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前言
在近期的工作中，咱们发现 k8s 集群中有些节点资源使用率很高，有些节点资源使用率很低，咱们尝试重新部署利用和驱赶 Pod，发现并不能无效解决负载不平衡问题。在学习了 Kubernetes 调度原理之后，从新调整了 Request 配置，引入了调度插件，才最终解决问题。这篇就来跟大家分享 Kubernetes 资源和调度相干常识，以及如何解决 k8s 调度不平衡问题。
Kubernetes 的资源模型
在 Kubernetes 里，Pod 是最小的原子调度单位。这也就意味着，所有跟调度和资源管理相干的属性都应该是属于 Pod 对象的字段。而这其中最重要的局部，就是 Pod 的 CPU 和内存配置。
像 CPU 这样的资源被称作“可压缩资源”（compressible resources）。它的典型特点是，当可压缩资源有余时，Pod 只会“饥饿”，但不会退出。
而像内存这样的资源，则被称作“不可压缩资源（incompressible resources）。当不可压缩资源有余时，Pod 就会因为 OOM（Out-Of-Memory）被内核杀掉。
Pod 能够由多个 Container 组成，所以 CPU 和内存资源的限额，是要配置在每个 Container 的定义上的。这样，Pod 整体的资源配置，就由这些 Container 的配置值累加失去。
Kubernetes 里 Pod 的 CPU 和内存资源，实际上还要分为 limits 和 requests 两种状况：
spec.containers[].resources.limits.cpu
spec.containers[].resources.limits.memory
spec.containers[].resources.requests.cpu
spec.containers[].resources.requests.memory 这两者的区别其实非常简单：在调度的时候，kube-scheduler 只会依照 requests 的值进行调度。而在真正设置 Cgroups 限度的时候，kubelet 则会依照 limits 的值来进行设置。
这是因为在理论场景中，大多数作业应用到的资源其实远小于它所申请的资源限额，这种策略能无效的进步整体资源的利用率。
Kubernetes 的服务质量
服务质量 QoS 的英文全称为 Quality of Service。在 Kubernetes 中，每个 Pod 都有个 QoS 标记，通过这个 Qos 标记来对 Pod 进行服务质量治理，它确定 Pod 的调度和驱赶优先级。在 Kubernetes 中，Pod 的 QoS 服务质量一共有三个级别：
- Guaranteed：当 Pod 里的每一个 Container 都同时设置了 requests 和 limits，并且 requests 和 limits 值相等的时候，这个 Pod 就属于 Guaranteed 类别。
- Burstable：而当 Pod 不满足 Guaranteed 的条件，但至多有一个 Container 设置了 requests。那么这个 Pod 就会被划分到 Burstable 类别。
- BestEffort：而如果一个 Pod 既没有设置 requests，也没有设置 limits，那么它的 QoS 类别就是 BestEffort。
具体地说，当 Kubernetes 所治理的宿主机上不可压缩资源短缺时，就有可能触发 Eviction 驱赶。目前，Kubernetes 为你设置的 Eviction 的默认阈值如下所示：
memory.available<100Mi
nodefs.available<10%
nodefs.inodesFree<5%
imagefs.available<15% 当宿主机的 Eviction 阈值达到后，就会进入 MemoryPressure 或者 DiskPressure 状态，从而防止新的 Pod 被调度到这台宿主机上，而后 kubelet 会依据 QoS 的级别来筛选 Pod 进行驱赶，具体驱赶优先级是：BestEffort -> Burstable -> Guaranteed。
QoS 的级别是通过 Linux 内核 OOM 分数值来实现的，OOM 分数值取值范畴在 -1000 ~1000 之间。在 Kubernetes 中，罕用服务的 OOM 的分值如下：
-1000 => sshd 等过程
-999 => Kubernetes 治理过程
-998 => Guaranteed Pod
0 => 其余过程 0
2~999 => Burstable Pod
1000 => BestEffort Pod OOM 分数越高，就代表这个 Pod 的优先级越低，在呈现资源竞争的时候，就越早被杀掉，分数为 -999 和 -1000 的过程永远不会因为 OOM 而被杀掉。
划重点：如果冀望 Pod 尽可能的不被驱赶，就该当把 Pod 里的每一个 Container 的 requests 和 limits 都设置齐全，并且 requests 和 limits 值要相等。
Kubernetes 的调度策略
kube-scheduler 是 Kubernetes 集群的默认调度器，它的主要职责是为一个新创建进去的 Pod，寻找一个最合适的 Node。kube-scheduler 给一个 Pod 做调度抉择蕴含三个步骤：
- 过滤：调用一组叫作 Predicate 的调度算法，将所有满足 Pod 调度需要的 Node 选出来；
- 打分：调用一组叫作 Priority 的调度算法，给每一个可调度 Node 进行打分；
-
绑定：调度器将 Pod 对象的 nodeName 字段的值，批改为得分最高的 Node。
Kubernetes 官网过滤和打分编排源码如下：
https://github.com/kubernetes/kubernetes/blob/281023790fd27eec7bfaa7e26ff1efd45a95fb09/pkg/scheduler/framework/plugins/legacy_registry.go
过滤（Predicate）
过滤阶段，首先遍历全副节点，过滤掉不满足条件的节点，属于强制性规定，这一阶段输入的所有满足要求的 Node 将被记录并作为第二阶段的输出，如果所有的节点都不满足条件，那么 Pod 将会始终处于 Pending 状态，直到有节点满足条件，在这期间调度器会一直的重试。
调度器会依据限度条件和复杂性顺次进行以下过滤查看，查看顺序存储在一个名为 PredicateOrdering() 的函数中，具体如下表格：
| 算法名称 | 默认 | 程序 | 具体阐明 |
|---|---|---|---|
| CheckNodeUnschedulablePred | 强制 | 1 | 查看节点是否可调度； |
| GeneralPred | 是 | 2 | 是一组联结查看，蕴含了：HostNamePred、PodFitsResourcesPred、PodFitsHostPortsPred、MatchNodeSelectorPred 4 个查看 |
| HostNamePred | 否 | 3 | 查看 Pod 指定的 Node 名称是否和 Node 名称雷同； |
| PodFitsHostPortsPred | 否 | 4 | 查看 Pod 申请的端口（网络协议类型）在节点上是否可用； |
| MatchNodeSelectorPred | 否 | 5 | 查看是否匹配 NodeSelector 节点选择器的设置； |
| PodFitsResourcesPred | 否 | 6 | 查看节点的闲暇资源（例如，CPU 和内存）是否满足 Pod 的要求； |
| NoDiskConflictPred | 是 | 7 | 依据 Pod 申请的卷是否在节点上曾经挂载，评估 Pod 和节点是否匹配； |
| PodToleratesNodeTaintsPred | 强制 | 8 | 查看 Pod 的容忍是否能容忍节点的污点； |
| CheckNodeLabelPresencePred | 否 | 9 | 检测 NodeLabel 是否存在； |
| CheckServiceAffinityPred | 否 | 10 | 检测服务的亲和； |
| MaxEBSVolumeCountPred | 是 | 11 | 已废除，检测 Volume 数量是否超过云服务商 AWS 的存储服务的配置限度； |
| MaxGCEPDVolumeCountPred | 是 | 12 | 已废除，检测 Volume 数量是否超过云服务商 Google Cloud 的存储服务的配置限度； |
| MaxCSIVolumeCountPred | 是 | 13 | Pod 附加 CSI 卷的数量，判断是否超过配置的限度； |
| MaxAzureDiskVolumeCountPred | 是 | 14 | 已废除，检测 Volume 数量是否超过云服务商 Azure 的存储服务的配置限度； |
| MaxCinderVolumeCountPred | 否 | 15 | 已废除，检测 Volume 数量是否超过云服务商 OpenStack 的存储服务的配置限度； |
| CheckVolumeBindingPred | 是 | 16 | 基于 Pod 的卷申请，评估 Pod 是否适宜节点，这里的卷包含绑定的和未绑定的 PVC 都实用； |
| NoVolumeZoneConflictPred | 是 | 17 | 给定该存储的故障区域限度，评估 Pod 申请的卷在节点上是否可用； |
| EvenPodsSpreadPred | 是 | 18 | 检测 Node 是否满足拓扑流传限度； |
| MatchInterPodAffinityPred | 是 | 19 | 检测是否匹配 Pod 的亲和与反亲和的设置； |
能够看出，Kubernetes 正在逐渐移除某个具体云服务商的服务的相干代码，而应用接口（Interface）来扩大性能。
打分（Priority）
打分阶段，通过 Priority 策略对可用节点进行评分，最终选出最优节点。具体是用一组打分函数解决每一个可用节点，每一个打分函数会返回一个 0~100 的分数，分数越高示意节点越优，同时每一个函数也会对应一个权重值。将每个打分函数的计算得分乘以权重，而后再将所有打分函数的得分相加，从而得出节点的最终优先级分值。权重能够让管理员定义优选函数倾向性的能力，其计算优先级的得分公式如下：
finalScoreNode = (weight1 * priorityFunc1) + (weight2 * priorityFunc2) + … + (weightn * priorityFuncn)全副打分函数如下表格所示：
| 算法名称 | 默认 | 权重 | 具体阐明 |
|---|---|---|---|
| EqualPriority | 否 | – | 给予所有节点相等的权重； |
| MostRequestedPriority | 否 | – | 反对最多申请资源的节点。该策略将 Pod 调度到整体工作负载所需的起码的一组节点上； |
| RequestedToCapacityRatioPriority | 否 | – | 应用默认的打分办法模型，创立基于 ResourceAllocationPriority 的 requestedToCapacity； |
| SelectorSpreadPriority | 是 | 1 | 属于同一 Service、StatefulSet 或 ReplicaSet 的 Pod，尽可能地跨 Node 部署（鸡蛋不要只放在一个篮子里，扩散危险，进步可用性）； |
| ServiceSpreadingPriority | 否 | – | 对于给定的 Service，此策略旨在确保该 Service 关联的 Pod 在不同的节点上运行。它偏差把 Pod 调度到没有该服务的节点。整体来看，Service 对于单个节点故障变得更具弹性； |
| InterPodAffinityPriority | 是 | 1 | 实现了 Pod 间亲和性与反亲和性的优先级； |
| LeastRequestedPriority | 是 | 1 | 偏差起码申请资源的节点。换句话说，节点上的 Pod 越多，应用的资源就越多，此策略给出的排名就越低； |
| BalancedResourceAllocation | 是 | 1 | CPU 和内存使用率越靠近的节点权重越高，该策略不能独自应用，必须和 LeastRequestedPriority 组合应用，尽量抉择在部署 Pod 后各项资源更平衡的机器。 |
| NodePreferAvoidPodsPriority | 是 | 10000 | 依据节点的注解 scheduler.alpha.kubernetes.io/preferAvoidPods 对节点进行优先级排序。你能够应用它来暗示两个不同的 Pod 不应在同一节点上运行； |
| NodeAffinityPriority | 是 | 1 | 依据节点亲和中 PreferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution 字段对节点进行优先级排序； |
| TaintTolerationPriority | 是 | 1 | 依据节点上无法忍受的污点数量，给所有节点进行优先级排序。此策略会依据排序后果调整节点的等级； |
| ImageLocalityPriority | 是 | 1 | 如果 Node 上存在 Pod 容器局部所需镜像，则依据这些镜像的大小来决定分值，镜像越大，分值就越高； |
| EvenPodsSpreadPriority | |||
| 是 | 2 | 实现了 Pod 拓扑扩大束缚的优先级排序； |
我本人遇到的是“多节点调度资源不平衡问题”，所以跟节点资源相干的打分算法是我关注的重点。
1、BalancedResourceAllocation（默认开启），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 的 request 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“间隔”。而最初抉择的，则是资源 Fraction 差距最小的节点。
所以说，BalancedResourceAllocation 抉择的，其实是调度实现后，所有节点里各种资源分配最平衡的那个节点，从而防止一个节点上 CPU 被大量调配、而 Memory 大量残余的状况。
2、LeastRequestedPriority（默认开启），它的计算公式如下所示：
score = (cpu((capacity-sum(requested))10/capacity) + memory((capacity-sum(requested))10/capacity))/2 能够看到，这个算法实际上是依据 request 来计算出闲暇资源（CPU 和 Memory）最多的宿主机。
3、MostRequestedPriority（默认不开启），它的计算公式如下所示：
score = (cpu(10 sum(requested) / capacity) + memory(10 sum(requested) / capacity)) / 2在 ClusterAutoscalerProvider 中替换 LeastRequestedPriority，给应用多资源的节点更高的优先级。
你能够批改 /etc/kubernetes/manifests/kube-scheduler.yaml 配置，新增 v=10 参数来开启调度打分日志。
自定义配置
如果官网默认的过滤和打分策略，无奈满足理论业务，咱们能够自定义配置：
- 调度策略：容许你批改默认的过滤 断言 (Predicates) 和打分 优先级 (Priorities)。
- 调度配置：容许你实现不同调度阶段的插件，包含：QueueSort, Filter, Score, Bind, Reserve, Permit 等等。你也能够配置 kube-scheduler 运行不同的配置文件。
解决 k8s 调度不平衡问题
一、按理论用量配置 Pod 的 requeste
从下面的调度策略能够得悉，资源相干的打分算法 LeastRequestedPriority 和 MostRequestedPriority 都是基于 request 来进行评分，而不是按 Node 以后资源水位进行调度（在没有装置 Prometheus 等资源监控相干组件之前，kube-scheduler 也无奈实时统计 Node 以后的资源状况），所以能够动静采 Pod 过来一段时间的资源使用率，据此来设置 Pod 的 Request，能力符合 kube-scheduler 默认打分算法，让 Pod 的调度更平衡。
二、为资源占用较高的 Pod 设置反亲和
对一些资源使用率较高的 Pod，进行反亲和，避免这些我的项目同时调度到同一个 Node，导致 Node 负载激增。
三、引入实时资源打分插件 Trimaran
但在理论我的项目中，并不是所有状况都能较为精确的估算出 Pod 资源用量，所以依赖 request 配置来保障 Pod 调度的均衡性是不精确的。那有没有一种通过 Node 以后实时资源进行打分调度的计划呢？Kubernetes 官网社区 SIG 小组提供的调度插件 Trimaran 就具备这样的能力。
Trimaran 官网地址：https://github.com/kubernetes-sigs/scheduler-plugins/tree/master/pkg/trimaran
Trimaran 是一个实时负载感知调度插件，它利用 load-watcher 获取程序资源利用率数据。目前，load-watcher 反对三种度量工具：Metrics Server、Prometheus 和 SignalFx。
- Kubernetes Metrics Server：是 kubernetes 监控体系中的外围组件之一，它负责从 kubelet 收集资源指标，而后对这些指标监控数据进行聚合 (依赖 kube-aggregator)，并在 Kubernetes Apiserver 中通过 Metrics API(/apis/metrics.k8s.io/) 公开裸露它们；
- Prometheus Server：是一款基于时序数据库的开源监控告警零碎，非常适合 Kubernetes 集群的监控。基本原理是通过 Http 协定周期性抓取被监控组件的状态，任意组件只有提供对应的 Http 接口就能够接入监控。不须要任何 SDK 或者其余的集成过程。这样做非常适合做虚拟化环境监控零碎，比方 VM、Docker、Kubernetes 等。官网地址：https://prometheus.io/
- SignalFx：是一家基础设施及利用实时云监控服务商，它采纳了一个低提早、可扩大的流式剖析引擎，以监督微服务（涣散耦合、独立部署的利用组件汇合）和协调的容器环境（如 Kubernetes 和 Docker）。官网地址：https://www.signalfx.com/
Trimaran 的架构如下：
能够看到在 kube-scheduler 打分的过程中，Trimaran 会通过 load-watcher 获取以后 node 的实时资源水位，而后据此打分从而干涉调度后果。
Trimaran 打分原理：https://github.com/kubernetes-sigs/scheduler-plugins/tree/master/kep/61-Trimaran-real-load-aware-scheduling
四、引入重均衡工具 descheduler
从 kube-scheduler 的角度来看，调度程序会依据其过后对 Kubernetes 集群的资源形容做出最佳调度决定，但调度是动态的，Pod 一旦被绑定了节点是不会触发从新调度的。尽管打分插件能够无效的解决调度时的资源不平衡问题，但每个 Pod 在长期的运行中所占用的资源也是会有变动的（通常内存会减少）。如果一个利用在启动的时候只占 2G 内存，但运行一段时间之后就会占用 4G 内存，如果这样的利用比拟多的话，Kubernetes 集群在运行一段时间后就可能会呈现不平衡的状态，所以须要从新均衡集群。
除此之外，也还有一些其余的场景须要重均衡：
- 集群增加新节点，一些节点有余或适度应用；
- 某些节点产生故障，其 pod 已移至其余节点；
- 原始调度决策不再实用，因为在节点中增加或删除了污点或标签，不再满足 pod/node 亲和性要求。
当然咱们能够去手动做一些集群的均衡，比方手动去删掉某些 Pod，触发从新调度就能够了，然而显然这是一个繁琐的过程，也不是解决问题的形式。为了解决理论运行中集群资源无奈充分利用或节约的问题，能够应用 descheduler 组件对集群的 Pod 进行调度优化，descheduler 能够依据一些规定和配置策略来帮忙咱们从新均衡集群状态，其外围原理是依据其策略配置找到能够被移除的 Pod 并驱赶它们，其自身并不会进行调度被驱赶的 Pod，而是依附默认的调度器来实现，descheduler 重均衡原理可参见官网。
descheduler 官网地址：https://github.com/kubernetes-sigs/descheduler
参考资料
- kubernetes 官网：https://kubernetes.io/zh/
- 极客工夫《深刻分析 Kubernetes》专栏（40~44 章节）
- k8s 调度不平均问题解决：https://blog.csdn.net/trntaken/article/details/122377896
- 最全的 k8s 调度策略：https://cloud.tencent.com/developer/article/1644857
- k8s 之 QoS：https://blog.csdn.net/zenglingmin8/article/details/121152679
- 当一个 Pod 被调度时，k8s 外部产生了什么？https://www.bbsmax.com/A/n2d9Neo0zD/
- k8s 学习笔记 - 调度介绍：https://www.cnblogs.com/centos-python/articles/10884738.html
- Kubernetes 调度均衡器 Descheduler 应用：https://zhuanlan.zhihu.com/p/475102379
本文由 mdnice 多平台公布