Kubernetes Scheduler 설명

seungkyua 22.05.25

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Pod 가 새롭게 생성되면 Scheduler 를 통해서 Pod 가 실행될 노드를 결정된다. 즉 모든 Pod 는 Scheduler 에 의해서 최적의 노드가 결정되고 실행된다.

kube-scheduler 는 Control Plane 에 속하는 컴포넌트 중에 하나이며, 디폴트 scheduler 이다. 만약 특별한 스케줄링을 원한다며 커스텀 스케줄러를 만들어서 대체할 수 도 있다.

Pod 가 스케줄링 되기 위해서는 노드가 스케줄링 요구 사항에 맞아야 하는데 이 때, 요구사항에 맞는 노드를 피저블 노드(feasible node) 라고 한다.

스케줄러는 피저블 노드를 찾고 적절한 로직을 통해 노드에 점수를 부여한다. 가장 최고 점수를 갖는 노드에 Pod 가 실행된다.

스케줄링을 결정하는 데에는 하드웨어, 소프트웨어, policy contraints, affinity 와 anti-affinity spec, local data 등 여러 요구 사항들이 있다.

kube-scheduler 가 결정하는 2-step operation

Filtering
Scoring

Filtering 단계에서는 피저블 노드를 찾는 단계이다. 예를 들면, PodFitsResources 필터는 Pod 의 request 리소스를 만족하는 리소스를 갖는 후보 노드를 추려낸다. 이 단계 이후에는 적합한 노드 리스트가 도출되는데 만약 노드 리스트의 값이 비었다면 Pod 는 스케줄링 되지 않는다.

Scoring 단계에서는 필터링된 노드 리스트 중에서 Pod 가 실행될 최적의 노드를 찾는다. 스케줄러는 노드 리스트에 있는 각 노드들에 점수를 부여한다.

마지막으로 kube-scheduler 는 최고 점수의 노드에 Pod 를 배치한다.

Filtering 과 Scoring 을 설정할 수 있는 방법은 2가지가 있다.

Scheduling Policies (kubernetes 1.22 버전까지만 사용)
- Predicates : filtering 을 조절할 수 있음
- Priorities: scoring 을 조절할 수 있음
Scheduling Profiles (https://kubernetes.io/docs/reference/scheduling/config/#profiles)
- KubeSchedulerConfiguration 리소스 타입으로 조절할 수 있음
- plugins 를 통해 Filter 와 Score 를 조절 가능

NodeSelector

Node 에 label 을 설정하고 Pod 에서 nodeSelector 로 Node 지정하는 방식이다.

$ kubectl get nodes -L nginx
NAME          STATUS   ROLES                  AGE   VERSION   NGINX
k1-master01   Ready    control-plane,master   92d   v1.21.6
k1-node01     Ready    ingress                92d   v1.21.6
k1-node02     Ready    <none>                 92d   v1.21.6   enabled
k1-node03     Ready    <none>                 92d   v1.21.6   enabled
k1-node04     Ready    <none>                 92d   v1.21.6
k1-node05     Ready    <none>                 92d   v1.21.6

k1-node02 와 k1-node03 에 nginx=enabled 로 label 이 지정되어 있다.

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: nginx-nodeselector
  namespace: kube-sample
spec:
  replicas: 1
  selector:
    matchLabels:
      app: nginx
  template:
    metadata:
      labels:
        app: nginx
    spec:
      containers:
      - name: nginx
        image: nginx:1.21.0
        ports:
        - containerPort: 80
      nodeSelector:
        nginx: enabled

nodeSelector 를 활용하여 deployment 를 배포하면 아래와 같이 k1-node02 혹은 k1-node03 에 배포된다.

$ kubectl get pods -n kube-sample -o wide
NAME                                  READY   STATUS    RESTARTS   AGE   IP             NODE        NOMINATED NODE   READINESS GATES
nginx-nodeselector-68977d7759-sf48l   1/1     Running   0          9s    10.233.113.7   k1-node02   <none>           <none>

Node affinity

nodeSelector 와 동작 방식이 유사하지만 다음과 같은 차이가 있다.

requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution: 스케줄링에서 만족하는 노드가 없으면 스케줄링 되지 않는다.

preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution: 스케줄링에서 만족하는 노드를 찾고 노드가 없더라도 스케줄링은 된다. weight 필드의 값을 scoring 에 포함시킨다.

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: nginx-node-affinity
  namespace: kube-sample
spec:
  replicas: 1
  selector:
    matchLabels:
      app: nginx
  template:
    metadata:
      labels:
        app: nginx
    spec:
      affinity:
        nodeAffinity:
          requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
            nodeSelectorTerms:
            - matchExpressions:
              - key: nginx
                operator: In
                values:
                - enabled
            - matchExpressions:
              - key: kubernetes.io/os
                operator: In
                values:
                - windows
          preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
          - weight: 1
            preference:
              matchExpressions:
              - key: another-node-label-key
                operator: In
                values:
                - another-node-label-value
      containers:
      - name: nginx
        image: nginx:1.21.0
        ports:
        - containerPort: 80

위와 같이 nodeSelectorTerms 에 여러 개의 matchExpressions 가 있으면 이 중 하나만 만족해도 스케줄링은 된다. nodeSelectorTerms 에 하나의 matchExpressions 가 있고, key value 가 여러 개가 있으면 matchExpressions 내의 모든 조건을 만족해야 스케줄링이 된다.

operator 로 쓸 수 있는 값은 In, NotIn, Exists, DoesNotExist, Gt, Lt 이다.

NotIn 과 DoesNotExist 는 node anti-affinity 로 사용 가능하다.

$ kubectl get pods -n kube-sample -o wide
NAME                                   READY   STATUS        RESTARTS   AGE    IP              NODE        NOMINATED NODE   READINESS GATES
nginx-node-affinity-755cf7f85d-ss9q5   1/1     Running       0          5s     10.233.113.10   k1-node02   <none>           <none>

Pod affinity and anti-affinity

Pod 를 서로 다른 노드에 배치시키는 방법은 pod anti-affinity 를 통해서 구현할 수 있다.

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: nginx-pod-anti-affinity
  namespace: kube-sample
spec:
  replicas: 2
  selector:
    matchLabels:
      app: nginx-pod-anti-affinity
  template:
    metadata:
      labels:
        app: nginx-pod-anti-affinity
    spec:
      affinity:
        podAntiAffinity:
          requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
          - labelSelector:
              matchExpressions:
              - key: app
                operator: In
                values:
                - nginx-pod-anti-affinity
            topologyKey: kubernetes.io/hostname
      containers:
      - name: nginx
        image: nginx:1.21.0
        ports:
        - containerPort: 80

위와 같이 pod label 에 pod anti affinity 를 설정하면 replicas 값 2 에 의해서 생성되는 2개의 pod 는 서로 다른 노드에 배치된다. topologyKey 는 kubernetes.io/hostname 값으로 세팅하고 특정 node lable 로 하고 싶으면 node affinity 를 추가하면 된다.

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: nginx-pod-anti-affinity
  namespace: kube-sample
spec:
  replicas: 2
  selector:
    matchLabels:
      app: nginx-pod-anti-affinity
  template:
    metadata:
      labels:
        app: nginx-pod-anti-affinity
    spec:
      affinity:
        podAntiAffinity:
          requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
          - labelSelector:
              matchExpressions:
              - key: app
                operator: In
                values:
                - nginx-pod-anti-affinity
            topologyKey: kubernetes.io/hostname
        nodeAffinity:
          requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
            nodeSelectorTerms:
            - matchExpressions:
              - key: nginx
                operator: In
                values:
                - enabled
      containers:
      - name: nginx
        image: nginx:1.21.0
        ports:
        - containerPort: 80

$ kubectl get pods -n kube-sample -o wide
NAME                                       READY   STATUS    RESTARTS   AGE   IP              NODE        NOMINATED NODE   READINESS GATES
nginx-pod-anti-affinity-7cfcbcff8f-c2429   1/1     Running   0          14s   10.233.96.3     k1-node03   <none>           <none>
nginx-pod-anti-affinity-7cfcbcff8f-dmqqm   1/1     Running   0          14s   10.233.113.12   k1-node02   <none>           <none>

Taint 와 Toleration

노드에 taint 를 지정하면 해당 노드에 taint effect 를 줄 수 있다. 예를 들어 taint effect 에 NoSchedule 을 준다면 해당 노드에는 pod 가 스케줄링 되지 않는다.

taint effect 를 제거할 수 있는 방법은 Pod 에 toleration 을 세팅하는 것이다.

마스터에는 기본적으로 taint 를 지정해서 스케줄링 안되게 세팅해 놓는 것을 알 수 있다.

$ kubectl describe node k1-master01

Name:               k1-master01
Roles:              control-plane,master
Labels:             beta.kubernetes.io/arch=amd64
                    beta.kubernetes.io/os=linux
                    kubernetes.io/arch=amd64
                    kubernetes.io/hostname=k1-master01
                    kubernetes.io/os=linux
                    node-role.kubernetes.io/control-plane=
                    node-role.kubernetes.io/master=
                    node.kubernetes.io/exclude-from-external-load-balancers=
Annotations:        kubeadm.alpha.kubernetes.io/cri-socket: /var/run/containerd/containerd.sock
                    node.alpha.kubernetes.io/ttl: 0
                    projectcalico.org/IPv4Address: 192.168.30.13/24
                    volumes.kubernetes.io/controller-managed-attach-detach: true
CreationTimestamp:  Tue, 08 Feb 2022 21:27:12 +0900
Taints:             node-role.kubernetes.io/master:NoSchedule

마지막의 Taints 값은 kubectl 로 세팅할 수 있다.

$ kubectl taint nodes k1-master01 node-role.kubernetes.io/master=:NoSchedule

그럼 master 노드에 toleration 을 활용하여 pod 를 배치해 보자.

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: nginx-toleration
  namespace: kube-sample
spec:
  replicas: 1
  selector:
    matchLabels:
      app: nginx-toleration
  template:
    metadata:
      labels:
        app: nginx-toleration
    spec:
      tolerations:
      - key: node-role.kubernetes.io/master
        operator: Exists
        effect: NoSchedule
      affinity:
        nodeAffinity:
          requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
            nodeSelectorTerms:
            - matchExpressions:
              - key: node-role.kubernetes.io/control-plane
                operator: Exists
      containers:
      - name: nginx
        image: nginx:1.21.0
        ports:
        - containerPort: 80

toleration 으로 taint 효과를 없애고 node affinity 를 활용하여 control-plane, 즉 master 노드에 pod 를 배치 시켰다. 물론 master 노드에 node-role.kubernetes.io/control-plane 이라는 label 이 존재해야 한다.

taint effect 는 NoSchedule, NoExecute, PreferNoSchedule 이 있다.

NoSchedule 은 스케줄링을 막는 것이고, NoExecute 는 실행중인 pod 를 eviction 시킨다. PreferNoSchedule 은 가능하면 스케줄링 하지 않는다는 의미이다.

operator 에는 Exists 와 Equal 이 있다. Exists 는 key 값이 존재하는 지를 판단하기 때문에 value 값이 필요 없으며, Equal 은 key 와 value 값이 지정된 값과 일치해야 한다.

#Kubernetes