파드 토폴로지 분배 제약 조건

사용자는 토폴로지 분배 제약 조건 을 사용해서 지역, 영역, 노드 그리고 기타 사용자-정의 토폴로지 도메인과 같이 장애-도메인으로 설정된 클러스터에 걸쳐 파드가 분산되는 방식을 제어할 수 있다. 이를 통해 고가용성뿐만 아니라, 효율적인 리소스 활용의 목적을 이루는 데 도움이 된다.

필수 구성 요소

노드 레이블

토폴로지 분배 제약 조건은 노드 레이블을 의지해서 각 노드가 속한 토폴로지 도메인(들)을 인식한다. 예를 들어, 노드에 다음과 같은 레이블을 가지고 있을 수 있다. node=node1,zone=us-east-1a,region=us-east-1

다음 레이블이 있고, 4개 노드를 가지는 클러스터가 있다고 가정한다.

NAME    STATUS   ROLES    AGE     VERSION   LABELS
node1   Ready    <none>   4m26s   v1.16.0   node=node1,zone=zoneA
node2   Ready    <none>   3m58s   v1.16.0   node=node2,zone=zoneA
node3   Ready    <none>   3m17s   v1.16.0   node=node3,zone=zoneB
node4   Ready    <none>   2m43s   v1.16.0   node=node4,zone=zoneB

그러면 클러스터는 논리적으로 다음과 같이 보이게 된다.

레이블을 수동으로 적용하는 대신에, 사용자는 대부분의 클러스터에서 자동으로 생성되고 채워지는 잘 알려진 레이블을 재사용할 수 있다.

파드의 분배 제약 조건

API

API 필드 pod.spec.topologySpreadConstraints 는 다음과 같이 정의된다.

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: mypod
spec:
  topologySpreadConstraints:
    - maxSkew: <integer>
      topologyKey: <string>
      whenUnsatisfiable: <string>
      labelSelector: <object>

사용자는 하나 또는 다중 topologySpreadConstraint 를 정의해서 kube-scheduler 에게 클러스터에 걸쳐 있는 기존 파드와 시작하는 각각의 파드와 연관하여 배치하는 방법을 명령할 수 있다. 필드는 다음과 같다.

• maxSkew 는 파드가 균등하지 않게 분산될 수 있는 정도를 나타낸다. 이것은 0보다는 커야 한다. 그 의미는 whenUnsatisfiable 의 값에 따라 다르다.

  • whenUnsatisfiable 이 "DoNotSchedule"과 같을 때, maxSkew 는 대상 토폴로지에서 일치하는 파드 수와 전역 최솟값 (토폴로지 도메인에서 레이블 셀렉터와 일치하는 최소 파드 수. 예를 들어 3개의 영역에 각각 0, 2, 3개의 일치하는 파드가 있으면, 전역 최솟값은 0) 사이에 허용되는 최대 차이이다.
  • whenUnsatisfiable 이 "ScheduleAnyway"와 같으면, 스케줄러는 왜곡을 줄이는데 도움이 되는 토폴로지에 더 높은 우선 순위를 부여한다.

• minDomains 는 적합한(eligible) 도메인의 최소 수를 나타낸다. 도메인은 토폴로지의 특정 인스턴스 중 하나이다. 도메인의 노드가 노드 셀렉터에 매치되면 그 도메인은 적합한 도메인이다.

  • minDomains 값을 명시하는 경우, 이 값은 0보다 커야 한다.
  • 매치되는 토폴로지 키의 적합한 도메인 수가 minDomains보다 적으면, 파드 토폴로지 스프레드는 "글로벌 미니멈"을 0으로 간주한 뒤, skew 계산이 수행된다. "글로벌 미니멈"은 적합한 도메인 내에 매치되는 파드의 최소 수 이며, 적합한 도메인 수가 minDomains보다 적은 경우에는 0이다.
  • 매치되는 토폴로지 키의 적합한 도메인 수가 minDomains보다 크거나 같으면, 이 값은 스케줄링에 영향을 미치지 않는다.
  • minDomains가 nil이면, 이 제약은 minDomains가 1인 것처럼 동작한다.
  • minDomains가 nil이 아니면, whenUnsatisfiable의 값은 "DoNotSchedule"이어야 한다.
  참고: minDomains 필드는 1.24에서 추가된 알파 필드이다. 이를 사용하려면 MinDomainsInPodToplogySpread 기능 게이트를 활성화해야 한다.

• topologyKey 는 노드 레이블의 키다. 만약 두 노드가 이 키로 레이블이 지정되고, 레이블이 동일한 값을 가진다면 스케줄러는 두 노드를 같은 토폴로지에 있는것으로 여기게 된다. 스케줄러는 각 토폴로지 도메인에 균형잡힌 수의 파드를 배치하려고 시도한다.

• whenUnsatisfiable 는 분산 제약 조건을 만족하지 않을 경우에 처리하는 방법을 나타낸다.

  • DoNotSchedule (기본값)은 스케줄러에 스케줄링을 하지 말라고 알려준다.
  • ScheduleAnyway 는 스케줄러에게 차이(skew)를 최소화하는 노드에 높은 우선 순위를 부여하면서, 스케줄링을 계속하도록 지시한다.

• labelSelector 는 일치하는 파드를 찾는데 사용된다. 이 레이블 셀렉터와 일치하는 파드의 수를 계산하여 해당 토폴로지 도메인에 속할 파드의 수를 결정한다. 자세한 내용은 레이블 셀렉터를 참조한다.

파드에 2개 이상의 topologySpreadConstraint가 정의되어 있으면, 각 제약 조건은 AND로 연결된다 - kube-scheduler는 새로운 파드의 모든 제약 조건을 만족하는 노드를 찾는다.

사용자는 kubectl explain Pod.spec.topologySpreadConstraints 를 실행해서 이 필드에 대한 자세한 내용을 알 수 있다.

예시: 단수 토폴로지 분배 제약 조건

4개 노드를 가지는 클러스터에 foo:bar 가 레이블된 3개의 파드가 node1, node2 그리고 node3에 각각 위치한다고 가정한다.

신규 파드가 기존 파드와 함께 영역에 걸쳐서 균등하게 분배되도록 하려면, 스펙(spec)은 다음과 같이 주어질 수 있다.

pods/topology-spread-constraints/one-constraint.yaml

kind: Pod
apiVersion: v1
metadata:
  name: mypod
  labels:
    foo: bar
spec:
  topologySpreadConstraints:
  - maxSkew: 1
    topologyKey: zone
    whenUnsatisfiable: DoNotSchedule
    labelSelector:
      matchLabels:
        foo: bar
  containers:
  - name: pause
    image: k8s.gcr.io/pause:3.1

topologyKey: zone 는 "zone:<any value>" 레이블 쌍을 가지는 노드에 대해서만 균등한 분배를 적용하는 것을 의미한다. whenUnsatisfiable: DoNotSchedule 은 만약 들어오는 파드가 제약 조건을 만족시키지 못하면 스케줄러에게 pending 상태를 유지하도록 지시한다.

만약 스케줄러가 이 신규 파드를 "zoneA"에 배치하면 파드 분포는 [3, 1]이 되며, 따라서 실제 차이(skew)는 2 (3 - 1)가 되어 maxSkew: 1 를 위반하게 된다. 이 예시에서는 들어오는 파드는 오직 "zoneB"에만 배치할 수 있다.

OR

사용자는 파드 스펙을 조정해서 다음과 같은 다양한 요구사항을 충족할 수 있다.

• maxSkew 를 "2" 보다 큰 값으로 변경해서 들어오는 파드들이 "zoneA"에도 배치할 수 있도록 한다.
• topologyKey 를 "node"로 변경해서 파드가 영역이 아닌, 노드에 걸쳐 고르게 분산할 수 있게 한다. 위의 예시에서 만약 maxSkew 가 "1"로 유지되면 들어오는 파드는 오직 "node4"에만 배치할 수 있다.
• whenUnsatisfiable: DoNotSchedule 에서 whenUnsatisfiable: ScheduleAnyway 로 변경하면 들어오는 파드는 항상 다른 스케줄링 API를 충족한다는 가정하에 스케줄할 수 있도록 보장한다. 그러나 일치하는 파드가 적은 토폴로지 도메인에 배치되는 것이 좋다. (이 선호도는 리소스 사용 비율 등과 같은 다른 내부 스케줄링 우선순위와 공동으로 정규화 된다는 것을 알아두자.)

예시: 다중 토폴로지 분배 제약 조건

4개 노드를 가지는 클러스터에 foo:bar 가 레이블된 3개의 파드가 node1, node2 그리고 node3에 각각 위치한다고 가정한다.

사용자는 2개의 TopologySpreadConstraints를 사용해서 영역과 노드에 파드를 분배하는 것을 제어할 수 있다.

pods/topology-spread-constraints/two-constraints.yaml

kind: Pod
apiVersion: v1
metadata:
  name: mypod
  labels:
    foo: bar
spec:
  topologySpreadConstraints:
  - maxSkew: 1
    topologyKey: zone
    whenUnsatisfiable: DoNotSchedule
    labelSelector:
      matchLabels:
        foo: bar
  - maxSkew: 1
    topologyKey: node
    whenUnsatisfiable: DoNotSchedule
    labelSelector:
      matchLabels:
        foo: bar
  containers:
  - name: pause
    image: k8s.gcr.io/pause:3.1

이 경우에는, 첫 번째 제약 조건에 부합시키려면, 신규 파드는 오직 "zoneB"에만 배치할 수 있다. 두 번째 제약 조건에서는 신규 파드는 오직 "node4"에만 배치할 수 있다. 그런 다음 두 가지 제약 조건의 결과는 AND 가 되므로, 실행 가능한 유일한 옵션은 "node4"에 배치하는 것이다.

다중 제약 조건은 충돌로 이어질 수 있다. 3개의 노드를 가지는 클러스터 하나가 2개의 영역에 걸쳐 있다고 가정한다.

만약 사용자가 "two-constraints.yaml" 을 이 클러스터에 적용하면, "mypod"가 Pending 상태로 유지되는 것을 알게 된다. 이러한 이유는, 첫 번째 제약 조건을 충족하기 위해 "mypod"는 오직 "zoneB"에만 놓을 수 있다. 두 번째 제약 조건에서는 "mypod"는 오직 "node2"에만 놓을 수 있다. 그러면 "zoneB"와 "node2"의 공동 결과는 아무것도 반환되지 않는다.

이 상황을 극복하기 위해서는 사용자가 maxSkew 의 증가 또는 whenUnsatisfiable: ScheduleAnyway 를 사용하도록 제약 조건 중 하나를 수정할 수 있다.

노드 어피니티(Affinity) 및 노드 셀렉터(Selector)와의 상호 작용

스케줄러는 신규 파드에 spec.nodeSelector 또는 spec.affinity.nodeAffinity가 정의되어 있는 경우, 부합하지 않는 노드들을 차이(skew) 계산에서 생략한다.

예시: TopologySpreadConstraints와 노드 어피니티

zoneA 에서 zoneC에 걸쳐있고, 5개의 노드를 가지는 클러스터가 있다고 가정한다.

그리고 알다시피 "zoneC"는 제외해야 한다. 이 경우에, "mypod"가 "zoneC"가 아닌 "zoneB"에 배치되도록 yaml을 다음과 같이 구성할 수 있다. 마찬가지로 spec.nodeSelector 도 존중된다.

pods/topology-spread-constraints/one-constraint-with-nodeaffinity.yaml

kind: Pod
apiVersion: v1
metadata:
  name: mypod
  labels:
    foo: bar
spec:
  topologySpreadConstraints:
  - maxSkew: 1
    topologyKey: zone
    whenUnsatisfiable: DoNotSchedule
    labelSelector:
      matchLabels:
        foo: bar
  affinity:
    nodeAffinity:
      requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
        nodeSelectorTerms:
        - matchExpressions:
          - key: zone
            operator: NotIn
            values:
            - zoneC
  containers:
  - name: pause
    image: k8s.gcr.io/pause:3.1

스케줄러는 클러스터에 있는 모든 영역(zone) 또는 다른 토폴로지 도메인에 대한 사전 지식이 없다. 스케줄링은 클러스터의 기존 노드에서 결정된다. 노드 풀(또는 노드 그룹)이 0개의 노드로 스케일(scale)되고 사용자는 노드가 확장될 것으로 예상하는 경우, 자동 스케일되는 클러스터에서 문제가 발생할 수 있다. 이러한 토폴로지 도메인은 스케줄링에서 해당 도메인에 노드가 하나 이상 있을 때까지 고려되지 않을 것이기 때문이다.

기타 눈에 띄는 의미(semantics)

여기에 주목할만한 몇 가지 암묵적인 규칙이 있다.

• 신규 파드와 같은 네임스페이스를 갖는 파드만이 매칭의 후보가 된다.

• topologySpreadConstraints[*].topologyKey 가 없는 노드는 무시된다. 이것은 다음을 의미한다.

  1. 이러한 노드에 위치한 파드는 "maxSkew" 계산에 영향을 미치지 않는다. - 위의 예시에서, "node1"은 "zone" 레이블을 가지고 있지 않다고 가정하면, 파드 2개는 무시될 것이고, 이런 이유로 신규 파드는 "zoneA"로 스케줄된다.
  2. 신규 파드는 이런 종류의 노드에 스케줄 될 기회가 없다. - 위의 예시에서, 레이블로 {zone-typo: zoneC} 를 가지는 "node5"가 클러스터에 편입한다고 가정하면, 레이블 키에 "zone"이 없기 때문에 무시하게 된다.

• 들어오는 파드의 topologySpreadConstraints[*].labelSelector 와 자체 레이블과 일치하지 않을 경우 어떻게 되는지 알고 있어야 한다. 위의 예시에서, 만약 들어오는 파드의 레이블을 제거하더라도 여전히 제약 조건이 충족하기 때문에 "zoneB"에 배치할 수 있다. 그러나, 배치 이후에도 클러스터의 불균형 정도는 변경되지 않는다. - 여전히 zoneA는 {foo:bar} 레이블을 가지고 있는 2개의 파드를 가지고 있고, zoneB 도 {foo:bar}를 레이블로 가지는 파드 1개를 가지고 있다. 따라서 만약 예상과 다르면, 워크로드의 topologySpreadConstraints[*].labelSelector 가 자체 레이블과 일치하도록 하는 것을 권장한다.

클러스터 수준의 기본 제약 조건

클러스터에 대한 기본 토폴로지 분배 제약 조건을 설정할 수 있다. 기본 토폴로지 분배 제약 조건은 다음과 같은 경우에만 파드에 적용된다.

• .spec.topologySpreadConstraints 에는 어떠한 제약도 정의되어 있지 않는 경우.
• 서비스, 레플리케이션컨트롤러(ReplicationController), 레플리카셋(ReplicaSet) 또는 스테이트풀셋(StatefulSet)에 속해있는 경우.

기본 제약 조건은 스케줄링 프로파일에서 PodTopologySpread 플러그인의 일부로 설정할 수 있다. 제약 조건은 labelSelector 가 비어 있어야 한다는 점을 제외하고, 위와 동일한 API로 제약 조건을 지정한다. 셀렉터는 파드가 속한 서비스, 레플리케이션 컨트롤러, 레플리카셋 또는 스테이트풀셋에서 계산한다.

예시 구성은 다음과 같다.

apiVersion: kubescheduler.config.k8s.io/v1beta3
kind: KubeSchedulerConfiguration

profiles:
  - schedulerName: default-scheduler
    pluginConfig:
      - name: PodTopologySpread
        args:
          defaultConstraints:
            - maxSkew: 1
              topologyKey: topology.kubernetes.io/zone
              whenUnsatisfiable: ScheduleAnyway
          defaultingType: List

내장 기본 제약

파드 토폴로지 스프레딩에 대해 클러스터 수준의 기본 제약을 설정하지 않으면, kube-scheduler는 다음과 같은 기본 토폴로지 제약을 설정한 것처럼 동작한다.

defaultConstraints:
  - maxSkew: 3
    topologyKey: "kubernetes.io/hostname"
    whenUnsatisfiable: ScheduleAnyway
  - maxSkew: 5
    topologyKey: "topology.kubernetes.io/zone"
    whenUnsatisfiable: ScheduleAnyway

또한, 같은 동작을 제공하는 레거시 SelectorSpread 플러그인은 기본적으로 비활성화되어 있다.

클러스터에 기본 파드 분배 제약 조건을 사용하지 않으려면, PodTopologySpread 플러그인 구성에서 defaultingType 을 List 로 설정하고 defaultConstraints 를 비워두어 기본값을 비활성화할 수 있다.

apiVersion: kubescheduler.config.k8s.io/v1beta3
kind: KubeSchedulerConfiguration

profiles:
  - schedulerName: default-scheduler
    pluginConfig:
      - name: PodTopologySpread
        args:
          defaultConstraints: []
          defaultingType: List

파드어피니티(PodAffinity)/파드안티어피니티(PodAntiAffinity)와의 비교

쿠버네티스에서 "어피니티(Affinity)"와 관련된 지침은 파드가 더 많이 채워지거나 더 많이 분산되는 방식으로 스케줄 되는 방법을 제어한다.

• PodAffinity 는, 사용자가 자격이 충족되는 토폴로지 도메인에 원하는 수의 파드를 얼마든지 채울 수 있다.
• PodAntiAffinity 로는, 단일 토폴로지 도메인에 단 하나의 파드만 스케줄 될 수 있다.

더 세밀한 제어를 위해, 토폴로지 분배 제약 조건을 지정하여 다양한 토폴로지 도메인에 파드를 분배해서 고 가용성 또는 비용 절감을 달성할 수 있는 유연한 옵션을 제공한다. 또한 워크로드의 롤링 업데이트와 레플리카의 원활한 스케일링 아웃에 도움이 될 수 있다. 더 자세한 내용은 모티베이션(Motivation)를 참고한다.

알려진 제한사항

• 파드가 제거된 이후에도 제약 조건이 계속 충족된다는 보장은 없다. 예를 들어 디플로이먼트를 스케일링 다운하면 그 결과로 파드의 분포가 불균형해질 수 있다. Descheduler를 사용하여 파드 분포를 다시 균형있게 만들 수 있다.
• 파드와 일치하는 테인트(taint)가 된 노드가 존중된다. 이슈 80921을 본다.

다음 내용

• 블로그: PodTopologySpread 소개에서는 maxSkew 에 대해 자세히 설명하고, 몇 가지 고급 사용 예제를 제공한다.