从NodeSelector到NodeAffinity：探索Kubernetes节点亲和性的进化之路

在Kubernetes中，有时候我们需要更精确地控制Pod的调度，将其分配到集群中特定的节点上。kubernetes对Pod的调度规则，kubernetes提供了四大类调度方式：

自动调度：运行在哪个节点上完全由Scheduler经过一系列的算法计算得出
定向调度：NodeName、NodeSelector
亲和性调度：NodeAffinity、PodAffinity、PodAntiAffinity
污点（容忍）调度：Taints、Toleration

本教程将向您介绍两种方法：使用定向调度和亲和性调度，以确保Pod只在我们指定的节点上运行。

一、定向调度

1.什么是NodeSelector

NodeSelector 是 Kubernetes 中一种用于调度 Pod 到特定节点的机制。通过在 Pod 的配置中定义 nodeSelector 字段，您可以为 Pod 指定一组键值对标签。这些标签将与集群中的节点标签进行匹配，以确定 Pod 应该被调度到哪个节点上运行。

具体而言，nodeSelector 允许您按照节点的标签选择性地将 Pod 调度到集群中。这种机制非常适用于具有特定硬件要求或运行特定环境的 Pod，以确保它们在正确的节点上运行。

2.NodeSelector基本用法

此 Pod 配置文件描述了一个拥有节点选择器 disktype: ssd 的 Pod。这表明该 Pod 将被调度到有 disktype=ssd 标签的节点。

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

以下通过案例演示的方式来阐述NodeSelector的基本用法：

(1) 列出你的集群中的节点，包括这些节点上的标签，输出类似如下：

controlplane $ kubectl get node --show-labels
NAME           STATUS   ROLES           AGE   VERSION   LABELS
controlplane   Ready    control-plane   12h   v1.29.0   beta.kubernetes.io/arch=amd64,beta.kubernetes.io/os=linux,kubernetes.io/arch=amd64,kubernetes.io/hostname=controlplane,kubernetes.io/os=linux,node-role.kubernetes.io/control-plane=,node.kubernetes.io/exclude-from-external-load-balancers=
node01         Ready    <none>          12h   v1.29.0   beta.kubernetes.io/arch=amd64,beta.kubernetes.io/os=linux,kubernetes.io/arch=amd64,kubernetes.io/hostname=node01,kubernetes.io/os=linux

(2) 从你的节点中选择一个，为它添加标签

kubectl label nodes node01 disktype=ssd

(3) 验证你选择的节点确实带有 disktype=ssd 标签：

(4) 创建一个将被调度到你选择的节点的Pod:

kubectl create -f pod-nginx.yaml

pod-nginx.yaml文件的内容是上述yaml所示。
创建成功后这个pod会调度到包含有disktype=ssd的标签中

执行成功后，验证Pod 确实运行在你选择的节点上：

controlplane $ kubectl get pod -o wide
NAME    READY   STATUS    RESTARTS   AGE   IP            NODE     NOMINATED NODE   READINESS GATES
nginx   1/1     Running   0          11s   192.168.1.4   node01   <none>           <none>

我们还可以通过设置spec.nodeName参数将某个Pod 调度到特定的节点。演示yaml如下：

apiVersion:v1
kind:Pod
metadata:
  name:nginx
spec:
  nodeName:foo-node# 调度 Pod 到特定的节点
  containers:
  -name:nginx
    image:nginx
    imagePullPolicy:IfNotPresent

二、亲和性调度

kubernetes还提供了一种亲和性调度（Affinity）。它在NodeSelector的基础之上的进行了扩展，可以通过配置的形式，实现优先选择满足条件的Node进行调度，如果没有，也可以调度到不满足条件的节点上，使调度更加灵活。Affinity主要分为三类：

nodeAffinity(node亲和性）: 以node为目标，解决pod可以调度到哪些node的问题
podAffinity(pod亲和性) : 以pod为目标，解决pod可以和哪些已存在的pod部署在同一个拓扑域中的问题
podAntiAffinity(pod反亲和性) : 以pod为目标，解决pod不能和哪些已存在pod部署在同一个拓扑域中的问题

11.NodeAffinity

NodeAffinity意为Node亲和性调度策略。是用于替换NodeSelector的全新调度策略。目前有两种节点节点亲和性表达：

RequiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution：必须满足制定的规则才可以调度pode到Node上。相当于硬限制。
PreferredDuringSchedulingIgnoreDuringExecution:强调优先满足制定规则，调度器会尝试调度pod到Node上，但并不强求，相当于软限制。多个优先级规则还可以设置权重值，以定义执行的先后顺序。

首先来看一下NodeAffinity的可配置项：

pod.spec.affinity.nodeAffinity
  requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution  #Node节点必须满足指定的所有规则才可以，相当于硬限制
    nodeSelectorTerms  #节点选择列表
      matchFields   #按节点字段列出的节点选择器要求列表
      matchExpressions   #按节点标签列出的节点选择器要求列表(推荐)
        key    #键
        values #值
        operat or #关系符 支持Exists, DoesNotExist, In, NotIn, Gt, Lt
  preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution #优先调度到满足指定的规则的Node，相当于软限制 (倾向)
    preference   #一个节点选择器项，与相应的权重相关联
      matchFields   #按节点字段列出的节点选择器要求列表
      matchExpressions  # 按节点标签列出的节点选择器要求列表(推荐)
        key    #键
        values #值
        operator #关系符 支持In, NotIn, Exists, DoesNotExist, Gt, Lt
	weight #倾向权重，在范围1-100。

例如，下面这个Pod需要部署到不是disktype=ssd标签上的node上。

apiVersion:v1
kind:Pod
metadata:
  name:nginx
  labels:
    env:test
spec:
  containers:
  -name:nginx
    image:nginx
    imagePullPolicy:IfNotPresent
  affinity:
    nodeAffinity:#设置node亲和性
      requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:# 硬限制
        nodeSelectorTerms:
        -matchExpressions:
          -key:disktype
            operator:NotIn
            values:["ssd"]

执行创建命令后，该pod会被调度标签disktype值中不包含ssd这个值的node上。

controlplane $ kubectl get pod -o wide
NAME    READY   STATUS    RESTARTS   AGE   IP            NODE           NOMINATED NODE   READINESS GATES
nginx   1/1     Running   0          20s   192.168.0.4   controlplane   <none>           <none>
controlplane $ kubectl get node --show-labels
NAME           STATUS   ROLES           AGE   VERSION   LABELS
controlplane   Ready    control-plane   15h   v1.29.0   beta.kubernetes.io/arch=amd64,beta.kubernetes.io/os=linux,kubernetes.io/arch=amd64,kubernetes.io/hostname=controlplane,kubernetes.io/os=linux,node-role.kubernetes.io/control-plane=,node.kubernetes.io/exclude-from-external-load-balancers=
node01         Ready    <none>          14h   v1.29.0   beta.kubernetes.io/arch=amd64,beta.kubernetes.io/os=linux,disktype=ssd,kubernetes.io/arch=amd64,kubernetes.io/hostname=node01,kubernetes.io/os=linux

2.podAffinity

podAffinity 是 Kubernetes 中的一种调度机制，它允许您指定一组条件，以影响 Pod 之间的调度关系。具体而言，podAffinity 允许您在同一节点上调度具有相似属性或关系的 Pod，或者在不同节点上调度具有相关属性的 Pod。podAffinity 同样通过 requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution 和 preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution两种方式来实现。下面通过实例来说明 Pod 间的亲和性和互斥性策略设置。

(1) 参照目标Pod

首先，创建一个名为 pod-flag 的 Pod ，带有标签 security=S1 和 app=nginx ，后面的例子将使用 pod-flag 作为 Pod 亲和与互斥的目标 Pod 。

apiVersion:v1
kind:Pod
metadata:
  name:pod-flag
  labels:
    security:"S1"
    app:nginx
spec:
  containers:
  -name:nginx
    image:nginx

(2) Pod的亲和性调度

下面创建第 2 个 Pod 来说明 Pod 的亲和性调度，这里定义的亲和标签是security=S1 ，对应上面的 Pod pod-flag, topologyKey 的值被设置为 kubemetes.io/hostname

apiVersion:v1
kind:Pod
metadata:
  name:pod-affinity
spec:
  affinity:
    podAffinity:
      requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
      -labelSelector:
          matchExpressions:
          -key:security
            operator:In
            values:
            -S1
        topologyKey:kubernetes.io/hostname
  containers:
  -name:with-pod-affinity
    image:nginx

两个Pod创建成功后，使用kubectl get pods -o wide命令可以看到，这两个 Pod 处于同一个 Node之上运行。

controlplane $ kubectl get pod -o wide
NAME           READY   STATUS    RESTARTS   AGE   IP            NODE     NOMINATED NODE   READINESS GATES
pod-affinity   1/1     Running   0          8s    192.168.1.5   node01   <none>           <none>
pod-flag       1/1     Running   0          94s   192.168.1.4   node01   <none>           <none>

在创建pod-affinity这个Pod 之前，删掉这个节点的kubemetes.io/hostname标签，重复上面的创建步骤，将会发现 Pod 会一直处于 Pending 状态，这是因为找不到满足条件的 Node 了。

controlplane $ kubectl label node node01 kubernetes.io/hostname-
node/node01 unlabeled
controlplane $ kubectl get pod
NAME           READY   STATUS    RESTARTS   AGE
pod-affinity   1/1     Running   0          4m49s
pod-flag       1/1     Running   0          6m15s
controlplane $ kubectl delete pod pod-affinity 
pod "pod-affinity" deleted
controlplane $ kubectl apply  -f pod-affinity.yaml 
pod/pod-affinity created
controlplane $ kubectl get pod -o wide
NAME           READY   STATUS    RESTARTS   AGE     IP            NODE     NOMINATED NODE   READINESS GATES
pod-affinity   0/1     Pending   0          16s     <none>        <none>   <none>           <none>
pod-flag       1/1     Running   0          6m59s   192.168.1.4   node01   <none>           <none>

(3) Pod的互斥性调度

创建第3个Pod ，我们希望它不能与参照目标 Pod 运行在同一个Node 上。

apiVersion:v1
kind:Pod
metadata:
  name:anti-affinity
spec:
  affinity:
    podAffinity:
      requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
      -labelSelector:
          matchExpressions:
          -key:security
            operator:In
            values:
            -S1
        topologyKey:beta.kubernetes.io/arch
    podAntiAffinity:
      requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
      -labelSelector:
          matchExpressions:
            -key:app
              operator:In
              values:
              -nginx
        topologyKey:kubernetes.io/hostname
  containers:
  -name:anti-affinity
    image:registry.aliyuncs.com/google_containers/pause:3.1

这里要求这个新 Pod 与 security=S1 的 Pod 为同一个arch平台，但是不与 app=nginx 的 Pod 为同一个 Node 。创建 Pod 之后，同样用kubectl get pods -o wide 来查看，会看到新的 Pod 被调度到了其他arch平台内的不同的 Node 上去。

controlplane $ kubectl apply  -f anti-affinity.yaml 
pod/anti-affinity created
controlplane $ kubectl get pod -o wide
NAME            READY   STATUS    RESTARTS   AGE   IP            NODE           NOMINATED NODE   READINESS GATES
anti-affinity   1/1     Running   0          6s    192.168.0.6   controlplane   <none>           <none>
pod-affinity    1/1     Running   0          24m   192.168.1.6   node01         <none>           <none>
pod-flag        1/1     Running   0          31m   192.168.1.4   node01         <none>           <none>

三、CKA真题

1.真题截图

2.中文解析

切换 k8s 集群环境：kubectl config use-context k8sTask：创建一个 Pod，名字为 nginx-kusc00401，镜像地址是 nginx，调度到具有 disk=spinning 标签的节点上。

3.官方参考文档

指定Pod调度到某个Node

4.解题作答

切换切换k8s集群环境：

kubectl config use-context k8s

创建Pod的资源对象：

apiVersion:v1
kind:Pod
metadata:
  name:nginx-kusc00401
spec:
  containers:
  -name:nginx
    image:nginx
    imagePullPolicy:IfNotPresent
  nodeSelector:
    disk:spinning

执行命令创建pod：

kubectl  apply -f  nginx-kusc00401.yaml

一、定向调度

1.什么是NodeSelector

2.NodeSelector基本用法

二、亲和性调度

11.NodeAffinity

2.podAffinity

三、CKA真题

1.真题截图

2.中文解析

3.官方参考文档

4.解题作答

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