2. Kubernetes 调度框架：核心组件、调度周期与扩展点

Kubernetes 调度器（kube-scheduler）是控制平面中负责将 Pod 绑定到合适 Node 的核心组件。本章深入解析调度框架的内部结构，包括调度队列、调度周期与绑定周期，以及两种扩展机制：传统的 Extender 和现代的 Scheduling Framework。

2.1 调度框架核心组件

调度器内部由多个协作组件构成，每个组件承担明确的职责：

2.2 调度队列：三级队列模型

调度队列采用三级队列模型，确保高优先级 Pod 优先调度，同时为调度失败的 Pod 提供退避重试机制：

• activeQ（活跃队列）：存放等待调度的 Pod，按优先级排序。调度器每次从 activeQ 头部取出一个 Pod 进行调度。
• backoffQ（退避队列）：存放调度失败但仍在退避期内的 Pod。退避时间指数增长（如 1s、2s、4s…），退避结束后移回 activeQ。
• unschedulableQ（不可调度队列）：存放因资源不足、节点选择器不匹配等原因无法调度的 Pod。当集群发生变动（如新增 Node、资源释放）时，重新评估并移回 activeQ。

2.3 调度周期与绑定周期

调度器为每个 Pod 执行两个主要阶段：调度周期（Scheduling Cycle）和绑定周期（Binding Cycle）。调度周期是同步的，绑定周期是异步的，两者通过扩展点实现可插拔。

调度周期（Scheduling Cycle）

调度周期为 Pod 选择一个最优 Node，包含以下步骤：

1. PreFilter：预处理 Pod 和集群信息，检查 Pod 是否满足基本条件（如资源请求是否合法）。
2. Filter：对所有 Node 执行过滤，排除不满足条件的 Node（如资源不足、端口冲突、节点选择器不匹配）。
3. PostFilter：当所有 Node 都被过滤掉时，执行补救逻辑（如抢占低优先级 Pod）。
4. PreScore：在打分前进行数据准备或运行检查。
5. Score：对通过过滤的 Node 进行打分（0-100），分数越高越优。
6. NormalizeScore：对分数进行归一化处理，确保不同打分插件的结果可比较。
7. Reserve：在缓存中预留选定 Node 的资源，防止其他 Pod 同时占用。

绑定周期（Binding Cycle）

绑定周期将 Pod 与选定 Node 的绑定关系持久化到 API Server：

1. PreBind：执行绑定前的准备工作（如创建存储卷、配置网络）。
2. Bind：向 API Server 发送绑定请求（POST /api/v1/namespaces/{ns}/pods/{name}/binding）。
3. PostBind：绑定成功后执行清理或通知操作。

2.4 扩展点：Extender 与 Scheduling Framework

Kubernetes 提供两种扩展调度器行为的方式：传统的 Extender 和现代的 Scheduling Framework。两者在架构、灵活性和性能上存在显著差异。

Extender 的工作方式

Extender 通过 kube-scheduler 配置文件中的 extenders 字段注册。调度器在 Filter、Prioritize、Bind 阶段向 Extender 发送 HTTP 请求，Extender 返回结果。典型配置示例：

apiVersion: kubescheduler.config.k8s.io/v1
kind: KubeSchedulerConfiguration
extenders:
  - urlPrefix: "http://my-extender:8888/"
    filterVerb: "filter"
    prioritizeVerb: "prioritize"
    bindVerb: "bind"
    weight: 1
    nodeCacheCapable: false
    managedResources:
      - name: "example.com/resource"
        ignoredByScheduler: false

Scheduling Framework 的工作方式

Scheduling Framework 允许开发者编写 Go 插件，实现特定扩展点接口。插件通过 profile 配置注册，支持多 profile 实现不同调度策略。核心接口示例：

// FilterPlugin 接口定义
type FilterPlugin interface {
    Name() string
    Filter(ctx context.Context, state *CycleState, pod *v1.Pod, nodeInfo *NodeInfo) *Status
}

// ScorePlugin 接口定义
type ScorePlugin interface {
    Name() string
    Score(ctx context.Context, state *CycleState, pod *v1.Pod, nodeName string) (int64, *Status)
    ScoreExtensions() ScoreExtensions
}

2.5 调度框架扩展点全景图

下表汇总了 Scheduling Framework 的所有扩展点及其在调度周期/绑定周期中的位置：