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【kubernetes系列】Kubernetes之Taints和tolerations

概述

节点亲和性是pod的一种属性（优先选择或硬性要求），它使 pod 被优先分配到一类特定的节点上。而Taint则相反，它使节点能够排斥一类特定的 pod。

Taints（污点）与tolerations（容忍度）一起工作确保Pod不会被调度到不合适的节点上。Taints是node的属性，单个节点可以添加多个taint（污点），node不接受无法容忍taint（污点）的pod的调度。Toleration（容忍度）是pod的属性，允许（非强制）pod调度到taints（污点）相匹配的node上去。（注意taints是node的属性，tolerations是pod的属性。）

操作

添加

#通过kubectl taint为node添加taint，如：

kubectl taint nodes k8s-node1 key=value:NoSchedule

为node节点 k8s-node1增加一条taint（污点）。Taint（污点）的关键字为key，值为value，taint（污点）影响NoSchedule。意味着如果pod没有设置容忍该污点，pod将不会被调度到k8s-node1上，除非Pod它有设置匹配的toleration（容忍度）。

删除

#为k8s-node1删除刚才添加的taints，如下：

kubectl taint nodes k8s-node1 key:NoSchedule-

可以为pod指定toleration（容忍度）。以下的两种toleration（容忍度）都与上文中创建的taint（污点）匹配，因此这个pod有可能被调试到k8s-node1上。

tolerations:
- key: "key"
  operator: "Equal"
  value: "value"
  effect: "NoSchedule"
tolerations:
- key: "key"
  operator: "Exists"
  effect: "NoSchedule"

Toleration（容忍度）与taint（污点）匹配的条件是key相同、effect相同，并且：

  • operator的值是Exists（无需指定values的值）
  • operator的值是Equal，并且values的值相等
    而如果不指定，operator默认是Equal。

注意：两种特殊情况。

  • 如果一个 toleration 的 key 为空且 operator 为 Exists ，表示这个 toleration 与任意的 key 、 value 和 effect 都匹配，即这个 toleration 能容忍任意 taint。
tolerations:
- operator: "Exists"
  • 空effect表示匹配所有effect，如：
tolerations:
- key: "key"
  operator: "Exists"

即空则匹配所有

上例中用到了NoSchedule的effect。另外，可以使用PreferNoSchedule的effect，这是NoSchedule的“偏好”或者“软“版本。系统尽量避免非tolerate的pod调度到taint node上，但非强制要求。effect 的值还可以设置为 NoExecute。

其中 [effect] 可取值:[ NoSchedule | PreferNoSchedule | NoExecute ]

NoSchedule: 一定不能被调度
PreferNoSchedule: 尽量不要调度，实在没有地方调度的情况下，才考虑可以调度过来
NoExecute: 不仅不会调度, 还会立即驱逐Node上已有的Pod

添加多个tainit（污点）

可以为单个node指定多条taint（污点），也可以为单个pod指定多条toleration（容忍度）。系统采用过滤的方式处理这种情况：首先从node的所有taint（污点）开始，然后将与pod中的toleration（容忍度）相匹配的taint（污点）删除，余下的taint（污点）对部署进来的pod产生影响。特别地：

  • 如果余下的taint（污点）中至少有一条的effect是NoSchedule，kubernetes将不会高度这个pod到的node上。
  • 如果余下的taint（污点）中没有effect为NoSchedule的taint（污点），但至少有一条effect为PreferNoSchedule，则系统尝试着不将pod部署在node上（也就是有可能还是会部署到这个node上）。
  • 如果余下的taint（污点）中至少有一条的effect是NoExecute，那么不旦新的pod不会被调度到这个node上，而且已经运行在这个node上的pod还会被驱逐出去。
    例如，假如像这样taint一个node：
kubectl taint nodes k8s-node1 key1=value1:NoSchedule
kubectl taint nodes k8s-node1 key1=value1:NoExecute
kubectl taint nodes k8s-node1 key2=value2:NoSchedule

pod有两个toleration：

tolerations:
- key: "key1"
  operator: "Equal"
  value: "value1"
  effect: "NoSchedule"
- key: "key1"
  operator: "Equal"
  value: "value1"
  effect: "NoExecute"

这种情况下，pod不能调度到该node上。因为pod没有toleration（容忍度）与node的第三条taint（污点）匹配。但是如果在给节点添加 上述 taint 之前，该 pod 已经在上述节点运行，那么它还可以继续运行在该节点上，因为第三个 taint 是三个 taint 中唯一不能被这个 pod 容忍的。

一般情况下，如果一个effect为NoExecute的taint（污点）应用于node，运行在node上的所有不能容忍这条taint（污点）的pod都会被排挤出node，能容忍这种taint（污点）的pod则不会被排挤。然而，如果effect为NoExecute的toleration（容忍度）指定给pod，同时添加可选的tolerationSeconds字段，则表示pod被排挤出node之前，以taint（污点）的添加时间为起点，允许此pod在此node上的生存时间。

#例如：

tolerations:
- key: "key1"
  operator: "Equal"
  value: "value1"
  effect: "NoExecute"
  tolerationSeconds: 3600

#表示可以多存活3600秒。

默认情况下，kubernetes会自动添加一些基础的容忍度。如下是kubernetes1.19.16版本添加的，不同版本可能有所区别，请自行查看。

Tolerations:     node.kubernetes.io/not-ready:NoExecute op=Exists for 300s
                 node.kubernetes.io/unreachable:NoExecute op=Exists for 300s

使用案例：

Taints与tolerations可以灵活的控制pod远离node，或者将不应该运行的pod从node上排挤出去。以下是几个使用案例：

  • 专用node：如果打算指定特定node集合供特定用户专用，那么可以给这些node添加一条taint（kubectl taint nodes nodename dedicated=groupName:NoSchedule），然后在相应的pod上添加匹配的toleration（容忍度）。拥有toleration的pod被允许像使用集群中的其它node一样使用拥有taint的node。如果打算让pod只使用taint性质的node，并且只能使用taint的node的话，可以对这些taint的node再额外增加标签（例如：dedicated=groupName），然后再通过入口控制器为这些pod额外再增加亲和性要求它们只能部署到拥有dedicated=groupName的node上。总结就是通过标签的亲和性控制pod部署到特定的node上，通过为node增加taint并且为pod增加toleration抵制其它pod部署到这些node上，从而实现node专用。
  • 拥有特殊硬件的node：在集群中，有少数node拥有特殊的硬件配置（例如 GPUs），希望那些不使用特殊的硬件的pod尽量不要部署到这些拥有特殊硬件的node上，为后续到达的需要使用特殊硬件的pod预留出空间。通过如下方法达到这个目的。首先为node添加taint，taint表示node拥有特殊硬件（例如： kubectl taint nodes nodename special=true:NoSchedule 或者 kubectl taint nodes nodename special=true:PreferNoSchedule），然后为需要使用特殊硬件的pod添加相应的toleration。像专用node的例子一样，通过入口控制器很容易为pod添加对应的toleration。例如：推荐使用“扩展资源”代表特殊硬件，使用“扩展资源”的名称为拥有特殊硬件的node添加taint，当提交的pod被配置为需要使用特殊硬件时，扩展资源入口控制器自动为其加上正确的toleration。
  • 基于taint的驱逐（测试特性）：一种当node出现问题时per-pod-configurable的驱逐行为，下节介绍。

基于taint的驱逐:

先前提到的effect为NoExecute的taint，它对已经运行在node上的pod的影响如下：

如果pod没有toleration这个taint的话，pod立即被驱逐。
如果toleration了这个taint，并且没有指定tolerationSeconds的值，则一直不会驱逐
如果toleration了这个taint，但是指定tolerationSeconds限定了容忍的时间，则到期后驱逐
此外，Kubernetes用taint代表node出了问题（1.13beta版）。换句话说，当Node某些条件为True时，节点控制器自动为Node节点添加污点，而在状态为Ready的Node上，之前设置过的普通的驱逐逻辑将会被禁用。内置以下污点：

node.kubernetes.io/not-ready：节点尚未就绪。这对应于NodeCondition Ready为“ False”。
node.kubernetes.io/unreachable：Node controlloer无法访问节点。这对应于NodeCondition Ready为“ Unknown”。
node.kubernetes.io/out-of-disk：节点变得磁盘不足。
node.kubernetes.io/memory-pressure：节点有内存压力。
node.kubernetes.io/disk-pressure：节点有磁盘压力。
node.kubernetes.io/network-unavailable：节点的网络不可用。
node.kubernetes.io/unschedulable：节点是不可调度的。
node.cloudprovider.kubernetes.io/uninitialized：当使用“外部”云提供程序启动kubelet时，会在节点上设置此污点以将其标记为不可用。在cloud-controller-manager的控制器初始化此节点后，kubelet将删除此污点。
注意：在节点故障的情况下，为了保持现存的Pod驱逐的限速设置，系统将会以限速的模式逐步给Node设置Taint，这就能避免在一些特定情况下（比如Master暂时失联）大量的Pod被驱逐。这一功能兼容于tolerationSeconds允许Pod定义节点故障时持续多久才被逐出。
例如：一个包含很多本地状态的应用可能需要在网络发生故障时，还能持续在节点上运行，期望网络能够快速恢复，从而避免被从这个节点上驱逐。Pod的toleration可以这样定义：

tolerations:
- key: "node.kubernetes.io/unreachable"
  operator: "Exists"
  effect: "NoExecute"
  tolerationSeconds: 6000

对于Node未就绪状态，可以把Key设置为node.kubernetes.io/not-ready如果没有为Pod指定node.kubernetes.io/not-ready 的Tolerations，那么Kubernetes会自动为Pod加入tolerationSeconds= 300的node.kubernetes.io/not-ready 类型的Tolerations
同样如果Pod没有定义node.kubernetes.io/unreachable的Tolerations那么系统会自动为其加入tolerationSeconds=300的node.kubernetes.io/unreachable类型的Tolerations
这些系统自动设置的Tolerations在Node发现问题时，能够为Pod确保驱逐前再运行5min。这两个默认 toleration 是由 DefaultTolerationSeconds admission controller添加的。

DaemonSet 中的 pod 被创建时，针对以下 taint 自动添加的 NoExecute 的 toleration 将不会指定 tolerationSeconds：

  • node.alpha.kubernetes.io/unreachable
  • node.kubernetes.io/not-ready
    这保证了出现上述问题时 DaemonSet 中的 pod 永远不会被驱逐，这和 TaintBasedEvictions 这个特性被禁用后的行为是一样的。

驱逐阈值设定

其阈值由kubelet如下参数控制：
–eviction-hard：驱逐阈值(例如memory.available<1Gi)，如果满足这些阈值，就会触发pod驱逐。(默认imagefs.available < 15%, memory.available < 100 mi, nodefs.available < 10%, nodefs.inodesFree < 5%)
–eviction-soft：驱逐阈值(例如memory.available<1.5Gi)，如果在相应的宽限期内达到该阈值，就会触发pod驱逐。
–eviction-minimum-reclaim：最小回收(例如imagef .available=2Gi)，描述kubelet在执行pod回收(如果该资源处于压力之下)时回收的最小资源量。
–eviction-pressure-transition-period：kubelet必须等待一段时间才能从驱逐压力状态过渡出来。(默认5m0)

优化方案：

  • 二进制部署方式：
    编辑kubelet-conf.yml文件修改默认阈值来调整驱逐条件：
- pods
eventBurst: 10
eventRecordQPS: 5
evictionHard:
  imagefs.available: 15%
  memory.available: 100Mi
  nodefs.available: 10%
  nodefs.inodesFree: 5%
evictionPressureTransitionPeriod: 5m0s
  • kubeadm部署方式：
mkdir -p /sys/fs/cgroup/cpu,cpuacct/kubelet.slice
mkdir -p /sys/fs/cgroup/memory/kubelet.slice
mkdir -p /sys/fs/cgroup/systemd/kubelet.slice
mkdir -p /sys/fs/cgroup/pids/kubelet.slice
mkdir -p /sys/fs/cgroup/cpu,cpuacct/kubelet.slice
mkdir -p /sys/fs/cgroup/cpuset/kubelet.slice
mkdir -p /sys/fs/cgroup/hugetlb/kubelet.slice


cat >>/var/lib/kubelet/config.yaml<<EOF
enforce-node-allocatable: 'pods,kube-reserved,system-reserved'
kube-reserved-cgroup: '/system.slice/kubelet.service'
system-reserved-cgroup: '/system.slice'
kube-reserved: 'cpu=1,memory=1500Mi'
system-reserved=cpu: '500m,memory=1Gi'
eviction-hard: 'memory.available<5%,nodefs.available<10%,imagefs.available<10%'
eviction-soft: 'memory.available<10%,nodefs.available<15%,imagefs.available<15%'
eviction-soft-grace-period: 'memory.available=2m,nodefs.available=2m,imagefs.available=2m'
eviction-max-pod-grace-period: '30'
eviction-minimum-reclaim: 'memory.available=0Mi,nodefs.available=500Mi,imagefs.available=500Mi'
EOF

然后重启kubelet服务

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