学习 Kubernetes 基础知识

概念

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将 Pod 分配给节点

你可以约束一个 PodPod 是 Kubernetes 的原子对象。Pod 表示您的集群上一组正在运行的容器。 只能在特定的 Node(s)Kubernetes 中的工作机器称作节点。 上运行，或者优先运行在特定的节点上。有几种方法可以实现这点，推荐的方法都是用标签选择器来进行选择。通常这样的约束不是必须的，因为调度器将自动进行合理的放置（比如，将 pod 分散到节点上，而不是将 pod 放置在可以资源不足的节点上等等），但在某些情况下，你可以需要更多控制 pod 停靠的节点，例如，确保 pod 最终落在连接了 SSD 的机器上，或者将来自两个不通的服务且有大量通信的 pod 放置在同一个可用区。

nodeSelector

nodeSelector 是节点选择约束的最简单推荐形式。nodeSelector 是 PodSpec 的一个字段。它指定键值对的映射。为了使 pod 可以在节点上运行，节点必须具有每个指定的键值对作为标签（它也可以具有其他标签）。最常用的是一对键值对。

让我们来看一个使用 nodeSelector 的例子。

步骤零：先决条件

本示例假设你已基本了解 Kubernetes 的 pod 并且已经建立一个 Kubernetes 集群。

步骤一：添加标签到节点

执行 kubectl get nodes 命令获取集群的节点名称。选择一个你要增加标签的节点，然后执行 kubectl label nodes <node-name> <label-key>=<label-value> 命令将标签添加到你所选择的节点上。例如，如果你的节点名称为 ‘kubernetes-foo-node-1.c.a-robinson.internal’ 并且想要的标签是 ‘disktype=ssd’，则可以执行 kubectl label nodes kubernetes-foo-node-1.c.a-robinson.internal disktype=ssd 命令。

你可以通过重新运行 kubectl get nodes --show-labels 并且查看节点当前具有了一个标签来验证它是否有效。你也可以使用 kubectl describe node "nodename" 命令查看指定节点的标签完整列表。

步骤二：添加 nodeSelector 字段到 pod 配置中

拿任意一个你想运行的 pod 的配置文件，并且在其中添加一个 nodeSelector 部分。例如，如果下面是我的 pod 配置：

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: nginx
  labels:
    env: test
spec:
  containers:
  - name: nginx
    image: nginx

然后像下面这样添加 nodeSelector：

pods/pod-nginx.yaml 
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: nginx
  labels:
    env: test
spec:
  containers:
  - name: nginx
    image: nginx
    imagePullPolicy: IfNotPresent
  nodeSelector:
    disktype: ssd

当你之后运行 kubectl apply -f https://k8s.io/examples/pods/pod-nginx.yaml 命令，pod 将会调度到将标签添加到的节点上。你可以通过运行 kubectl get pods -o wide 并查看分配给 pod 的 “NODE” 来验证其是否有效。

插曲：内置的节点标签

除了你附加的标签外，节点还预先填充了一组标准标签。这些标签是

注意：

这些标签的值特定于云供应商的，因此不能保证可靠。例如，kubernetes.io/hostname 的值在某些环境中可能与节点名称相同，但在其他环境中可能是一个不同的值。

节点隔离/限制

向 Node 对象添加标签可以将 pod 定位到特定的节点或节点组。这可以用来确保指定的 pod 只能运行在具有一定隔离性，安全性或监管属性的节点上。当为此目的使用标签时，强烈建议选择节点上的 kubelet 进程无法修改的标签键。这可以防止受感染的节点使用其 kubelet 凭据在自己的 Node 对象上设置这些标签，并影响调度器将工作负载调度到受感染的节点。

NodeRestriction 准入插件防止 kubelet 使用 node-restriction.kubernetes.io/ 前缀设置或修改标签。要使用该标签前缀进行节点隔离：

  1. 检查是否在使用 Kubernetes v1.11+，以便 NodeRestriction 功能可用。
  2. 确保你在使用节点授权并且已经启用 NodeRestriction 准入插件。
  3. 将 node-restriction.kubernetes.io/ 前缀下的标签添加到 Node 对象，然后在节点选择器中使用这些标签。例如，example.com.node-restriction.kubernetes.io/fips=true 或 example.com.node-restriction.kubernetes.io/pci-dss=true。

亲和与反亲和

nodeSelector 提供了一种非常简单的方法来将 pod 约束到具有特定标签的节点上。亲和/反亲和功能极大地扩展了你可以表达约束的类型。关键的增强点是

  1. 语言更具表现力（不仅仅是“完全匹配的 AND”）
  2. 你可以发现规则是“软”/“偏好”，而不是硬性要求，因此，如果调度器无法满足该要求，仍然调度该 pod
  3. 你可以使用节点上（或其他拓扑域中）的 pod 的标签来约束，而不是使用节点本身的标签，来允许哪些 pod 可以或者不可以被放置在一起。

亲和功能包含两种类型的亲和，即“节点亲和”和“pod 间亲和/反亲和”。节点亲和就像现有的 nodeSelector（但具有上面列出的前两个好处），然而 pod 间亲和/反亲和约束 pod 标签而不是节点标签（在上面列出的第三项中描述，除了具有上面列出的第一和第二属性）。

节点亲和

节点亲和概念上类似于 nodeSelector，它使你可以根据节点上的标签来约束 pod 可以调度到哪些节点。

目前有两种类型的节点亲和，分别为 requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution 和 preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution。你可以视它们为“硬”和“软”，意思是，前者指定了将 pod 调度到一个节点上*必须*满足的规则（就像 nodeSelector 但使用更具表现力的语法），后者指定调度器将尝试执行单不能保证的*偏好*。名称的“IgnoredDuringExecution”部分意味着，类似于 nodeSelector 的工作原理，如果节点的标签在运行时发生变更，从而不再满足 pod 上的亲和规则，那么 pod 将仍然继续在该节点上运行。将来我们计划提供 requiredDuringSchedulingRequiredDuringExecution，它将类似于 requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution，除了它会将 pod 从不再满足 pod 的节点亲和要求的节点上驱逐。

因此，requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution 的示例将是“仅将 pod 运行在具有 Intel CPU 的节点上”，而 preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution 的示例为“尝试将这组 pod 运行在 XYZ 故障区域，如果这不可能的话，则允许一些 pod 在其他地方运行”。

节点亲和通过 PodSpec 的 affinity 字段下的 nodeAffinity 字段进行指定。

下面是一个使用节点亲和的 pod 的实例：

pods/pod-with-node-affinity.yaml 
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

此节点亲和规则表示，pod 只能放置在具有标签键为 kubernetes.io/e2e-az-name 且 标签值为 e2e-az1 或 e2e-az2 的节点上。另外，在满足这些标准的节点中，具有标签键为 another-node-label-key 且标签值为 another-node-label-value 的节点应该优先使用。

你可以在上面的例子中看到 In 操作符的使用。新的节点亲和语法支持下面的操作符： In，NotIn，Exists，DoesNotExist，Gt，Lt。你可以使用 NotIn 和 DoesNotExist 来实现节点反亲和行为，或者使用节点污点将 pod 从特定节点中驱逐。

如果你同时指定了 nodeSelector 和 nodeAffinity，*两者*必须都要满足，才能将 pod 调度到候选节点上。

如果你指定了多个与 nodeAffinity 类型关联的 nodeSelectorTerms，则如果其中一个 nodeSelectorTerms 满足的话，pod将可以调度到节点上。

如果你指定了多个与 nodeSelectorTerms 关联的 matchExpressions，则如果其中一个 matchExpressions 满足的话，pod 才可以调度到节点上。

如果你修改或删除了 pod 所调度到的节点的标签，pod 不会被删除。换句话说，亲和选择只在 pod 调度期间有效。

preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution 中的 weight 字段值的范围是 1-100。对于每个符合所有调度要求（资源请求，RequiredDuringScheduling 亲和表达式等）的节点，调度器将遍历该字段的元素来计算总和，并且如果节点匹配对应的MatchExpressions，则添加“权重”到总和。然后将这个评分与该节点的其他优先级函数的评分进行组合。总分最高的节点是最优选的。

pod 间亲和与反亲和

pod 间亲和与反亲和使你可以*基于已经在节点上运行的 pod 的标签*来约束 pod 可以调度到的节点，而不是基于节点上的标签。规则的格式为“如果 X 节点上已经运行了一个或多个 满足规则 Y 的pod，则这个 pod 应该（或者在非亲和的情况下不应该）运行在 X 节点”。Y 表示一个具有可选的关联命令空间列表的 LabelSelector；与节点不同，因为 pod 是命名空间限定的（因此 pod 上的标签也是命名空间限定的），因此作用于 pod 标签的标签选择器必须指定选择器应用在哪个命名空间。从概念上讲，X 是一个拓扑域，如节点，机架，云供应商地区，云供应商区域等。你可以使用 topologyKey 来表示它，topologyKey 是节点标签的键以便系统用来表示这样的拓扑域。请参阅上面插曲：内置的节点标签部分中列出的标签键。

注意：

Pod 间亲和与反亲和需要大量的处理，这可能会显著减慢大规模集群中的调度。我们不建议在超过数百个节点的集群中使用它们。

注意：

Pod 反亲和需要对节点进行一致的标记，即集群中的每个节点必须具有适当的标签能够匹配 topologyKey。如果某些或所有节点缺少指定的 topologyKey 标签，可能会导致意外行为。

与节点亲和一样，当前有两种类型的 pod 亲和与反亲和，即 requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution 和 preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution，分表表示“硬性”与“软性”要求。请参阅前面节点亲和部分中的描述。requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution 亲和的一个示例是“将服务 A 和服务 B 的 pod 放置在同一区域，因为它们之间进行大量交流”，而 preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution 反亲和的示例将是“将此服务的 pod 跨区域分布”（硬性要求是说不通的，因为你可能拥有的 pod 数多于区域数）。

Pod 间亲和通过 PodSpec 中 affinity 字段下的 podAffinity 字段进行指定。而 pod 间反亲和通过 PodSpec 中 affinity 字段下的 podAntiAffinity 字段进行指定。

Pod 使用 pod 亲和 的示例：

pods/pod-with-pod-affinity.yaml 
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: failure-domain.beta.kubernetes.io/zone
  containers:
  - name: with-pod-affinity
    image: k8s.gcr.io/pause:2.0

在这个 pod 的 affinity 配置定义了一条 pod 亲和规则和一条 pod 反亲和规则。在此示例中，podAffinity 配置为 requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution，然而 podAntiAffinity 配置为 preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution。pod 亲和规则表示，仅当节点和至少一个已运行且有键为“security”且值为“S1”的标签的 pod 处于同一区域时，才可以将该 pod 调度到节点上。（更确切的说，如果节点 N 具有带有键 failure-domain.beta.kubernetes.io/zone 和某个值 V 的标签，则 pod 有资格在节点 N 上运行，以便集群中至少有一个节点具有键 failure-domain.beta.kubernetes.io/zone 和值为 V 的节点正在运行具有键“security”和值“S1”的标签的 pod。）pod 反亲和规则表示，如果节点已经运行了一个具有键“security”和值“S2”的标签的 pod，则该 pod 不希望将其调度到该节点上。（如果 topologyKey 为 failure-domain.beta.kubernetes.io/zone，则意味着当节点和具有键“security”和值“S2”的标签的 pod 处于相同的区域，pod 不能被调度到该节点上。）查阅设计文档来获取更多 pod 亲和与反亲和的样例，包括 requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution 和 preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution 两种配置。

Pod 亲和与反亲和的合法操作符有 In，NotIn，Exists，DoesNotExist。

原则上，topologyKey 可以是任何合法的标签键。然而，出于性能和安全原因，topologyKey 受到一些限制：

  1. 对于亲和与 requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution 要求的 pod 反亲和，topologyKey 不允许为空。
  2. 对于 requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution 要求的 pod 反亲和，准入控制器 LimitPodHardAntiAffinityTopology 被引入来限制 topologyKey 不为 kubernetes.io/hostname。如果你想使它可用于自定义拓扑结构，你必须修改准入控制器或者禁用它。
  3. 对于 preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution 要求的 pod 反亲和，空的 topologyKey 被解释为“所有拓扑结构”（这里的“所有拓扑结构”限制为 kubernetes.io/hostname，failure-domain.beta.kubernetes.io/zone 和 failure-domain.beta.kubernetes.io/region 的组合）。
  4. 除上述情况外，topologyKey 可以是任何合法的标签键。

除了 labelSelector 和 topologyKey，你也可以指定表示命名空间的 namespaces 队列，labelSelector 也应该匹配它（这个与 labelSelector 和 topologyKey 的定义位于相同的级别）。如果忽略或者为空，则默认为 pod 亲和/反亲和的定义所在的命名空间。

所有与 requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution 亲和与反亲和关联的 matchExpressions 必须满足，才能将 pod 调度到节点上。

更实际的用例

Pod 间亲和与反亲和在与更高级别的集合（例如 ReplicaSets，StatefulSets，Deployments 等）一起使用时，它们可能更加有用。可以轻松配置一组应位于相同定义拓扑（例如，节点）中的工作负载。

始终放置在相同节点上

在三节点集群中，一个 web 应用程序具有内存缓存，例如 redis。我们希望 web 服务器尽可能与缓存放置在同一位置。

下面是一个简单 redis deployment 的 yaml 代码段，它有三个副本和选择器标签 app=store。Deployment 配置了 PodAntiAffinity，用来确保调度器不会将副本调度到单个节点上。

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

下面 webserver deployment 的 yaml 代码段中配置了 podAntiAffinity 和 podAffinity。这将通知调度器将它的所有副本与具有 app=store 选择器标签的 pod 放置在一起。这还确保每个 web 服务器副本不会调度到单个节点上。

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

如果我们创建了上面的两个 deployment，我们的三节点集群将如下表所示。

node-1 node-2 node-3
webserver-1 webserver-2 webserver-3
cache-1 cache-2 cache-3

如你所见，web-server 的三个副本都按照预期那样自动放置在同一位置。

kubectl get pods -o wide

输出类似于如下内容：

NAME                           READY     STATUS    RESTARTS   AGE       IP           NODE
redis-cache-1450370735-6dzlj   1/1       Running   0          8m        10.192.4.2   kube-node-3
redis-cache-1450370735-j2j96   1/1       Running   0          8m        10.192.2.2   kube-node-1
redis-cache-1450370735-z73mh   1/1       Running   0          8m        10.192.3.1   kube-node-2
web-server-1287567482-5d4dz    1/1       Running   0          7m        10.192.2.3   kube-node-1
web-server-1287567482-6f7v5    1/1       Running   0          7m        10.192.4.3   kube-node-3
web-server-1287567482-s330j    1/1       Running   0          7m        10.192.3.2   kube-node-2
永远不放置在相同节点

上面的例子使用 PodAntiAffinity 规则和 topologyKey: "kubernetes.io/hostname" 来部署 redis 集群以便在同一主机上没有两个实例。参阅 ZooKeeper 教程，以获取配置反亲和来达到高可用性的 StatefulSet 的样例（使用了相同的技巧）。

nodeName

nodeName 是节点选择约束的最简单方法，但是由于其自身限制，通常不使用它。nodeName 是 PodSpec 的一个字段。如果它不为空，调度器将忽略 pod，并且运行在它指定节点上的 kubelet 进程尝试运行该 pod。因此，如果 nodeName 在 PodSpec 中指定了，则它优先于上面的节点选择方法。

使用 nodeName 来选择节点的一些限制：

  • 如果指定的节点不存在，
  • 如果指定的节点没有资源来容纳 pod，pod 将会调度失败并且其原因将显示为，比如 OutOfmemory 或 OutOfcpu。
  • 云环境中的节点名称并非总是可预测或稳定的。

下面的是使用 nodeName 字段的 pod 配置文件的例子：

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: nginx
spec:
  containers:
  - name: nginx
    image: nginx
  nodeName: kube-01

上面的 pod 将运行在 kube-01 节点上。

接下来

污点允许节点*排斥*一组 pod。

节点亲和与 pod 间亲和/反亲和的设计文档包含这些功能的其他背景信息。

一旦 pod 分配给 节点，kubelet 应用将运行该 pod 并且分配节点本地资源。拓扑管理

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