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完事后再聊应用场景，K8S调度实战：Node Affinity

发布时间 2023-06-21 15:16:34作者: 不背锅运维

写在开篇

Node Affinity（节点亲和性）允许在节点级别上指定一些条件来控制Pod被调度到哪些节点上。它还有两种策略，本篇通过实战演示如何使用两种策略来控制Pod的调度。

测试环境

还是老样子，本次实战继续使用以下K8S集群环境进行：

节点 主机名 IP
Master节点 k8s-b-master 192.168.11.100
工作节点1 k8s-b-node01 192.168.11.101
工作节点2 k8s-b-node02 192.168.11.102
工作节点3 k8s-b-node03 192.168.11.103
工作节点4 k8s-b-node04 192.168.11.104
工作节点5 k8s-b-node05 192.168.11.105
工作节点6 k8s-b-node06 192.168.11.106

开始实战

在本次实战中，使用一个名为goweb的测试应用程序来演示Node Affinity的使用。goweb是我用Golang开发的简单Web应用程序，用于测试和验证K8S的调度策略。当然了，你也可以自己开发一个类似的应用，然后使用自己的应用来进行本篇的实战内容。

策略1

在这个实战案例中，我将使用requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution策略，该策略要求Pod只能调度到特定的节点上。  我将创建一个Node Affinity规则，要求goweb应用只能调度到主机名为k8s-b-node03的节点上。

首先，需要创建一个名为goweb-node-affinity.yaml的文件，并将以下内容复制到文件中：

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: goweb
  namespace: goweb-namespace
spec:
  replicas: 3
  selector:
    matchLabels:
      app: goweb
  template:
    metadata:
      labels:
        app: goweb
    spec:
      containers:
      - name: goweb
        image: 192.168.11.253/library/goweb:latest
        ports:
        - containerPort: 80
      affinity:
        nodeAffinity:
          requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
            nodeSelectorTerms:
            - matchExpressions:
              - key: kubernetes.io/hostname
                operator: In
                values:
                - k8s-b-node03

保存文件后，使用以下命令应用goweb应用的Node Affinity规则：

kubectl apply -f goweb-node-affinity.yaml

现在，K8S调度器将只会将goweb应用调度到主机名为k8s-b-node03的节点上。

[root@k8s-b-master ~]# kubectl get pod -n goweb-namespace -o wide
NAME                     READY   STATUS    RESTARTS   AGE   IP               NODE           NOMINATED NODE   READINESS GATES
goweb-5559b4bbf5-5mpd8   1/1     Running   0          64s   10.244.199.138   k8s-b-node03   <none>           <none>
goweb-5559b4bbf5-lbq4j   1/1     Running   0          63s   10.244.199.139   k8s-b-node03   <none>           <none>
goweb-5559b4bbf5-lqkzh   1/1     Running   0          70s   10.244.199.137   k8s-b-node03   <none>           <none>

策略2

在这个实战案例中，我将使用preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution策略，该策略尽量将Pod调度到满足条件的节点上，但不是强制要求。  我将创建一个Node Affinity规则，优先将goweb应用调度到拥有标签app=goweb-node的节点上。

首先，我创建一个名为goweb-preferred-node-affinity.yaml的文件，并将以下内容复制到文件中：

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: goweb
  namespace: goweb-namespace
spec:
  replicas: 3
  selector:
    matchLabels:
      app: goweb
  template:
    metadata:
      labels:
        app: goweb
    spec:
      containers:
      - name: goweb
        image: 192.168.11.253/library/goweb:latest
        ports:
        - containerPort: 80
      affinity:
        nodeAffinity:
          preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
          - weight: 1
            preference:
              matchExpressions:
              - key: app
                operator: In
                values:
                - goweb-node

保存文件后，使用以下命令应用goweb应用的Node Affinity规则：

kubectl apply -f goweb-preferred-node-affinity.yaml

现在，K8S调度器将优先将goweb应用调度到拥有标签app=goweb-node的节点上，但如果没有满足条件的节点，它仍然可以调度到其他节点上。

查看node标签和调度结果：

# 查看label：
[root@k8s-b-master ~]# kubectl get node --show-labels
NAME           STATUS   ROLES           AGE   VERSION   LABELS
k8s-b-master   Ready    control-plane   49d   v1.25.4   beta.kubernetes.io/arch=amd64,beta.kubernetes.io/os=linux,kubernetes.io/arch=amd64,kubernetes.io/hostname=k8s-b-master,kubernetes.io/os=linux,node-role.kubernetes.io/control-plane=,node.kubernetes.io/exclude-from-external-load-balancers=
k8s-b-node01   Ready    <none>          49d   v1.25.4   app=goweb-node,beta.kubernetes.io/arch=amd64,beta.kubernetes.io/os=linux,kubernetes.io/arch=amd64,kubernetes.io/hostname=k8s-b-node01,kubernetes.io/os=linux
k8s-b-node02   Ready    <none>          49d   v1.25.4   app=goweb-node,beta.kubernetes.io/arch=amd64,beta.kubernetes.io/os=linux,kubernetes.io/arch=amd64,kubernetes.io/hostname=k8s-b-node02,kubernetes.io/os=linux
...

# 调度结果：
[root@k8s-b-master ~]# kubectl get pod -n goweb-namespace -o wide
NAME                     READY   STATUS    RESTARTS   AGE   IP               NODE           NOMINATED NODE   READINESS GATES
goweb-58799f9b4c-cd5j4   1/1     Running   0          16s   10.244.51.204    k8s-b-node01   <none>           <none>
goweb-58799f9b4c-hpwlt   1/1     Running   0          16s   10.244.232.147   k8s-b-node02   <none>           <none>
goweb-58799f9b4c-ksps5   1/1     Running   0          16s   10.244.232.146   k8s-b-node02   <none>           <none>

删除app标签后再次查看调度结果：

# 删除
kubectl label nodes k8s-b-node01 app-
kubectl label nodes k8s-b-node02 app-

# 调度结果：
[root@k8s-b-master ~]# kubectl get pod -n goweb-namespace -o wide
NAME                     READY   STATUS    RESTARTS   AGE   IP               NODE           NOMINATED NODE   READINESS GATES
goweb-58799f9b4c-5hr8h   1/1     Running   0          2s    10.244.25.77     k8s-b-node05   <none>           <none>
goweb-58799f9b4c-5vnr9   1/1     Running   0          2s    10.244.232.148   k8s-b-node02   <none>           <none>
goweb-58799f9b4c-hwxjc   1/1     Running   0          2s    10.244.151.4     k8s-b-node06   <none>           <none>

注意到了吧？删除app标签后，就没有满足条件的节点了，但它仍然可以调度到其他节点上。通过实战，已经证实了这一点。

使用场景

下面聊聊两种策略在实际工作中可能的使用场景。

1. requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution

它的特点是：强制要求Pod只能调度到特定节点的策略。可能适用的场景：

  • 硬件特性要求：比如对底层硬件有特殊要求的应用，就可以将Pod调度到拥有特定标签货其它属性的节点上。
  • 数据本地性要求：比如需要访问特定数据源的应用，将Pod调度到与数据源最近的节点上，这样可以减少网络延迟和提高性能。
  • 资源隔离：将特定类型的任务或工作负载隔离到专用的节点上。

举个贴近实际的例子，假设有一组节点，其中几个节点拥有牛逼的CPU和内存资源。希望将一些需要较高计算能力的任务调度到这些节点上。这时候就可以使用此策略来指定这些节点的标签或其他属性，就可以将Pod限制在这些节点上了。

2. preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution

它的特点是：优先选择满足条件的节点进行调度的策略。可能适用的场景：

  • 资源利用率优化：比如希望将Pod调度到拥有特定资源的节点上，但如果没有满足条件的节点，仍然可以将Pod调度到其他节点上。
  • 可用性和容错性：为了提高应用程序的可用性和容错性，我们可以将Pod调度到多个节点上，但仍然优先将其调度到特定节点上。如果该节点不可用，调度器将选择次优节点进行调度。

举个例子，假设有一组节点，其中一些节点的网卡连接的是光交换机，网络更快。希望将网络密集型的应用优先调度到这些节点上，这时候就可以指定这些节点的网络特性标签或其他属性。

再举个例子，假设在具有不同地理位置的多个数据中心中部署应用。就可以优先将Pod调度到与应用所服务的区域最近的节点上，以此来达到减少延迟、提高用户体验的效果。

我为什么要用“可能适用的场景”来说明？因为我觉得，看这篇文章的你应该可以想到更好的应用场景，欢迎留言讨论。

最后总结

接下来做个关键性的总结：

  1. Node Affinity有两种策略：
  • 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）
  1. 匹配方式有两种：
  • matchExpressions：基于标签的匹配，可以包含一个或多个条件，每个条件由键、运算符和值组成，适用于更复杂的标签匹配逻辑的场景。
  • matchFields：允许基于节点的字段选择节点，而不是基于标签。比如指定节点上的字段名称和值进行匹配。这对于选择节点的特定属性非常有用，例如节点的操作系统、内存大小等。
  1. operator属性可能的枚举值：
  • "DoesNotExist": 用于检查标签或注解不存在的情况。
  • "Exists": 用于检查标签或注解存在的情况。
  • "Gt": 用于数字类型的匹配，表示大于指定值。
  • "In": 用于匹配给定值列表中的任何一个值。
  • "Lt": 用于数字类型的匹配，表示小于指定值。
  • "NotIn": 用于匹配不在给定值列表中的任何一个值。

希望本篇的实战能对你理解和使用K8S中的Node Affinity特性有所帮助。你可以根据实际需求和集群环境，灵活应用Node Affinity来优化应用的调度行为。好了，本篇就到此结束，有问题可以评论区留言讨论或者私信讨论。

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