Kubernetes PodDisruptionBudget 可用性保障

前言

在 Kubernetes 叢集的日常營運中，節點維護、叢集升級、自動擴縮容等操作都可能導致 Pod 被終止或重新調度。為了確保應用程式在這些操作期間仍能維持一定的可用性，Kubernetes 提供了 PodDisruptionBudget (PDB) 這個重要的資源物件。本文將詳細介紹 PDB 的概念、設定方式與最佳實踐。

PodDisruptionBudget 概述

PodDisruptionBudget 是 Kubernetes 中用於保護應用程式可用性的機制。它允許叢集管理員定義在進行自願性中斷（Voluntary Disruption）時，必須維持的最小可用 Pod 數量或最大不可用 Pod 數量。

PDB 的主要用途包括：

確保在節點維護期間，應用程式仍有足夠的副本數量來處理請求
防止叢集自動擴縮容過程中同時終止過多 Pod
保障滾動更新時的服務可用性

自願與非自願中斷

在 Kubernetes 中，Pod 的中斷可分為兩種類型：

非自願中斷（Involuntary Disruption）

非自願中斷是指無法預期或控制的事件，PDB 無法防止這類中斷：

硬體故障導致節點失效
雲端供應商的虛擬機器被意外刪除
核心層級的錯誤（Kernel Panic）
網路分區導致節點與叢集失聯
節點資源不足導致 Pod 被驅逐

自願中斷（Voluntary Disruption）

自願中斷是由叢集管理員或自動化系統主動發起的操作，PDB 可以限制這類中斷的影響：

節點排空（Node Drain）進行維護
叢集升級
Deployment 的滾動更新
叢集自動擴縮容（Cluster Autoscaler）縮減節點
手動刪除 Pod

PDB 設定參數

PDB 透過以下主要參數來定義可用性保障：

minAvailable 設定

minAvailable 指定在任何時候必須維持可用的最小 Pod 數量。可以設定為整數或百分比。

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apiVersion: policy/v1
kind: PodDisruptionBudget
metadata:
  name: web-app-pdb
  namespace: production
spec:
  minAvailable: 2
  selector:
    matchLabels:
      app: web-app

使用百分比的範例：

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apiVersion: policy/v1
kind: PodDisruptionBudget
metadata:
  name: api-server-pdb
  namespace: production
spec:
  minAvailable: "50%"
  selector:
    matchLabels:
      app: api-server

maxUnavailable 設定

maxUnavailable 指定在任何時候允許不可用的最大 Pod 數量。同樣可以設定為整數或百分比。

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apiVersion: policy/v1
kind: PodDisruptionBudget
metadata:
  name: worker-pdb
  namespace: production
spec:
  maxUnavailable: 1
  selector:
    matchLabels:
      app: worker

使用百分比的範例：

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apiVersion: policy/v1
kind: PodDisruptionBudget
metadata:
  name: cache-pdb
  namespace: production
spec:
  maxUnavailable: "25%"
  selector:
    matchLabels:
      app: cache

注意：minAvailable 與 maxUnavailable 不能同時設定，只能擇一使用。

標籤選擇器

PDB 透過標籤選擇器（Label Selector）來指定要保護的 Pod。選擇器必須與目標 Deployment、StatefulSet 或其他工作負載的 Pod 標籤相符。

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apiVersion: policy/v1
kind: PodDisruptionBudget
metadata:
  name: database-pdb
  namespace: production
spec:
  minAvailable: 2
  selector:
    matchLabels:
      app: database
      tier: backend
    matchExpressions:
      - key: environment
        operator: In
        values:
          - production
          - staging

檢查 PDB 狀態

建立 PDB 後，可以使用以下指令檢查其狀態：

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# 列出所有 PDB
kubectl get pdb -A

# 查看特定 PDB 的詳細資訊
kubectl describe pdb web-app-pdb -n production

# 以 YAML 格式輸出 PDB 狀態
kubectl get pdb web-app-pdb -n production -o yaml

PDB 狀態中的重要欄位：

currentHealthy：目前健康的 Pod 數量
desiredHealthy：期望健康的 Pod 數量
disruptionsAllowed：允許中斷的 Pod 數量
expectedPods：預期的 Pod 總數

與叢集維護整合

節點排空（Node Drain）

當執行節點排空時，Kubernetes 會尊重 PDB 的設定：

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# 排空節點前先設定為不可調度
kubectl cordon node-1

# 執行排空，會遵守 PDB 設定
kubectl drain node-1 --ignore-daemonsets --delete-emptydir-data

# 如需強制排空（不建議），可使用 --force
kubectl drain node-1 --ignore-daemonsets --delete-emptydir-data --force

與 Deployment 搭配使用

完整的 Deployment 與 PDB 設定範例：

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apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: web-application
  namespace: production
spec:
  replicas: 4
  selector:
    matchLabels:
      app: web-application
  template:
    metadata:
      labels:
        app: web-application
    spec:
      containers:
        - name: web
          image: nginx:1.25
          ports:
            - containerPort: 80
          resources:
            requests:
              cpu: "100m"
              memory: "128Mi"
            limits:
              cpu: "500m"
              memory: "512Mi"
---
apiVersion: policy/v1
kind: PodDisruptionBudget
metadata:
  name: web-application-pdb
  namespace: production
spec:
  minAvailable: 3
  selector:
    matchLabels:
      app: web-application

最佳實踐

1. 為關鍵服務設定 PDB

所有生產環境中的關鍵服務都應該設定 PDB，以確保在叢集維護期間維持服務可用性。

2. 避免過於嚴格的設定

如果 minAvailable 設定過高或 maxUnavailable 設定過低，可能會導致節點無法正常排空。建議至少允許一個 Pod 不可用。

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# 不建議：可能導致維護困難
spec:
  minAvailable: "100%"

# 建議：允許適度的中斷
spec:
  maxUnavailable: 1

3. 確保足夠的副本數量

PDB 的保護效果取決於應用程式的副本數量。如果只有一個副本，PDB 無法提供有效的保護。

4. 使用百分比進行彈性設定

對於副本數量可能變動的應用程式，使用百分比可以提供更靈活的保護：

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spec:
  maxUnavailable: "25%"

5. 監控 PDB 狀態

定期監控 PDB 的 disruptionsAllowed 欄位，確保叢集維護操作不會被阻塞。

6. 搭配 Pod Anti-Affinity

結合 Pod 反親和性規則，確保 Pod 分散在不同節點上，進一步提高可用性：

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spec:
  template:
    spec:
      affinity:
        podAntiAffinity:
          preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
            - weight: 100
              podAffinityTerm:
                labelSelector:
                  matchLabels:
                    app: web-application
                topologyKey: kubernetes.io/hostname

常見問題

Q: PDB 設定後節點無法排空怎麼辦？

A: 檢查 PDB 的 disruptionsAllowed 是否為 0。如果是，可能需要先增加副本數量，或暫時調整 PDB 設定。

Q: minAvailable 與 maxUnavailable 如何選擇？

A: 如果關注的是「至少要有幾個 Pod 可用」，使用 minAvailable；如果關注的是「最多允許幾個 Pod 不可用」，使用 maxUnavailable。

Q: PDB 會影響 Pod 的自動重啟嗎？

A: 不會。PDB 只影響自願性中斷，不影響 Pod 因健康檢查失敗而被重啟的行為。