Kubernetes 亲和性、反亲和性、污点与容忍机制

1. 概述

在 Kubernetes（K8s）中，为了更好地控制 Pod 在集群中的调度，K8s 提供了 亲和性（Affinity）、反亲和性（Anti-Affinity）、污点（Taints）和容忍（Tolerations） 机制。这些机制可以帮助我们合理安排 Pod 运行的节点，优化资源利用率，提高系统稳定性。

2. 亲和性（Affinity）和反亲和性（Anti-Affinity）

2.1 亲和性（Node Affinity）

亲和性允许 指定 Pod 期望调度到某些特定的节点，通常基于节点的标签（Labels）。Kubernetes 提供了两种亲和性规则：

• requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution（硬性规则）：Pod 必须 调度到符合条件的节点，否则不会被调度。
• preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution（软性规则）：Pod 优先 调度到符合条件的节点，但如果没有符合的节点，也不会阻止调度。

示例：将 Pod 只调度到 zone=us-east-1 的节点上

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: affinity-example
spec:
  affinity:
    nodeAffinity:
      requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
        nodeSelectorTerms:
        - matchExpressions:
          - key: zone
            operator: In
            values:
            - us-east-1
  containers:
  - name: my-container
    image: nginx

说明：

• key: zone：指定用于匹配的节点标签键。
• operator: In：表示 zone 需匹配 values 列表中的值。
• values: [us-east-1]：只有 zone=us-east-1 的节点才符合条件。

2.2 反亲和性（Pod Anti-Affinity）

反亲和性（Pod Anti-Affinity）用于 避免特定的 Pod 运行在相同的节点上，通常用于高可用性（HA）部署。

示例：确保 Pod 分布在不同的节点上，避免单点故障

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: anti-affinity-example
spec:
  replicas: 3
  selector:
    matchLabels:
      app: my-app
  template:
    metadata:
      labels:
        app: my-app
    spec:
      affinity:
        podAntiAffinity:
          requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
            - labelSelector:
                matchLabels:
                  app: my-app
              topologyKey: kubernetes.io/hostname
      containers:
      - name: my-container
        image: nginx

说明：

• labelSelector.matchLabels：用于匹配 Pod 标签。
• topologyKey: kubernetes.io/hostname：表明 Pod 不能运行在相同的节点。
• requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution：强制规则，必须执行。

3. 污点（Taints）与容忍（Tolerations）

3.1 污点（Taints）

污点（Taint）用于 标记节点，使特定 Pod 无法调度到该节点上，除非 Pod 具有相应的容忍（Toleration）。常用于隔离工作负载，例如：

• 预留节点给特定类型的应用（如专门用于 AI 训练的 GPU 计算节点）。
• 保护核心服务，防止不必要的 Pod 占用资源。

添加污点到节点

kubectl taint nodes node1 key=value:NoSchedule

说明：

• key=value：污点的键值对。
• NoSchedule：表示 K8s 不会调度新的 Pod 到该节点，除非 Pod 具有相应的 toleration。

3.2 容忍（Tolerations）

容忍（Toleration）用于 允许 Pod 运行在带有特定污点的节点上。

示例：让 Pod 可以运行在 key=value:NoSchedule 的污点节点上

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: toleration-example
spec:
  tolerations:
  - key: "key"
    operator: "Equal"
    value: "value"
    effect: "NoSchedule"
  containers:
  - name: my-container
    image: nginx

说明：

• key: "key"：指定容忍的污点键。
• operator: "Equal"：表示 key 必须匹配 value。
• effect: "NoSchedule"：表示该 Pod 可以调度到带有 NoSchedule 污点的节点。

4. 相关配置参数说明

亲和性 & 反亲和性参数

污点 & 容忍参数

5. 总结

• 亲和性和反亲和性 控制 Pod 选择哪些节点进行调度。
• 污点和容忍 允许管理员 限制某些 Pod 运行在特定的节点上，提高资源管理灵活性。
• 这些调度机制可以 结合使用，提高 Kubernetes 集群的稳定性和资源利用率。

在生产环境中，可以根据业务需求 合理设置亲和性、反亲和性、污点和容忍机制，以优化 Kubernetes 集群的调度策略。