基于ack k8s集群调度的方案设计

名词说明：本文提到的k8s集群特指阿里云ack（Alibaba Cloud Container Service for Kubernetes）集群

1、概述

Kubernetes解决了应用的编排、生命周期、自我健康检查和恢复等问题，随着应用容器化（云原生化）的不断完善和落地，方方面面需要考虑的问题也就随之而来

其中应用的调度不乏重要，其关乎着应用的稳定性、资源利用率的完整性与合理性

2、原生调度原则

Kubernetes API Server接受客户端提交Pod对象创建请求后的操作过程中，一个重要的步骤是由调度器程序kube-scheduler从当前集群中选择一个可用的最佳节点来接收井运行它，通常是默认的调度器default-scheduler负责执行此类任务

KIND:     Deployment
VERSION:  apps/v1

FIELD:    schedulerName <string>

DESCRIPTION:
     If specified, the pod will be dispatched by specified scheduler. If not
     specified, the pod will be dispatched by default scheduler.

设计调度需要考虑的因素：单独和整体的资源请求、硬件/软件/策略限制、亲和以及反亲和要求、数据局域性、负载间的干扰等等

k8s调度机制是k8s原生提供的一种高效优雅的资源分配机制，它的核心功能是为每个Pod找到最适合它的节点，通过合理利用k8s原生提供的调度能力，根据业务特性配置合理的调度策略，能有效提高集群中的资源利用率

2.1 调度流程

原生的调度流程整体上分为以下三步

• 预选（过滤）——选出可以调度的节点

• 优选（打分）——对选出的节点进行排序

• 选定——按照pod优先级选定调度的节点

2.2 调度策略

常见的原生调度策略整体上也分为以下几种类型

• Topology——拓扑域调度：例如域（Region）、可用区（Zone）进行拓扑划分

• nodeName——选定节点调度：直接指定Node主机名进行调度（点对点）

• NodeSelector——节点选择器调度：节点标签选择器调度

• NodeAffinity——节点亲和性调度：针对pod和node之间的调度关系，分为硬亲和和软亲和

• podAffinity——Pod亲和性调度：针对pod和pod之间的调度关系，也分为硬亲和、软亲和和反亲和

• Priority、QoS——优先和抢占调度：按照优先级（Priority）和服务质量等级（QoS）两种维度进行调度

• Taint、Toleration——污点和容忍调度：节点拒绝Pod调度（污点）和Pod能接纳节点污点（容忍）两个维度

3、应用和服务概况

应用按照服务用途维度划分主要分为两类：普通service类型和worker类型，其中分别包含

普通service类型

• 有状态服务：少数服务，如mysql、redis
• 无状态服务：多数服务

worker类型

• 普通worker服务
• gpu型worker服务

按照应用使用的资源类别划分，可对应用大致分为以下几类

• 通用计算
  • CPU计算密集型：大量计算，消耗CPU资源
  • IO密集型：网络、磁盘IO要求高
  • 通用型：对CPU和IO要求相对适中
• 异构计算
  • GPU计算型：深度学习训练
  • GPU虚拟化型：图形和图像处理
• 某些特殊领域和用途的服务：例如高主频、高内存等等

4、阿里云集群概况

4.1 集群概况

本文的kubernetes集群都是由阿里云ack托管的，其中包含了ACK Pro版和边缘 Pro 版两种类型的集群

边缘 Pro 版主要是涉及云上云下的GPU节点混合部署的集群

本文仅讨论ACK Pro集群（其中Master节点由阿里云容器服务创建并托管）

4.1 node节点的规划

4.1.1 阿里云ecs介绍

选择服务器的硬件资源配置就和我们购买办公或个人PC、笔记本一样，主要需要考虑主板、CPU、内存、硬盘等硬件配置

CPU与内存通信，主要通过地址、数据、控制三大总线

先简单了解一下CPU核数与内存的配比主要要遵守的基本原则

• 频率要同步：内存的核心频率要等于或稍大于CPU的外频
• 带宽要匹配：内存的数据带宽跟CPU前端总线的带宽尽量相等
• 主板要调控：当以上两个条件有时是不可能同时能满足时就要靠主板通过异步设置来调控

通常CPU和内存的配比是1:2、1:4、1:8，至于为什么，这也是一个值得讨论的话题

阿里云ack将集群的master节点托管了，因此只需要考虑如何规划node节点。由于是“花钱”买服务，当然要本着较高“性价比”的原则去合理搭配node节点的选型和配比

节点即虚拟机，在阿里云也叫做ECS，先来看下目前阿里云通用的x86节点有哪些种类，在阿里云官网将ECS实例分为很多种：通用型、计算型、内存型、大数据型、本地SSD型、高主频型、安全增强型、GPU型、异构服务型、突发型、共享型等等（简直太多了）

为了合理选型，一个重要的途径是理解ECS的实例规格族的命名方式和其信息布局，常见的如下

• 通用型，适用于大多数场景，代称是g系列，其vCPU和内存的配比是1:4

• 计算型，某些场景下对CPU算力要求会更高一点，代称是c系列，其vCPU和内存的配比是1:2

• 内存型，提供更多的内存能力，代称是r系列，其vCPU和内存的配比是1:8

• 大数据型和本地SSD型，这两种的CPU和内存的配比都是1:4，区别在于本地盘的类型不一样，导致适合的场景也是不一样的，大数据型的简称是d，本地SSD型简称是i

• 高主频型，通常的CPU的主频应该是2.5G赫兹，有一些可以是达到3.2G赫兹甚至更高，这种就是高主频型，代号会在前面加上hf标识

阿里云实例规格的命名方式和规律如下

实例选型原则通常遵循下面三点

• 相同大小的企业级实例比入门级实例性能更稳定，但入门级实例性价比更高，因为企业级实例独占vCPU，不存在资源争抢
• 相同实例规格，新一代比老一代性价比更高，新一代实例规格释放更多技术红利
• 合适的实例规格搭配合适的块存储类型才能达到预期性能（高效云盘/SSD/ESSD/本地盘）

4.1.2 k8s集群节点选型原则

k8s集群节点如何选型？

从CPU为出发点，CPU选定的同时，按照一定配比的内存大小也相应确定

节点区分标准线的划定。vCPU的个数是决定实例价格的关键，vCPU个数实例的一个xlarge单位代表4个vCPU，以8xlarge即32个vCPU为分界线，小于32个vCPU的实例划分为较小CPU核数即small节点，把大于或等于32个vCPU的实例划分为较大CPU核数即large节点

但是，需要购买分别高、低至多少个vCPU的节点作为k8s集群的node呢？换句话说，是使用更少的大节点还是使用更多的小节点来组建k8s集群呢？

可以把整个k8s集群中所有node组成的节点理解成为一个大型的单个节点，换句话说，这就和一台价格昂贵全部满配的物理机一样，其node节点就是这台物理机虚拟出来的VM

举个栗子，需要一个节点池总量为64C/256GB的集群，考虑k8s需要多节点，因此两个比较极端的配比是2台32C/128GB的较大节点和8台8C/32GB的较小节点

这里对大节点和小节点的优缺点分析和列举了以下几点

• 大节点个数总量较少，带来的管理成本会更少
• 大节点支持资源使用较高的“饥饿”型应用，即资源消耗较高的应用
• 发生node节点级别的扩缩容时，大节点成本更高，因为一次就需要扩容配置较高的节点
• 大节点每个节点运行的pod数较多，相应的k8s组件压力更大，当出现大批量pod频繁创建销毁时，组件性能、时效性和可靠性都会下降，因此k8s官方推荐的节点pod最大数默认为110
• 大节点pod副本分布更集中，由于节点数量减少，在同一个节点出现相关pod副本的可能性增大，当出现故障时，对pod影响较大。如果pod副本数更少，那么对整个应用来说，故障率和中断率也更高
• 按照阿里云资源预留公式推算的预留资源更多，大节点相对可分配给pod的资源总量就会变少

说到这里，到底是该使用少量大节点还是大量小节点呢？按照上面的分析，各有利弊，因此并没有一定之规

退而求其次，可以均衡搭配，使用不同大小的节点来混合构建集群，对于某些特殊的服务，还可以单独做节点池

另外，对于worker任务型服务，充分利用云平台弹性伸缩能力，选用抢占式实例，更节省成本

k8s集群初始化创建时，会创建一个默认的节点池default-nodepool，一般会选择3台中等配置的ECS实例

往往为了应用在不同环境的隔离，在资源足够的情况下，会将dev、staging、prod等不同环境放在各自不同的集群中，当然也可以将prod生产环境单独做集群，dev和staging环境放在一套集群，这样成本更低

剩下就是根据应用的特点、成本设计与规划节点池

4.1.3 k8s集群节点池设计

根据服务特性规划出不同的节点池，混合组建成集群，有助于集群资源利用率的提高

使用抢占式策略，并结合利用了公有云的弹性伸缩能力，用于自动扩缩集群节点数量，以真正实现资源利用率的提升，可以在较大程度上优化用户账单

根据业务现有相关服务的类型特点，加上合理考虑成本与收费类型的前提，加上默认的节点池，将节点池分为以下几类

5、调度策略的设计

5.1 原生调度类型的取舍

有了规划出的不同节点池，就需要根据每个应用的特性，基于原生的调度原则进行调度，但是原生的调度也相对多样，如何取舍，还是都用？（不是小孩子，当然不能全都要）

例如应用的pod之间还没有很明显的亲和性及反亲和性需求，也还没有严格的网络入站出站限制的需求，不同节点也都处于云网络的各个交换机组成的大型子网内

因此，不采用拓扑域、Pod亲和性调度这两种调度方式

对于nodeName调度，比较单一，也不采用

对于优先和抢占调度，目前也还没有严格意义上区分服务的优先等级，因为可以认为每个服务都是整个业务不可缺少的一环。换句话说，目前对于服务的优先级还没有明确的评判标准。因此服务质量QoS采用最高的优先级即Guaranteed，其要求Pod里的每个容器都必须有CPU 和内存的request和limit，而且值必须相等

对于NodeSelector和NodeAffinity，后者更为灵活，具有优先调度的功能，其组合方式有两种，硬亲和和软亲和，其判断亲和性的计算方法也多样，不仅是等值匹配，相当于升级版本的NodeSelector。NodeAffinity适用于让Pod调度到某些节点上，以及不想让pod调度到某些节点上，而且如果节点设置了Label，但是Pod没有任何的NodeAffinity设置，那么Pod还是可以调度到这些节点上的

另外一方面，如果集群中的节点有多种类别，使用NodeAffinity对某一类节点做label，目的是想让某些pod调度到这些节点。而如果pod没有标识亲和性调度，那么pod有可能调度到集群中其他的节点，这种情况下结果是不可控的，因为总不可能所有节点都标识同样的亲和性

NodeAffinity亲和性的设计本身就是为了拉近在调度时pod和node之间的距离，但又没有办法避免上面的问题，于是就有了污点和容忍

污点的特点是，常用在某个或某些Node不让大多数Pod调度而只让少部分Pod调度

对于Taint和Toleration，出发点一个在于Node，一个在于Pod，其组合方式有以下几种

由上述分析可得

Node如果打上PreferNoSchedule的污点，那么Pod只要配置了容忍都会被调度上，甚至于没有设置任何污点容忍的Pod也能调度到此节点上。原因在于PreferNoSchedule的意思是优先不调度，但是当没有节点可用时Pod仍然能调度到此节点

Node如果打上NoExecute的污点，那么Pod只要配置了容忍都会被调度上

因此Node的污点类型为NoSchedule，对于不同的节点池，打上不同的污点，例如large:true :NoSchedule

为了规范，对于pod来说，容忍度的操作符统一使用Equal属性。然后根据不同节点池的污点设置对应的容忍，例如

tolerations:
- effect: NoSchedule
  key: large
  operator: Equal
  value: 'true'

5.2 局部最优解理论

局部最优，是在工程设计中经常采用的理论，指对于一个问题的解在一定范围或区域内最优，或者说解决问题或达成目标的手段在一定范围或限制内最优

例如往往对于应用的优化是没有天花板的，拿到调度方案的设计来说也是一样，因为多种方案最终还是要为业务服务，随着业务的复杂性、变化性会不断变化，这种情况下会更容易实现和接收在某些局部条件下最优（更优）的方案

局部最优解的质量不一定都是差的。尤其是当有了确定的评判标准标明得出的解是可以接受的话，通常会接收局部最优的结果。这样，从成本、效率等多方面考虑，才是实际工程中会采取的策略

5.3 结合服务特性的调度原则

基于对上面原生调度类型的分析及取舍，可以认为每个不同节点池即每一类节点都算作稀缺资源，通常应该不允许或者不建议对不符合的服务进行调度，也就是每一类节点都应该是被特定调度的。因为有了对应的服务我们才去合理取材，选择对应特性的节点，这也直接和用户的账单挂钩并且占比非常大

另外一方面，集群没有多租户，没有严格的应用隔离性要求

结合应用特性，目前采用的调度主要结合nodeSelector、Taint及Toleration，规范如下

按照节点池的分类，分别给node打上了以下污点

服务调度规范，根据上述node标签和污点，在对应服务的pod中分别对应需要如下的nodeSelector和tolerations

# 调度到packets节点池的节点
nodeSelector:
  packets: 'true'
tolerations:
- effect: NoSchedule
  key: packets
  operator: Equal
  value: 'true'

---
# 调度到disk-large节点池的节点
nodeSelector:
  disk-large: 'true'
tolerations:
- effect: NoSchedule 
  key: disk-large 
  operator: Equal 
  value: 'true'

---
# 调度到large节点池的节点
nodeSelector:
  prod: 'true'
tolerations:
- effect: NoSchedule 
  key: prod
  operator: Equal 
  value: 'true'
- effect: NoSchedule
  key: large
  operator: Equal
  value: 'true'

---
# 调度到small节点池的节点
nodeSelector:
  prod: 'true'
tolerations:
- effect: NoSchedule 
  key: prod
  operator: Equal 
  value: 'true'
- effect: NoSchedule
  key: small
  operator: Equal
  value: 'true'

---
# 调度到medium-disk-large节点池的节点
nodeSelector:
  medium-disk-large: 'true'
tolerations:
- effect: NoSchedule 
  key: medium-disk-large
  operator: Equal 
  value: 'true'

5.4 应用分类标准

有了对节点的分类规范及节点的调度方法使用规范，不同的应用服务应该以什么标准来区分它应该调度到哪一类节点呢，主要参考以下标准

• 对于新接入的应用服务，在优化code的前提下，接入前做好应用占用稳定时资源测试、性能时资源测试以及持续观测，例如借助于监控、netdata等工具，对应用的资源限制给定一个较为合理的阈值

• 对于普适性应用，没有一个严格的标准来区分是应该调度到大节点还是小节点。因此和大节点和小节点区分标准一样，加上考虑到节点的资源预留情况，约定以5C/5G为判定应用资源大小的分界线，小于5个vCPU的应用划分为调度到较小CPU核数即small节点，把大于或等于5个vCPU的实例划分为较大CPU核数即large节点

• 对于占用CPU较低、但内存等IO要求较高的应用，这类也是应用最为普遍的类型，即IO密集型，应用在运行期间，99%的时间都花在IO上，花在CPU上的时间很少，为了不浪费CPU资源以及碎片化资源的集中管理，尽量保障节点pod数量的均衡，约定将这类应用调度到较大CPU核数即large节点

• 对于特殊应用，例如稳定且核心的、大磁盘的、大内存的、计算密集型的这类应用很好区分，对应节点池调度即可

6、展望

本文分析介绍基于ack，结合k8s原生调度方式，综合考虑现有应用自身特性、节点池资源特性、成本、效率等方向而设计的调度规范参考

后续随着业务的复杂性增强，会将更多的调度设计原理与业务相结合，充分利用公有云及k8s的新生特性，例如在离线业务混合部署、拓扑感知调度、二次调度、弹性容器实例ECI、Serveless函数计算等，甚至于出现可用的调度方式都不满足的调度需求，实现自定义调度，进而实现更多更好更强贴近业务、使用效率提升的服务调度方式，根据更多的数据指标和服务中链路的追踪来进一步优化业务，最终实现业务的快速迭代、自动部署、独立高效

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