第10课: 调度策略

节点选择器、亲和性、反亲和性、污点与容忍度

学习目标

理解Kubernetes调度器的工作原理
掌握节点选择器的使用方法
学习亲和性和反亲和性规则的配置
了解污点和容忍度的概念与应用
掌握调度策略的最佳实践

调度器基本原理

Kubernetes调度器是一个核心组件，负责将Pod分配到合适的节点上。调度器的工作流程包括：

过滤阶段：根据一系列规则过滤掉不适合运行Pod的节点
打分阶段：对剩余节点进行打分，选择得分最高的节点
绑定阶段：将Pod绑定到选定的节点上

调度器工作流程

Pod创建 → 过滤节点 → 节点打分 → 选择节点 → 绑定Pod

调度策略类型

1. 节点选择器（Node Selector）

作用：通过标签选择器将Pod调度到具有特定标签的节点上。

使用场景：简单的节点选择需求，如将Pod调度到特定硬件类型的节点上。

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: node-selector-demo
spec:
  containers:
  - name: nginx
    image: nginx:1.21
  nodeSelector:
    kubernetes.io/os: linux
    type: worker

2. 节点亲和性（Node Affinity）

作用：比节点选择器更灵活的节点选择机制，支持更复杂的规则。

类型：

requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution：必须满足的规则，否则Pod无法调度
preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution：优先满足的规则，如果没有满足的节点，Pod仍会调度

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: node-affinity-demo
spec:
  containers:
  - name: nginx
    image: nginx:1.21
  affinity:
    nodeAffinity:
      requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
        nodeSelectorTerms:
        - matchExpressions:
          - key: kubernetes.io/os
            operator: In
            values:
            - linux
      preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
      - weight: 1
        preference:
          matchExpressions:
          - key: type
            operator: In
            values:
            - worker

3. Pod亲和性（Pod Affinity）

作用：将相关的Pod调度到同一位置（同一节点、可用区或区域）。

使用场景：提高服务间通信性能，如将前端和后端Pod调度到同一节点。

4. Pod反亲和性（Pod Anti-Affinity）

作用：将Pod分散到不同的位置，提高可用性和容错能力。

使用场景：高可用性部署，如将同一应用的多个副本调度到不同节点。

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: pod-affinity-demo
spec:
  replicas: 3
  selector:
    matchLabels:
      app: nginx
  template:
    metadata:
      labels:
        app: nginx
    spec:
      containers:
      - name: nginx
        image: nginx:1.21
      affinity:
        podAntiAffinity:
          requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
          - labelSelector:
              matchExpressions:
              - key: app
                operator: In
                values:
                - nginx
            topologyKey: kubernetes.io/hostname

5. 污点（Taints）和容忍度（Tolerations）

污点：应用于节点上的标记，表示该节点不希望接收某些Pod。

容忍度：应用于Pod上的标记，表示该Pod可以容忍节点上的污点。

# 给节点添加污点
kubectl taint nodes node1 key=value:NoSchedule

# Pod配置容忍度
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: toleration-demo
spec:
  containers:
  - name: nginx
    image: nginx:1.21
  tolerations:
  - key: "key"
    operator: "Equal"
    value: "value"
    effect: "NoSchedule"
    tolerationSeconds: 3600

污点的效果类型

NoSchedule：新的Pod不能调度到该节点，现有Pod不受影响
PreferNoSchedule：尽量避免将新Pod调度到该节点
NoExecute：新Pod不能调度到该节点，现有Pod如果不能容忍污点将被驱逐

命令行操作

# 查看节点标签
kubectl get nodes --show-labels

# 给节点添加标签
kubectl label nodes node1 type=worker

# 查看节点污点
kubectl describe node node1 | grep Taints

# 给节点添加污点
kubectl taint nodes node1 key=value:NoSchedule

# 移除节点污点
kubectl taint nodes node1 key:NoSchedule-

# 查看Pod的调度情况
kubectl get pods -o wide
kubectl describe pod <pod-name> | grep Node:

最佳实践：

合理使用标签：为节点设置有意义的标签，便于Pod调度
优先使用亲和性而非节点选择器：亲和性提供更灵活的调度规则
使用Pod反亲和性提高可用性：将关键应用的副本分散到不同节点
为特殊节点设置污点：如为GPU节点设置污点，只有需要GPU的Pod才能调度到这些节点
避免过度使用硬约束：硬约束可能导致Pod无法调度，优先使用软约束
考虑拓扑域：在多可用区环境中，使用拓扑域相关的调度规则

常见问题与解决方案

问题1：Pod一直处于Pending状态

可能原因：没有满足调度规则的节点

解决方案：检查节点标签、污点设置，调整调度规则

问题2：Pod被调度到不合适的节点

可能原因：调度规则设置不当

解决方案：调整亲和性规则或污点设置

问题3：节点亲和性规则不生效

可能原因：节点标签不正确或规则设置错误

解决方案：检查节点标签和亲和性规则配置

实践练习

练习任务：

基础练习：创建一个使用节点选择器的Pod，将其调度到特定标签的节点
进阶练习：配置一个Deployment，使用Pod反亲和性将副本分散到不同节点
挑战练习：给节点添加污点，创建一个具有相应容忍度的Pod
综合练习：为一个多组件应用配置完整的调度策略，包括节点亲和性和Pod亲和性

总结

调度策略是Kubernetes中非常重要的概念，通过合理配置调度策略，可以：

提高资源利用率
优化应用性能
增强应用可用性
实现更灵活的部署策略

在实际应用中，需要根据应用的特性和需求，选择合适的调度策略，以达到最佳的部署效果。调度策略的选择应该考虑应用的性能要求、可用性需求、资源需求等因素。

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