69d79997f7-76jd9   1/1     Running   0          16m   10.244.222.51   test-b-k8s-node02   <none>           <none>goweb-demo-69d79997f7-dt7sf   1/1     Running   0          16m   10.244.222.21   test-b-k8s-node02   <none>           <none>goweb-demo-69d79997f7-fddpd   1/1     Running   0          16m   10.244.222.60   test-b-k8s-node02   <none>           <none>goweb-demo-69d79997f7-lw2t8   1/1     Running   0          16m   10.244.222.47   test-b-k8s-node02   <none>           <none>goweb-demo-69d79997f7-nwwkg   1/1     Running   0          16m   10.244.222.10   test-b-k8s-node02   <none>           <none>goweb-demo-69d79997f7-v768k   1/1     Running   0          16m   10.244.222.38   test-b-k8s-node02   <none>           <none>goweb-demo-69d79997f7-vgt5w   1/1     Running   0          16m   10.244.222.56   test-b-k8s-node02   <none>           <none>goweb-demo-69d79997f7-xqhxp   1/1     Running   0          16m   10.244.222.41   test-b-k8s-node02   <none>           <none>

如果创建pod，指派的标签是不存在任何1台节点时，pod会一直处于pending状态，直至进入Terminating状态，pod的重启策略是always（默认策略：当容器退出时，总是重启容器），则一直在pending和Terminating中徘徊，直到有符合条件的标签，就会立马分配节点，从而创建pod。

删除标签

tantianran@test-b-k8s-master:~/goweb-demo$ kubectl label node test-b-k8s-node02 gpu-node/test-b-k8s-node02 unlabeledtantianran@test-b-k8s-master:~/goweb-demo$