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[Kubernetes] 쿠버네티스 스케줄링 - 1. 개념

6 분 소요


들어가며

쿠버네티스를 운영하다 보면, 파드가 Pending 상태에 빠져 있는 상황을 마주하게 된다. 왜 이 파드는 특정 노드에 배치되지 않는지, 왜 리소스가 충분한데도 스케줄링에 실패하는지, 혹은 Deployment를 업데이트했는데 새 파드가 영원히 뜨지 않는 상황을 이해하려면, 스케줄링의 동작 방식을 알아야 한다.

이 글에서는 쿠버네티스 스케줄링의 기본 개념, 스케줄러가 파드를 선택하는 기준, 그리고 스케줄러 큐의 구조와 동작 메커니즘에 대해 정리한다. 다음 글에서는 구체적인 스케줄링 프로세스(Filter, Score, PostFilter)와 선점 메커니즘을 다룬다.


스케줄링

개념

Kubernetes 스케줄링이란, Kubernetes 스케줄러가 파드를 적합한 노드에 배치하는 프로세스를 의미한다. 조금 더 정확하게는, 생성된 파드를 클러스터 내 어느 노드에서 실행할지 결정하고 할당하는 과정이다. 더 상세한 개념을 말해 보라면,

  • kube-scheduler가 스케줄링이 필요한 파드를 감지하여,
  • (후술할) 필터링과 스코어링(과 필요하다면 선점)을 통해 최적의 노드를 선택하고,
  • 해당 노드에 파드를 바인딩하는 일련의 프로세스

라고 할 수 있지 않을까 싶다.


공식 문서는 아래와 같이 정의한다.

In Kubernetes, scheduling refers to making sure that Pods are matched to nodes so that Kubelet can run them.

Kubelet이 실행할 수 있도록, 파드가 노드에 매치되게 하는 작업이라고 한다. 정의에서도 확인할 수 있지만, 스케줄링은 배치 작업일 뿐이다. 아래와 같은 작업은, 스케줄링이 아니다.

  • 파드 생성 그 자체: 리소스 컨트롤러가 API server에 요청하면, API server가 etcd에 저장
    • Deployment의 경우: Deployment Controller → ReplicaSet Controller → API Server
  • 파드 실행: Kubelet 담당. Kubelet이 Container Runtime을 통해 실행. Scheduler는 어디서 실행할지만 결정
  • 리소스 할당: Linux cgroups/namespaces가 담당

그리고 이와 같은 스케줄링에 포함될 수 있는 작업의 범위는 다음과 같다:

  • 노드 선택: Filter + Score를 통한 최적 노드 결정
  • 파드와 노드 연결(바인딩): spec.nodeName 설정
  • (필요 시) 선점: 낮은 우선순위 파드(victim) 선택 및 종료 요청

또한, 당연히 스케줄링은 파드에 적용되는 개념이다. Deployment, Statefulset 등과 같은 리소스 컨트롤러에 적용되는 개념이 아니라는 의미다.


대상

스케줄러는 정확히 어떤 파드를 스케줄링 대상으로 인식하는가?

스케줄러의 판단 기준: spec.nodeName

스케줄러는 spec.nodeName이 비어 있는 파드를 대상으로 스케줄링을 시도한다. 이것이 스케줄러가 파드를 선택하는 유일한 기준이다.

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: my-pod
spec:
  nodeName: "" # 비어 있음 → 스케줄링 대상
status:
  phase: Pending
  conditions:
  - type: PodScheduled 
    status: "False"  
    reason: Unschedulable
    message: "0/10 nodes available: 1 Insufficient gpu"

spec.nodeName이 비어 있으면 스케줄러가 해당 파드를 감지하고 스케줄링을 시도하며, 값이 이미 지정되어 있으면 스케줄러는 해당 파드를 무시한다.


Pending 상태의 개념과 범위

status.phase: Pending은 파드의 광범위한 상태를 나타낸다. Kubernetes에서 파드가 Pending 상태가 될 수 있는 경우는 다양하다:

  • 새로 생성되어 스케줄링 대기 중일 때
  • 스케줄링된 후 컨테이너 시작 대기 중일 때
  • 스케줄링 실패 후 재시도 중일 때
  • 이미지 pull 중일 때
  • init container 실행 중일 때
  • 노드에 장애가 났을 때
  • …


중요한 점은, Pending 상태는 스케줄러의 판단 기준이 아니라는 것이다. 스케줄러의 실제 판단 기준은 spec.nodeName이다.


스케줄러 관점에서 Pending 파드 분류

넓은 범위에서 Pending 상태에 있는 파드들은 스케줄링 큐 관점에서 아래와 같이 분류해 볼 수 있다:

  • (후술할) 스케줄링 큐에 있는 파드들: spec.nodeName이 비어 있음
    • Active Queue
    • Backoff Queue
    • Unschedulable Queue
  • 스케줄링 큐에 없는 파드들
    • 수동으로 spec.nodeName이 지정됨: 스케줄러가 관여하지 않음
    • 스케줄링 완료, 컨테이너 시작 전
    • 이미지 pull 중
    • init container 실행 중


스케줄링 필요 여부를 아래와 같은 예시로 나눠서 살펴볼 수 있다.


1. 스케줄링 대상 (spec.nodeName이 비어 있음)

spec:
  nodeName: ""  # 비어 있음 → 스케줄링 대상
status:
  phase: Pending
  conditions:
  - type: PodScheduled
    status: "False"
  • 스케줄러가 감지하고 스케줄링을 시도하는 파드
  • 스케줄링 큐(Active Queue, Backoff Queue, Unschedulable Queue)에 포함됨


2. 스케줄링 비대상 (spec.nodeName이 지정됨)

spec:
  nodeName: "worker-1"  # 수동 지정됨 → 스케줄러 개입하지 않음
status:
  phase: Pending  # 아직 Pending이지만 스케줄러가 처리하지 않음
  conditions:
  - type: PodScheduled
    status: "False"  # 아직 업데이트 안됨
  • 수동으로 노드가 지정된 파드
  • 스케줄러가 관여하지 않음
  • Pending 상태일 수 있지만(예: 이미지 pull 중, 컨테이너 시작 대기 중), 스케줄링과는 무관


3. 스케줄링 완료 (spec.nodeName이 설정됨)

spec:
  nodeName: "worker-1"  # 스케줄러가 설정함
status:
  phase: Pending  # 컨테이너 시작 전까지는 여전히 Pending
  conditions:
  - type: PodScheduled
    status: "True"  # 스케줄링 완료
  • 스케줄러가 이미 노드를 할당한 파드
  • 컨테이너가 시작되기 전까지는 Pending 상태를 유지할 수 있음


더 자세히 보자면 파드 상태에 대한 고찰이 필요하겠으나, 일단 지금은 스케줄링 관점에서만 집중하기 위해, spec.nodeName이 비어 있는 Pending 상태의 파드가 스케줄링 프로세스의 대상이 된다고 알아 두자.


PodScheduled 조건의 역할

status.conditions에는 PodScheduled라는 타입이 있다. 이것은 스케줄링 결과를 기록하기 위한 지표로, 해당 파드가 스케줄링되었는지 아닌지를 나타낸다.

중요한 점: 스케줄러가 이 조건을 판단 기준으로 사용하지 않는다. 스케줄러는 spec.nodeName만을 기준으로 파드를 선택한다. PodScheduled 조건은 스케줄링이 완료된 후 그 결과를 반영하는 지표일 뿐이다.


PodScheduled 조건의 동작 흐름

  1. 파드 생성(nodeName 비어 있음) → PodScheduled: False
  2. 스케줄러가 nodeName이 비어 있는 파드 감지 후 스케줄링 시도
  3. 성공 시 nodeName 설정 → PodScheduled: True로 자동 업데이트
  4. 실패 시 nodeName 여전히 비어 있음 → PodScheduled: False 유지


예외 케이스

# 예외 케이스: nodeName 비어 있는데 PodScheduled가 True
spec:
  nodeName: ""
status:
  phase: Pending
  conditions:
  - type: PodScheduled
    status: "True"  # 비정상 상태 (일시적일 수 있음)

이런 경우는 일반적으로 발생하지 않지만, 시스템의 일시적인 불일치 상태일 수 있다.


메커니즘

앞서 Pending 상태의 파드를 스케줄링 큐 관점에서 분류해 보았다. 스케줄러는 그 중 Active Queue에 있는 파드만 꺼내서 스케줄링을 시도한다. Active Queue에 파드가 들어오는 경로는 다음과 같다:

  • 새로 생성된 파드: API 서버에 대한 Watch를 통해 spec.nodeName이 비어 있는 파드를 감지
  • Backoff Queue에서 이동: 백오프 타이머가 만료된 파드
  • Unschedulable Queue에서 이동: 클러스터 이벤트(노드 추가, 리소스 해제 등) 발생으로 조건이 충족된 파드

스케줄링에 실패한 파드들은 실패 원인에 따라 Backoff Queue 또는 Unschedulable Queue로 이동하고, 조건이 충족되면 다시 Active Queue로 돌아온다. 이렇게 클러스터 내에서는 스케줄러가 Active Queue에서 파드를 꺼내 스케줄링을 시도하고, 실패 시 다른 큐로 이동시킨 뒤 조건 충족 시 다시 Active Queue로 복귀시키는 루프가 무한 반복된다.


스케줄러 큐

쿠버네티스 스케줄러는 아래와 같이 3개의 큐를 관리한다. 여기서 중요한 점은, 큐 관리 자체도 스케줄러가 담당한다는 것이다. 스케줄러 내부의 Scheduling Queue 컴포넌트가 Watch를 통한 새 파드 감지, 타이머 기반의 Backoff Queue 확인(1초 주기), 클러스터 이벤트에 따른 Unschedulable Queue 처리, 스케줄링 실패 시 적절한 큐로의 이동 등을 모두 수행한다.

Active Queue  ───────► 스케줄러가 꺼내서 스케줄링 시도
Backoff Queue ───────► 타이머 만료 시 ────────► Active Queue로 이동
Unschedulable Queue ─► 클러스터 이벤트 발생 시 ─► Active Queue로 이동


Active Queue에 있는 파드만 스케줄링 대상이 되며, BackOff Queue와 Unschedulable Queue에 있는 파드들은 조건 충족 후 Active Queue로 이동한 뒤에야 스케줄링 대상이 된다.

  • Active Queue: 활성 큐. 즉시 스케줄링 시도할 파드들. 스케줄링 대상 파드
    • 새로 생성된 파드
    • Backoff Queue에서 타이머 만료된 파드
    • Unschedulable Queue에서 조건 충족된 파드
    • 스케줄러의 동시성과 순서: 스케줄러는 여러 파드를 동시에 처리할 수 있다. Active Queue에서 파드를 꺼내는 순서는 우선순위 기반이며, 동일한 우선순위의 경우 큐에 들어온 순서(FIFO)를 따른다.
  • Backoff Queue: 백오프 큐. 일시적으로 스케줄링에 실패한 파드들
    • 지수 백오프(exponential backoff) 타이머 대기 중
    • 일시적 실패: 스케줄링 시도는 가능했으나 실패한 경우
      • 리소스가 약간 부족 (CPU 90% 사용 중)
      • 노드가 일시적으로 NotReady 상태
      • 다른 파드가 먼저 리소스를 선점함
    • 초기 1초부터 시작하여 점진적으로 증가 (2초, 4초, 8초… 최대 약 10초)
    • 지수 백오프를 사용하는 이유:
      • 스케줄러 부하 감소: 즉시 재시도하면 CPU 낭비
      • 클러스터 상태 변경 대기: 리소스 확보 등을 위한 시간 확보
      • 시스템 안정성: 초기에는 빠르게 재시도하되, 계속 실패하면 간격을 늘림
  • Unschedulable Queue: 스케줄 불가 큐. 현재 클러스터 구조상 스케줄링이 불가능한 파드들
    • 구조적 실패: 클러스터 상태 변경이 필요한 경우
      • 배치 가능한 노드가 없음
        • 모든 노드가 nodeSelector 불일치
        • taint/toleration 불일치로 배치 가능한 노드가 없음
      • 요청한 PV가 아예 존재하지 않음
      • 요청한 GPU 타입이 클러스터에 없음
    • 빠져나오는 조건: 클러스터 이벤트 발생 시 Active Queue로 이동
      • 노드 추가/변경 (라벨, taint 등)
      • PV/PVC 생성
      • 다른 파드 삭제 (affinity 조건 변경)
      • 리소스 증가 이벤트


결국, 백오프 타이머에 의해 정기적으로 아래와 같은 스케줄링 루프가 동작하게 된다.

Active Queue에서 파드 꺼냄
    ↓
스케줄링 시도
    ↓
실패 → BackOff Queue 또는 Unschedulable Queue로 이동
    ↓
조건 충족(타이머 만료 / 클러스터 이벤트 발생) 시 Active Queue로 이동
    ↓
(무한 반복)


그리고, 무한 반복 루프 외에 스케줄링을 트리거하는 아래와 같은 이벤트가 발생하면, 즉시 재시도가 트리거링된다:

  • 노드 추가, 변경: 새 노드 추가, 노드 리소스 증가, 노드 레이블 변경
  • 파드 종료: 기존 파드 삭제, 기존 파드 종료, 리소스 확보
  • PV, PVC 변경: 새 볼륨 생성, 볼륨 바인딩 완료
  • Service/Configmap 변경: 관련 리소스 업데이트


다음 글에서는 스케줄러가 파드를 노드에 배치하는 프로세스(Filter, Score, PostFilter)와 선점(Preemption) 메커니즘에 대해 자세히 알아본다. 다음 글 보기



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