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[Kubernetes] 쿠버네티스 스케줄링 - 2. 프로세스와 선점

6 분 소요

이전 글에서 스케줄링의 기본 개념, 스케줄링 대상, 스케줄러 큐 구조에 대해 알아보았다. 이번 글에서는 스케줄러가 파드를 노드에 배치하는 구체적인 프로세스와 선점 메커니즘에 대해 알아보자. 스케줄러가 어떤 단계를 거쳐 노드를 선택하는지, 모든 노드가 부적합할 때 어떻게 선점이 동작하는지를 이해하면, 파드가 Pending 상태에 빠졌을 때 원인을 빠르게 좁혀 나갈 수 있다.


프로세스

쿠버네티스 스케줄러가 파드를 노드에 배치하는 프로세스에 대해 알아 보자. 조금 복잡하니, 두 단계로 나눠서 알아 보자.


메인 스케줄링 프로세스

kubernetes-scheduling

  • 스케줄링 대상 파드: Active Queue에 있는 파드
  • 전체 단계
    1. PreFilter: 스케줄링 전 사전 처리
    2. Filter: 모든 노드 동시 체크 (병렬)
      • 성공 시, PreScore 단계로 감
      • 실패 시, PostFilter 단계로 감
    3. PostFilter: 필터링 실패 시 실행 (여기서 선점 로직 동작)
    4. PreScore: 스코어링 전 사전 처리
    5. Score: 필터링 통과한 노드에 대해 점수 부여 (병렬)
    6. NormalizeScore: 점수 정규화
    7. Reserve: 선택된 노드에 리소스 예약
      • 실제 바인딩 전에 리소스를 예약하여 다른 스케줄러 인스턴스와의 경쟁 방지
      • Reserve 실패 시 다른 노드로 재시도, Reserve 성공 후 Bind 실패 시 예약 해제(Unreserve)
    8. Permit: 스케줄링 승인 대기
      • 웹훅 등 외부 승인을 기다리는 단계 (기본적으로는 즉시 승인)
      • 승인 대기 중에는 다른 파드가 해당 노드의 리소스를 사용할 수 있음
    9. PreBind: 바인딩 전 작업 (예: 볼륨 프로비저닝)
    10. Bind: 실제 노드에 파드 바인딩
      • API Server에 PATCH 요청을 보내 spec.nodeName을 설정하는 것이 핵심 작업
      • spec.nodeName이 설정되면 해당 노드의 Kubelet이 파드를 감지하고 실행을 시작
      • PodScheduled condition은 API Server가 자동으로 업데이트
      • Bind 실패 가능성: 노드가 갑자기 NotReady 상태가 되거나, 노드의 리소스가 부족해지거나, 네트워크 문제로 API Server와 통신 실패
      • 실패 시 파드가 Backoff Queue로 이동 
          PATCH /api/v1/namespaces/default/pods/my-pod
  {
"spec": {
  "nodeName": "worker-node-1"  # 바인딩: nodeName 설정
}
  }
    11. PostBind: 바인딩 후 작업
  • 주요 단계
    • Filter 단계(필터링): 각 노드 별로 다음 조건을 만족하는지 확인. 하나라도 실패 시 탈락
      • 리소스 체크
        • NodeResourcesFit: CPU, Memory 등 리소스 충분한가. requests 기준으로 판단하며, limits는 스케줄링 시 고려하지 않는다. (GPU 등 extended resource의 경우, limits만 설정하면 requests도 동일하게 자동 설정되므로 결과적으로는 같지만, 원리적으로는 항상 requests 기준이다)
        • NodeResourcesBalancedAllocation: 리소스가 밸런스 있게 사용되나
      • 배치 규칙 체크
        • NodeSelector: nodeSelector 일치 여부
        • NodeAffinity: node affinity 조건 만족 여부
        • PodTopologySpread: 파드 토폴로지 분산 규칙 만족 여부
        • TaintToleration: taint/toleration 적합한가
      • 실용성 체크
        • VolumeBinding: 볼륨 마운트 가능 여부
        • NodePorts: 포트 충돌 유무
    • PostFilter 단계: 모든 노드가 Filter 실패 시에만 실행되는 조건부 extension point. 개별 플러그인으로 구성됨
      • 선점(Preemption): 낮은 우선순위 파드를 축출하여 노드 확보
    • Score 단계(스코어링): 필터링 통과 노드에 점수 부여 후 최고 점수 노드 선택
      • ImageLocality: 이미지가 이미 있는 노드 선호
      • NodeResourcesBalancedAllocation: 리소스 밸런스
      • InterPodAffinity: 파드 간 친화성
      • …


스케줄링 프로세스 주요 단계에 따른 큐 복귀

이전 글에서 스케줄러가 큐 관리 역할을 담당한다고 했는데, 스케줄링 프로세스의 결과에 따른 큐 간 파드 이동도 모두 스케줄러가 담당한다.

  1. 스케줄링 실패 시 큐 이동: 실패 유형에 따라 다른 큐로 이동시킨다
    • Score 단계 이후, 노드가 선택된 상태에서 바인딩까지 일시적 문제로 실패한 경우 → Backoff Queue
    • 애초에 배치 가능한 노드를 찾지 못해 노드 선택 자체가 실패한 경우 → Unschedulable Queue
  2. Active Queue로의 복귀: 조건이 충족되면 다시 Active Queue로 이동시킨다
    • Backoff Queue: 타이머 만료 시(스케줄러가 주기적으로 확인)
    • Unschedulable Queue: 클러스터 이벤트 발생 시
    • 선점 성공: PostFilter 단계에서 선점에 성공하여 nominatedNodeName이 설정된 경우 즉시 Active Queue로 이동


PostFilter 단계

필터링 단계에서 모든 노드에 대한 필터링이 실패했을 경우, PostFilter 단계를 진행한다. 아래 그림에서, 이전 그림에 비해 더 자세히 나타난 3 이후의 부분이다.

kubernetes-scheduling-2

그림에서는 단일 큐로 표현했지만, 실제로는 Active Queue, Backoff Queue, Unschedulable Queue 3개로 구성된다.

Filter 단계가 실패하면 실행되는 확장점(extension point)이다. 공식 문서에 의하면, 다음과 같다.

PostFilter is called by the scheduling framework when the scheduling cycle failed at Prefilter or Filter

다양한 플러그인으로 구성되어, 각각의 플러그인이 실행되는 형태이다. DefaultPreemption(선점)이라는 기본 플러그인이 제공되며, 그 외에 다른 플러그인도 등록할 수 있다. 커스텀 플러그인을 만들어 등록하는 것 또한 가능하다.

설정된 순서대로 실행되며, 첫 번째로 성공한 플러그인에서 nominatedNodeName, 즉, 파드를 실행할 수 있는 노드명이 설정된다.

  • PostFilter 플러그인 실행 규칙
    • 순차 실행: 설정된 순서대로 하나씩 실행
    • Early Exit: 첫 번째 성공한 플러그인에서 종료, 나머지는 실행 안 함
    • 단일 nominatedNodeName: 파드당 하나의 후보 노드만 설정 가능
  • 플러그인별 동작 방식
    • DefaultPreemption:
      • 모든 노드를 평가하여 각 노드에서 선점 가능 여부 확인
      • 선점 알고리즘으로 최적의 단일 노드 선택
      • 선택 기준: PDB 위반 최소 → 최고 victim 우선순위 최소 → victim 개수 최소
      • 선택된 하나의 노드에서만 victim 축출
    • CrossNodePreemption:
      • 여러 노드 조합을 평가
      • cross-node 제약(PodTopologySpread, AntiAffinity) 고려
      • 여러 노드에 걸쳐 victim 축출 가능
    • PreemptionToleration: victim 측면의 선점 정책 커스터마이징

nominatedNodeName이 설정된 파드는 다시 스케줄링 큐로 돌아가며, 추후 다시 스케줄링 프로세스를 거친다.


프로세스 결과와 큐 이동 요약

위 프로세스를 종합하면, PostFilter에서 선점에 성공하여 nominatedNodeName이 설정된 파드는 큐로 돌아가 재스케줄링을 시도하고, PostFilter에서도 후보 노드를 찾지 못하면 Unschedulable Queue로 이동한다. 이 모든 과정에서 파드는 Pending 상태를 유지하며, 스케줄링에 성공해 바인딩되고 컨테이너가 시작되어야 비로소 Running 상태가 된다. 큐 구조와 큐 간 이동 조건에 대한 자세한 내용은 이전 글의 스케줄러 큐 섹션을 참고하자.


선점

공식 문서에서는 이렇게 설명한다.

Pods can have priority. Priority indicates the importance of a Pod relative to other Pods. If a Pod cannot be scheduled, the scheduler tries to preempt (evict) lower priority Pods to make scheduling of the pending Pod possible.

다시 말해, 우선순위가 더 높은 파드를 위해 더 낮은 우선순위 파드를 종료하는 것이다. 선점이라고 하니 뭔가 해당 파드가 직접 뺏어가는 것처럼 들린다. 그러나 공식 문서 맥락을 보면, 더 낮은 우선순위의 파드를 종료하는 것 뿐이다. 그렇게 되면, 우선순위가 더 높은 파드가 스케줄링될 수 있을 테니.

낮은 우선순위 파드를 종료시켜 공간을 확보한 후, 높은 우선순위 파드가 그 공간에 스케줄링되는 방식이다. 선점한 파드에는 nominatedName이 설정된다.


우선순위에 따라 결정한다는 것이 중요하다. 즉, 선점이 이루어지기 위해서는 우선순위가 있어야 한다.

  • priorityClass 리소스를 정의해야 함

    ---
apiVersion: scheduling.k8s.io/v1
kind: PriorityClass
metadata:
  name: high-priority
value: 1000000
globalDefault: false  # true로 설정하면 priorityClassName 미지정 파드의 기본값으로 사용됨 (클러스터당 1개만 가능)
preemptionPolicy: PreemptLowerPriority  # PreemptLowerPriority: 낮은 우선순위 파드 선점 가능 / Never: 선점하지 않음
description: "High priority pods"
---
apiVersion: scheduling.k8s.io/v1
kind: PriorityClass
metadata:
  name: low-priority
value: 1000
globalDefault: false
description: "Low priority pods"

  • 기존 파드와 우선순위 대상 파드에 해당 priorityClass가 적용되어 있어야 함

    apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: nginx
  labels:
    env: test
spec:
  containers:
  - name: nginx
    image: nginx
    imagePullPolicy: IfNotPresent 
  priorityClassName: high-priority


대부분, 파드를 그 자체로 띄우진 않으니, Deployment와 같은 리소스 컨트롤러에 우선순위를 적용한다. 중요한 것은, 같은 리소스 컨트롤러에서 생성된 파드는 같은 우선순위를 갖는다는 것이다. 다만, 실제 프로덕션 환경에서는 서로 다른 워크로드 간 우선순위 차이를 적용해, 아래와 같은 경우에 우선순위 차이를 이용한 선점을 활발히 사용한다고 한다:

  • 프로덕션(high) vs 개발/테스트(low) 환경 파드
  • 핵심 서비스(high) vs 배치 작업(low)
  • 상시 서비스(high) vs ML 학습 작업(preemptionPolicy: Never)
  • 시스템 컴포넌트(system-cluster-critical) vs 사용자 워크로드


리소스가 제한적인 클러스터에서는 이러한 우선순위 설정이 서비스 안정성 확보를 위해 필수적이다. 안타깝게도, 나는 아직까지 실무에서 써본 적이 없다. 다만, 만약 ML 서비스에서 권한이 다른 사용자 간 학습 우선순위를 조정해야 할 일이 생긴다거나, 혹은 긴급한 추론이 필요할 때 학습 워크로드보다 우선순위를 높게 주는 등의 방식으로 사용해 볼 수 있을 것 같다. 써볼 일이 생긴다면 좋겠다. 혹은 써볼 일을 만들어도 좋겠다!


nominatedNodeName이 하는 일

PostFilter 단계 이후, nominatedNodeName이 설정된 파드는 스케줄링 큐로 돌아가 이후 다시 필터링, 스코어링 등 원래 스케줄링 프로세스를 거친다고 했다. 그러면 그건 뭐하러 설정하나 싶을 수도 있다.

nominatedNodeName은 선점 후 victim 파드가 종료되는 동안:

  • 다른 낮은 우선순위 파드가 끼어들어 그 공간을 차지하는 것을 방지하고,
  • 리소스 예약을 표시하는 역할을 하여,
  • 스케줄러가 다른 파드를 평가할 때, nominated 파드도 실행 중인 것처럼 계산한다.

예컨대, 아래와 같은 문제 상황을 방지하는 것이다.

  • 높은 우선순위 파드 P가 선점 성공
  • victim 파드 축출 시작
  • 파드 P는 큐로 돌아가 대기
  • 그 사이 다른 파드가 끼어 들어서 victim이 비운 공간을 차지
  • 파드 P는 영원히 기다림

nominatedNodeName이 설정되면, 스케줄러가 nominated 파드도 실행 중인 것처럼 계산하기 때문에, 아, 이 노드는 이미 예약된 공간이 있네라고 생각한다는 것이다.

다만, nominatedNodeName이 설정된 파드더라도, nominated node에 항상 스케줄링된다는 보장은 없다. 높은 우선순위 파드가 나타나게 되면, 변경될 수 있다. 공식 문서의 표현에 따르면, 아래와 같다. 보장되지는 않는다는 것이다.

Please note that Pod P is not necessarily scheduled to the ‘nominated Node’.


이 글에서는 스케줄러가 파드를 노드에 배치하는 프로세스(Filter → Score → PostFilter)와 선점 메커니즘에 대해 알아보았다. 이전 글의 큐 구조와 함께 이해하면, 파드가 왜 Pending 상태에 빠지는지, 어떤 조건에서 빠져나올 수 있는지를 체계적으로 파악할 수 있다. 이 내용이 실제 문제 상황에서 어떻게 적용되는지는 Deployment 재배포 실패 원인과 해결 시리즈에서 다루고 있다.



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