Kubernetes【资源管理】6–默认调度器调度策略解析

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• Kubernetes 默认调度器的设计原理和架构
• 在调度过程中 Predicates 和 Priorities 这两个调度策略主要发生作用的阶段。

1. 默认的调度策略

首先，我们一起看看 Predicates

Predicates 在调度过程中的作用，可以理解为 Filter，即：它按照调度策略，从当前集群的所有节点中，“过滤”出一系列符合条件的节点。这些节点，都是可以运行待调度 Pod 的宿主机。

默认的调度策略有如下三种

• 第一种类型，叫作 GeneralPredicates。

顾名思义，这一组过滤规则，负责的是最基础的调度策略。比如，PodFitsResources 计算的就是宿主机的 CPU 和内存资源等是否够用。

当然，我在前面已经提到过，PodFitsResources 检查的只是 Pod 的 requests 字段。需要注意的是，Kubernetes 的调度器并没有为 GPU 等硬件资源定义具体的资源类型，而是统一用一种名叫 Extended Resource 的、Key-Value 格式的扩展字段来描述的。比如下面这个例子：

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: extended-resource-demo
spec:
  containers:
  - name: extended-resource-demo-ctr
    image: nginx
    resources:
      requests:
        alpha.kubernetes.io/nvidia-gpu: 2
      limits:
        alpha.kubernetes.io/nvidia-gpu: 2

可以看到，我们这个 Pod 通过alpha.kubernetes.io/nvidia-gpu=2这样的定义方式，声明使用了两个 NVIDIA 类型的 GPU。

而在 PodFitsResources 里面，调度器其实并不知道这个字段 Key 的含义是 GPU，而是直接使用后面的 Value 进行计算。当然，在 Node 的 Capacity 字段里，你也得相应地加上这台宿主机上 GPU 的总数，比如：alpha.kubernetes.io/nvidia-gpu=4。

而 PodFitsHost 检查的是，宿主机的名字是否跟 Pod 的 spec.nodeName 一致。

PodFitsHostPorts 检查的是，Pod 申请的宿主机端口（spec.nodePort）是不是跟已经被使用的端口有冲突。

PodMatchNodeSelector 检查的是，Pod 的 nodeSelector 或者 nodeAffinity 指定的节点，是否与待考察节点匹配，等等。

可以看到，像上面这样一组 GeneralPredicates，正是 Kubernetes 考察一个 Pod 能不能运行在一个 Node 上最基本的过滤条件。所以，GeneralPredicates 也会被其他组件（比如 kubelet）直接调用。

kubelet 在启动 Pod 前，会执行一个 Admit 操作来进行二次确认。这里二次确认的规则，就是执行一遍 GeneralPredicates。

• 第二种类型，是与 Volume 相关的过滤规则。

这一组过滤规则，负责的是跟容器持久化 Volume 相关的调度策略。

其中，NoDiskConflict 检查的条件，是多个 Pod 声明挂载的持久化 Volume 是否有冲突。比如，AWS EBS 类型的 Volume，是不允许被两个 Pod 同时使用的。所以，当一个名叫 A 的 EBS Volume 已经被挂载在了某个节点上时，另一个同样声明使用这个 A Volume 的 Pod，就不能被调度到这个节点上了。

而 MaxPDVolumeCountPredicate 检查的条件，则是一个节点上某种类型的持久化 Volume 是不是已经超过了一定数目，如果是的话，那么声明使用该类型持久化 Volume 的 Pod 就不能再调度到这个节点了。

而 VolumeZonePredicate，则是检查持久化 Volume 的 Zone（高可用域）标签，是否与待考察节点的 Zone 标签相匹配。

此外，这里还有一个叫作 VolumeBindingPredicate 的规则。它负责检查的，是该 Pod 对应的 PV 的 nodeAffinity 字段，是否跟某个节点的标签相匹配。

Local Persistent Volume（本地持久化卷），必须使用 nodeAffinity 来跟某个具体的节点绑定。这其实也就意味着，在 Predicates 阶段，Kubernetes 就必须能够根据 Pod 的 Volume 属性来进行调度。

外，如果该 Pod 的 PVC 还没有跟具体的 PV 绑定的话，调度器还要负责检查所有待绑定 PV，当有可用的 PV 存在并且该 PV 的 nodeAffinity 与待考察节点一致时，这条规则才会返回“成功”。比如下面这个例子：

apiVersion: v1
kind: PersistentVolume
metadata:
  name: example-local-pv
spec:
  capacity:
    storage: 500Gi
  accessModes:
 - ReadWriteOnce
  persistentVolumeReclaimPolicy: Retain
  storageClassName: local-storage
  local:
    path: /mnt/disks/vol1
  nodeAffinity:
    required:
      nodeSelectorTerms:
      - matchExpressions:
        - key: kubernetes.io/hostname
          operator: In
          values:
          - my-node

可以看到，这个 PV 对应的持久化目录，只会出现在名叫 my-node 的宿主机上。所以，任何一个通过 PVC 使用这个 PV 的 Pod，都必须被调度到 my-node 上才可以正常工作。VolumeBindingPredicate，正是调度器里完成这个决策的位置。

• 第三种类型，是宿主机相关的过滤规则。

这一组规则，主要考察待调度 Pod 是否满足 Node 本身的某些条件。
比如，PodToleratesNodeTaints，负责检查的就是我们前面经常用到的 Node 的“污点”机制。只有当 Pod 的 Toleration 字段与 Node 的 Taint 字段能够匹配的时候，这个 Pod 才能被调度到该节点上。

而 NodeMemoryPressurePredicate，检查的是当前节点的内存是不是已经不够充足，如果是的话，那么待调度 Pod 就不能被调度到该节点上。

• 第四种类型，是 Pod 相关的过滤规则。

这一组规则，跟 GeneralPredicates 大多数是重合的。而比较特殊的，是 PodAffinityPredicate。这个规则的作用，是检查待调度 Pod 与 Node 上的已有 Pod 之间的亲密（affinity）和反亲密（anti-affinity）关系。比如下面这个例子：

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: with-pod-antiaffinity
spec:
  affinity:
    podAntiAffinity: 
      requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution: 
      - weight: 100  
        podAffinityTerm:
          labelSelector:
            matchExpressions:
            - key: security 
              operator: In 
              values:
              - S2
          topologyKey: kubernetes.io/hostname
  containers:
  - name: with-pod-affinity
    image: docker.io/ocpqe/hello-pod

这个例子里的 podAntiAffinity 规则，就指定了这个 Pod 不希望跟任何携带了 security=S2 标签的 Pod 存在于同一个 Node 上。需要注意的是，PodAffinityPredicate 是有作用域的，比如上面这条规则，就仅对携带了 Key 是kubernetes.io/hostname标签的 Node 有效。这正是 topologyKey 这个关键词的作用。

而与 podAntiAffinity 相反的，就是 podAffinity，比如下面这个例子：

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
  containers:
  - name: with-pod-affinity
    image: docker.io/ocpqe/hello-pod

这个例子里的 Pod，就只会被调度到已经有携带了 security=S1 标签的 Pod 运行的 Node 上。而这条规则的作用域，则是所有携带 Key 是failure-domain.beta.kubernetes.io/zone标签的 Node。

此外，上面这两个例子里的 requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution 字段的含义是：这条规则必须在 Pod 调度时进行检查（requiredDuringScheduling）；但是如果是已经在运行的 Pod 发生变化，比如 Label 被修改，造成了该 Pod 不再适合运行在这个 Node 上的时候，Kubernetes 不会进行主动修正（IgnoredDuringExecution）。

上面这四种类型的 Predicates，就构成了调度器确定一个 Node 可以运行待调度 Pod 的基本策略。

在具体执行的时候， 当开始调度一个 Pod 时，Kubernetes 调度器会同时启动 16 个 Goroutine，来并发地为集群里的所有 Node 计算 Predicates，最后返回可以运行这个 Pod 的宿主机列表。

需要注意的是，在为每个 Node 执行 Predicates 时，调度器会按照固定的顺序来进行检查。这个顺序，是按照 Predicates 本身的含义来确定的。比如，宿主机相关的 Predicates 会被放在相对靠前的位置进行检查。要不然的话，在一台资源已经严重不足的宿主机上，上来就开始计算 PodAffinityPredicate，是没有实际意义的。

接下来，我们再来看一下 Priorities。

在 Predicates 阶段完成了节点的“过滤”之后，Priorities 阶段的工作就是为这些节点打分。这里打分的范围是 0-10 分，得分最高的节点就是最后被 Pod 绑定的最佳节点。Priorities 里最常用到的一个打分规则，是 LeastRequestedPriority。它的计算方法，可以简单地总结为如下所示的公式：

score = (cpu((capacity-sum(requested))10/capacity) + memory((capacity-sum(requested))10/capacity))/2

可以看到，这个算法实际上就是在选择空闲资源（CPU 和 Memory）最多的宿主机。
而与 LeastRequestedPriority 一起发挥作用的，还有 BalancedResourceAllocation。它的计算公式如下所示：

score = 10 - variance(cpuFraction,memoryFraction,volumeFraction)*10

其中，每种资源的 Fraction 的定义是 ：Pod 请求的资源 / 节点上的可用资源。而 variance 算法的作用，则是计算每两种资源 Fraction 之间的“距离”。而最后选择的，则是资源 Fraction 差距最小的节点。

所以说，BalancedResourceAllocation 选择的，其实是调度完成后，所有节点里各种资源分配最均衡的那个节点，从而避免一个节点上 CPU 被大量分配、而 Memory 大量剩余的情况。

此外，还有 NodeAffinityPriority、TaintTolerationPriority 和 InterPodAffinityPriority 这三种 Priority。顾名思义，它们与前面的 PodMatchNodeSelector、PodToleratesNodeTaints 和 PodAffinityPredicate 这三个 Predicate 的含义和计算方法是类似的。但是作为 Priority，一个 Node 满足上述规则的字段数目越多，它的得分就会越高。

在默认 Priorities 里，还有一个叫作 ImageLocalityPriority 的策略。它是在 Kubernetes v1.12 里新开启的调度规则，即：如果待调度 Pod 需要使用的镜像很大，并且已经存在于某些 Node 上，那么这些 Node 的得分就会比较高。

当然，为了避免这个算法引发调度堆叠，调度器在计算得分的时候还会根据镜像的分布进行优化，即：如果大镜像分布的节点数目很少，那么这些节点的权重就会被调低，从而“对冲”掉引起调度堆叠的风险。以上，就是 Kubernetes 调度器的 Predicates 和 Priorities 里默认调度规则的主要工作原理了。

在实际的执行过程中，调度器里关于集群和 Pod 的信息都已经缓存化，所以这些算法的执行过程还是比较快的。此外，对于比较复杂的调度算法来说，比如 PodAffinityPredicate，它们在计算的时候不只关注待调度 Pod 和待考察 Node，还需要关注整个集群的信息，比如，遍历所有节点，读取它们的 Labels。这时候，Kubernetes 调度器会在为每个待调度 Pod 执行该调度算法之前，先将算法需要的集群信息初步计算一遍，然后缓存起来。这样，在真正执行该算法的时候，调度器只需要读取缓存信息进行计算即可，从而避免了为每个 Node 计算 Predicates 的时候反复获取和计算整个集群的信息。

2. 总结

在本篇文章中，我为你讲述了 Kubernetes 默认调度器里的主要调度算法。需要注意的是，除了本篇讲述的这些规则，Kubernetes 调度器里其实还有一些默认不会开启的策略。你可以通过为 kube-scheduler 指定一个配置文件或者创建一个 ConfigMap ，来配置哪些规则需要开启、哪些规则需要关闭。并且，你可以通过为 Priorities 设置权重，来控制调度器的调度行为。