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categories: [Development, Kubernetes]
tags: [kubernetes, sre, devops]
title: "16. Advanced Scheduling"
date: "2021-08-15"
github_title: "2021-08-15-16-advanced-scheduling"
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![k8s-16.jpeg](/assets/img/posts/Development/Kubernetes/k8s-16.jpeg) _A pod is only scheduled to a node if it tolerates the node’s taints. (출처: https://livebook.manning.com/book/kubernetes-in-action/chapter-16)_

### 주요 내용

- 노드의 taint 와 pod tolerations
- Node affinity rules 사용
- Pod affinity, anti-affinity 사용

## 16.1 Using taints and tolerations to repel pods from certain nodes

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Pod 가 특정 노드에 schedule 되기 위해서는 그 노드의 taint 를 tolerate 할 수 있어야 한다.

### 16.1.1 Introducing taints and tolerations

Taint 는 **key, value, effect** 로 이루어져 있고, `<key>=<value>:<effect>` 로 표현된다. `kubectl describe node [NODE_NAME]` 을 해보면 `Taints` 항목에서 확인할 수 있다.

예를 들어 `node-role.kubernetes.io/master:NoSchedule` 이라는 taint 가 노드에 설정되어 있으면, 이 값을 tolerate 에 가지고 있지 않은 pod 는 이 노드에서 실행될 수 없게 된다.

`kubectl describe pod` 를 이용해 pod 설명을 보면 `Tolerations` 항목에서 확인할 수 있다.

Taint 의 effect 종류에는 3가지가 있다.

- `NoSchedule`: taint 를 tolerate 하지 않는 pod 들은 schedule 될 수 없다.
- `PreferNoSchedule`: taint 를 tolerate 하지 않더라도 만약 scheduling 될 수 있는 다른 노드가 없을 때는 이 노드에 scheduling 가능하다.
- `NoExecute`: 이 taint 를 노드에 추가하면, 이를 tolerate 하지 않는 pod 들은 전부 삭제된다.

### 16.1.2 Adding custom taints to a node

```bash
$ kubectl taint node <NODE> <key>=<value>:<effect>
```

### 16.1.3 Adding toleration to pods

```yaml
apiVersion: extensions/v1beta1
kind: Deployment
metadata:
  name: prod
spec:
  replicas: 5
  template:
    metadata:
      labels:
        app: prod
    spec:
      containers:
      - args:
        - sleep
        - "99999"
        image: busybox
        name: main
      tolerations:              # tolerations
      - key: node-type
        operator: Equal
        value: production
        effect: NoSchedule
```

`key` 와 `value` 가 같을 때 (`operator: Equal`) taint 를 tolerate 할 수 있게 된다.

### 16.1.4 Understanding what taints and tolerations can be used for

기본적으로 taint 와 toleration 은 모두 여러 개 가질 수 있다.

Taint 의 경우 key 만 있고 value 는 없어도 된다.

Toleration 의 경우 `operator: Equal` 을 이용해서 특정 value 만 처리할 수 있으며, value 가 없거나 상관 없는 경우에는 key 가 존재하는지만 확인하기 위해 `operator: Exists` 를 사용할 수 있다.

#### Scheduling 을 위해 사용

Taint 를 사용하면 `NoSchedule` effect 를 이용해 새로운 pod 들이 노드에 schedule 되는 것을 막을 수 있고, `PreferNoSchedule` effect 로 선호하지 않는 pod 을 정의할 수 있으며, `NoExecute` 를 이용해 존재하는 pod 도 삭제할 수 있게 된다.

이외에도 taint/toleration 을 이용해서 클러스터를 분할해서 여러 팀이 사용하게 할 수 있다.

## 16.2 Using node affinity to attract pods to certain nodes

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Taint 를 이용하면 특정 노드에 pod 이 scheduling 되지 않도록 할 수 있었다. 반면 **node affinity** 를 이용하면 pod 가 schedule 될 수 있는 노드를 정할 수 있다.

우선 node selector 는 결국 deprecated 될 것이라는 점을 유의하고, node affinity 를 사용하는 것이 권장된다.

Node selector 와 유사하게 pod 마다 node affinity rule 을 가질 수 있다. 이 rule 들은 hard requirement 나 preference 를 정할 수 있게 해준다.

### 16.2.1 Specifiying hard node affinity rules

Chapter 3 의 예제에서 GPU 가 필요한 pod 를 GPU 노드에만 scheduling 되도록 했었다. 그 때는 `nodeSelector` field 를 지정해 줬었다.

```yaml
...
spec:
  nodeSelector:
    gpu: "true"
...
```

반면 node affinity rule 을 사용하여 다음과 같아진다.

```yaml
spec:
  affinity:
    nodeAffinity:
      requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
        nodeSelectorTerms:
        - matchExpressions:
          - key: gpu
            operator: In
            values:
            - "true"
```

`requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution` attribute 는 사실

- `requiredDuringScheduling`: Scheduling 에 필요한 rule 들을 정의
- `IgnoredDuringExecution`: 노드에서 이미 실행 중인 pod 에는 rule 이 영향을 주지 않는다

는 의미이다.

이외에 `nodeSelectorTerms` 와 `matchExpressions` 는 노드의 label 에서 일치하는 것을 찾으라는 의미이다.

따라서 이 pod 는 `gpu=true` label 이 있는 노드에만 scheduling 된다.

### 16.2.2 Prioritizing nodes when scheduling a pod

Node affinity 를 이용했을 때의 가장 큰 장점은 노드에 우선순위 (선호도)를 두어 Scheduler 가 scheduling 할 때 이를 반영할 수 있다는 점이다. 이는 `preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution` field 를 이용해서 할 수 있다.

우선 노드에 label 이 되어있어야 하고, pod 를 생성할 때 다음과 같이 생성하면 된다.

```yaml
spec:
  affinity:
    nodeAffinity:
      preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
      - weight: 80        # 가중치 설정 가능
        preference:
          matchExpressions:
          - key: availability-zone
            operator: In
            values:
            - zone1
      - weight: 20
        preference:
          matchExpressions:
          - key: share-type
            operator: In
            values:
            - dedicated
```

`preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution` 으로 선호도 규칙을 설정할 수 있고, `weight` 를 주어 가중치를 설정할 수 있다. 80:20 이므로 첫 번째 규칙이 4배 더 중요한 것이다.

위 규칙에 의하면 노드의 우선순위 순서는 다음과 같아진다.

1. `availability-zone=zone1`, `share-type=dedicated`
2. `availability-zone=zone1`, `share-type` 은 `dedicated` 가 아님
3. `availability-zone` 이 `zone1` 이 아니고, `share-type=dedicated`
4. 이외의 노드

## 16.3 Co-locating pods with pod affinity and anti-affinity

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앞서 살펴본 node affinity 는 pod 과 노드 사이의 affinity 를 정한 것이었는데, 때로는 pod 사이의 affinity 가 필요할 때도 있다. 예를 들어 프론트엔드/백엔드 pod 를 같은 노드에 띄우면 latency 가 줄어들게 될 것이다. 그렇다고 두 pod 를 특정 노드에 띄우라고 지시하기 보다는 Kubernetes 가 알아서 하라고 하는 것이 좋을 것이다.

### 16.3.1 Using inter-pod affinity to deploy pods on the same node

예시로 백엔드 pod 하나와 프론트엔드 pod 5개를 띄우는 상황을 고려해 보자.

```
$ kubectl run backend -l app=backend --image busybox -- sleep 999999
```

여기서 확인할 부분은 `app=backend` label 이 부여되었다는 점이다. 이 label 을 이용해 `podAffinity` 를 설정하기 때문이다.

프론트엔드 pod 에서 다음과 같이 설정한다.

```yaml
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: frontend
spec:
  replicas: 5
  template:
    metadata:
      labels:
        app: frontend
    spec:
      affinity:
        podAffinity:
          requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
          - topologyKey: kubernetes.io/hostname
            labelSelector:
              matchLabels:
                app: backend
      containers:
      - name: main
        image: busybox
        args:
        - sleep
        - "99999"
```

`requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution` 으로부터 hard requirement 이고, `topologyKey` field 로 인해 `app=backend` label 을 가진 pod 와 같은 노드에 띄워지게 된다.

> 여기서 백엔드 pod 를 지우고 다시 띄우면, 백엔드 pod 에는 affinity 설정이 없음에도 불구하고 프론트엔드 pod 과 같은 노드로 scheduling 된다. Scheduler 가 노드를 고를 때 프론트엔드 pod 에 있는 affinity rule 를 반영하게 된다.

### 16.3.2 Deploying pods in the same rack, availability zone, or geographic region

#### Same availability zone

`topologyKey` 의 값을 `failure-domain.beta.kubernetes.io/zone` 으로 설정하면 된다.

#### Same geographical region

`topologyKey` 의 값을 `failure-domain.beta.kubernetes.io/region` 으로 설정하면 된다.

#### `topologyKey` 의 작동 방식

Scheduler 가 scheduling 을 수행할 때 pod 의 `podAffinity` 설정을 확인하는데, 우선 label selector 를 이용해 pod 의 목록을 조회한다. 그 다음 pod 들이 띄워져 있는 노드를 모두 조사하여 노드의 label 들 중에서 `topologyKey` 에 대한 value 가 같은 노드에 scheduling 한다.

예를 들어 `topologyKey` 가 `rack`, label selector 는 `app=backend` 라고 하자. `app=backend` label 을 가진 pod 가 만약 노드 1에 띄워져 있다면, 노드 1의 label 을 조회하여 `rack` 이라는 key 가 존재하는지 확인하고, 그 key 에 대한 value 가 `rack2` 라면 새로운 pod 는 `rack=rack2` label 을 가진 노드로만 scheduling 이 일어난다.

> label 을 잘못 설정하거나 그러면 분명 꼬이는 경우가 있을 것 같은데 그런 경우에는 어떻게 에러 핸들링이 되는지 궁금하다. `minikube` 는 single node cluster 라 테스트가 불가능...

> 추가로 label selector 가 동작할 때 같은 namespace 에서만 조회한다.

### 16.3.3 Expressing pod affinity preferences instead of hard requirements

Node affinity 에서와 마찬가지로 hard requirement 대신 preference 를 설정할 수 있고, 필드 명도 `preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution` 이다. 마찬가지로 선호한다는 의미이고, 반드시 지켜지지 않을 수도 있다.

```yaml
spec:
  affinity:
    podAffinity:
      preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
      - weight: 80
        podAffinityTerm:
          topologyKey: kubernetes.io/hostname
          labelSelector:
            matchLabels:
              app: backend
```

### 16.3.4 Scheduling pods away from each other with pod anti-affinity

이번에는 반대로 pod 가 서로 같은 노드에 scheduling 되지 않도록 하고 싶을 때, anti-affinity 를 사용하면 된다.

대표적으로 만약 pod 에서 실행 중인 애플리케이션이 서로의 performance 에 영향을 준다면 다른 노드에 배치하고 싶을 수 있으며, 또 고가용성(HA)를 위해 여러 availability zone/region 에 pod 를 띄우고 싶은 경우 anti-affinity 가 필요하다.

```yaml
spec:
  affinity:
    podAntiAffinity:      # podAntiAffinity 이다
      requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
      - topologyKey: kubernetes.io/hostname
        labelSelector:
          matchLabels:
            app: frontend
```

전체적인 규칙은 `podAffinity` 와 비슷하다. 마찬가지로 `preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution` 를 이용하면 hard requirement 가 아닌 preference 를 지정할 수 있다.
