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为系统守护进程预留计算资源

Kubernetes 的节点可以按照 Capacity 调度。默认情况下 pod 能够使用节点全部可用容量。这是个问题，因为节点自己通常运行了不少驱动 OS 和 Kubernetes 的系统守护进程。除非为这些系统守护进程留出资源，否则它们将与 pod 争夺资源并导致节点资源短缺问题。

kubelet 公开了一个名为 Node Allocatable 的特性，有助于为系统守护进程预留计算资源。Kubernetes 推荐集群管理员按照每个节点上的工作负载密度配置 Node Allocatable。

准备开始

你必须拥有一个 Kubernetes 的集群，同时你的 Kubernetes 集群必须带有 kubectl 命令行工具。 如果你还没有集群，你可以通过 Minikube 构建一 个你自己的集群，或者你可以使用下面任意一个 Kubernetes 工具构建：

要获知版本信息，请输入 kubectl version.

可分配的节点

      Node Capacity
---------------------------
|     kube-reserved       |
|-------------------------|
|     system-reserved     |
|-------------------------|
|    eviction-threshold   |
|-------------------------|
|                         |
|      allocatable        |
|   (available for pods)  |
|                         |
|                         |
---------------------------

Kubernetes 节点上的 Allocatable 被定义为 pod 可用计算资源量。调度器不会超额申请 Allocatable。目前支持 CPU, memory 和 ephemeral-storage 这几个参数。

可分配的节点暴露为 API 中 v1.Node 对象的一部分，也是 CLI 中 kubectl describe node 的一部分。

在 kubelet 中，可以为两类系统守护进程预留资源。

启用 QoS 和 Pod 级别的 cgroups

为了恰当的在节点范围实施 node allocatable，您必须通过 --cgroups-per-qos 标志启用新的 cgroup 层次结构。这个标志是默认启用的。启用后，kubelet 将在其管理的 cgroup 层次结构中创建所有终端用户的 pod。

配置 cgroup 驱动

kubelet 支持在主机上使用 cgroup 驱动操作 cgroup 层次结构。驱动通过 --cgroup-driver 标志配置。

支持的参数值如下：

  • cgroupfs 是默认的驱动，在主机上直接操作 cgroup 文件系统以对 cgroup 沙箱进行管理。
  • systemd 是可选的驱动，使用 init 系统支持的资源的瞬时切片管理 cgroup 沙箱。

取决于相关容器运行时的配置，操作员可能需要选择一个特定的 cgroup 驱动来保证系统正常运行。例如如果操作员使用 docker 运行时提供的 systemd cgroup 驱动时，必须配置 kubelet 使用 systemd cgroup 驱动。

Kube 预留值

  • Kubelet Flag: --kube-reserved=[cpu=100m][,][memory=100Mi][,][ephemeral-storage=1Gi][,][pid=1000]
  • Kubelet Flag: --kube-reserved-cgroup=

kube-reserved 是为了给诸如 kubelet、container runtime、node problem detector 等 kubernetes 系统守护进程争取资源预留。 这并不代表要给以 pod 形式运行的系统守护进程保留资源。kube-reserved 通常是节点上的一个 pod 密度 功能。 这个性能仪表盘 从 pod 密度的多个层面展示了 kubelet 和 docker engine 的 cpu 和 内存 使用情况。 这个博文解释了如何仪表板以提出合适的 kube-reserved 预留。

除了 cpu，内存 和 ephemeral-storage 之外，pid 可能是指定为 kubernetes 系统守护进程预留指定数量的进程 ID。

要选择性的在系统守护进程上执行 kube-reserved，需要把 kubelet 的 --kube-reserved-cgroup 标志的值设置为 kube 守护进程的父控制组。

推荐将 kubernetes 系统守护进程放置于顶级控制组之下（例如 systemd 机器上的 runtime.slice）。理想情况下每个系统守护进程都应该在其自己的子控制组中运行。请参考这篇文档，获取更过关于推荐控制组层次结构的细节。

请注意，如果 --kube-reserved-cgroup 不存在，Kubelet 将不会创建它。如果指定了一个无效的 cgroup，Kubelet 将会失败。

系统预留值

  • Kubelet Flag: --system-reserved=[cpu=100m][,][memory=100Mi][,][ephemeral-storage=1Gi][,][pid=1000]
  • Kubelet Flag: --system-reserved-cgroup=

system-reserved 用于为诸如 sshd、udev 等系统守护进程争取资源预留。 system-reserved 也应该为 kernel 预留 内存，因为目前 kernel 使用的内存并不记在 Kubernetes 的 pod 上。 同时还推荐为用户登录会话预留资源（systemd 体系中的 user.slice）。

除了 cpu，内存 和 ephemeral-storage 之外，pid 可能是指定为 kubernetes 系统守护进程预留指定数量的进程 ID。

要想在系统守护进程上可选地执行 system-reserved，请指定 --system-reserved-cgroup kubelet 标志的值为 OS 系统守护进程的父级控制组。

推荐将 OS 系统守护进程放在一个顶级控制组之下（例如 systemd 机器上的 system.slice）。

请注意，如果 --system-reserved-cgroup 不存在，Kubelet 不会创建它。如果指定了无效的 cgroup，Kubelet 将会失败。

明确保留的 CPU 列表

FEATURE STATE: Kubernetes v1.17 稳定
该功能是“稳定的”，意味着：

  • 版本名是 vX，其中 X 是整数。
  • 该功能将出现在多个后续释出的软件稳定版中。
  • Kubelet Flag: --reserved-cpus=0-3

reserved-cpus 旨在为操作系统守护程序和 kubernetes 系统守护程序定义一个显式 cpuset。此选项在 kubernetes 1.17 版本中添加。 reserved-cpus 适用于不打算针对 cpuset 资源为操作系统守护程序和 kubernetes 系统守护程序定义单独的顶级 cgroups 的系统。 如果 Kubelet 没有 指定参数 --system-reserved-cgroup 和 --kube-reserved-cgroup，则 reserved-cpus 提供的显式 cpuset 将优先于 --kube-reserved 和 --system-reserved 选项定义的 cpuset。

此选项是专门为 Telco 或 NFV 用例设计的，在这些用例中不受控制的中断或计时器可能会影响其工作负载性能。 可以使用此选项为系统或 kubernetes 守护程序以及中断或计时器定义显式的 cpuset，因此系统上的其余 CPU 可以专门用于工作负载，而不受不受控制的中断或计时器的影响较小。要将系统守护程序、kubernetes 守护程序和中断或计时器移动到此选项定义的显式 cpuset 上，应使用 Kubernetes 之外的其他机制。 例如：在 Centos 系统中，可以使用 tuned 工具集来执行此操作。

驱逐阈值

  • Kubelet Flag: --eviction-hard=[memory.available<500Mi]

节点级别的内存压力将导致系统内存不足，这将影响到整个节点及其上运行的所有 pod。节点可以暂时离线直到内存已经回收为止。 为了防止（或减少可能性）系统内存不足，kubelet 提供了资源不足管理。驱逐操作只支持 memory 和 ephemeral-storage。 通过 --eviction-hard 标志预留一些内存后，当节点上的可用内存降至保留值以下时，kubelet 将尝试驱逐 pod。 假设，如果节点上不存在系统守护进程，pod 将不能使用超过 capacity-eviction-hard 的资源。因此，为驱逐而预留的资源对 pod 是不可用的。

执行节点分配

  • Kubelet Flag: --enforce-node-allocatable=pods[,][system-reserved][,][kube-reserved]

调度器将 Allocatable 按 pod 的可用 capacity 对待。

kubelet 默认在 pod 中执行 Allocatable。无论何时，如果所有 pod 的总用量超过了 Allocatable，驱逐 pod 的措施将被执行。有关驱逐策略的更多细节可以在这里找到。请通过设置 kubelet --enforce-node-allocatable 标志值为 pods 控制这个措施。

可选的，通过在相同标志中同时指定 kube-reserved 和 system-reserved 值能够使 kubelet 执行 kube-reserved 和 system-reserved。请注意，要想执行 kube-reserved 或者 system-reserved 时，需要分别指定 --kube-reserved-cgroup 或者 --system-reserved-cgroup。

一般原则

系统守护进程期望被按照类似 Guaranteed pod 一样对待。系统守护进程可以在其范围控制组中爆发式增长，您需要将这个行为作为 kubernetes 部署的一部分进行管理。 例如，kubelet 应该有它自己的控制组并和容器运行时共享 Kube-reserved 资源。然而，如果执行了 kube-reserved，则 kubelet 不能突然爆发并耗尽节点的所有可用资源。

在执行 system-reserved 预留操作时请加倍小心，因为它可能导致节点上的关键系统服务 CPU 资源短缺或因为内存不足而被终止。 建议只有当用户详尽地描述了他们的节点以得出精确的估计时才强制执行 system-reserved，并且如果该组中的任何进程都是 oom_killed，则对他们恢复的能力充满信心。

  • 在 pods 上执行 Allocatable 作为开始。
  • 一旦足够用于追踪系统守护进程的监控和告警的机制到位，请尝试基于用量探索方式执行 kube-reserved。
  • 随着时间推进，如果绝对必要，可以执行 system-reserved。

随着时间的增长以及越来越多特性的加入，kube 系统守护进程对资源的需求可能也会增加。以后 kubernetes 项目将尝试减少对节点系统守护进程的利用，但目前那并不是优先事项。所以，请期待在将来的发布中将 Allocatable 容量降低。

示例场景

这是一个用于说明节点分配计算方式的示例：

  • 节点拥有 32Gi 内存，16 核 CPU 和 100Gi 存储
  • --kube-reserved 设置为 cpu=1,memory=2Gi,ephemeral-storage=1Gi
  • --system-reserved 设置为 cpu=500m,memory=1Gi,ephemeral-storage=1Gi
  • --eviction-hard 设置为 memory.available<500Mi,nodefs.available<10%

在这个场景下，Allocatable 将会是 14.5 CPUs、28.5Gi 内存以及 88Gi 本地存储。 调度器保证这个节点上的所有 pod 请求的内存总量不超过 28.5Gi，存储不超过 88Gi。 当 pod 的内存使用总量超过 28.5Gi 或者磁盘使用总量超过 88Gi 时，Kubelet 将会驱逐它们。如果节点上的所有进程都尽可能多的使用 CPU，则 pod 加起来不能使用超过 14.5 CPUs 的资源。

当没有执行 kube-reserved 和/或 system-reserved 且系统守护进程使用量超过其预留时，如果节点内存用量高于 31.5Gi 或存储大于 90Gi，kubelet 将会驱逐 pod。

可用特性

截至 Kubernetes 1.2 版本，已经可以可选的指定 kube-reserved 和 system-reserved 预留。当在相同的发布中都可用时，调度器将转为使用 Allocatable 替代 Capacity。

截至 Kubernetes 1.6 版本，eviction-thresholds 是通过计算 Allocatable 进行考虑。要使用旧版本的行为，请设置 --experimental-allocatable-ignore-eviction kubelet 标志为 true。

截至 Kubernetes 1.6 版本，kubelet 使用控制组在 pod 上执行 Allocatable。要使用旧版本行为，请取消设置 --enforce-node-allocatable kubelet 标志。请注意，除非 --kube-reserved 或者 --system-reserved 或者 --eviction-hard 标志没有默认参数，否则 Allocatable 的实施不会影响已经存在的 deployment。

截至 Kubernetes 1.6 版本，kubelet 在 pod 自己的 cgroup 沙箱中启动它们，这个 cgroup 沙箱在 kubelet 管理的 cgroup 层次结构中的一个独占部分中。在从前一个版本升级 kubelet 之前，要求操作员 drain 节点，以保证 pod 及其关联的容器在 cgroup 层次结构中合适的部分中启动。

截至 Kubernetes 1.7 版本，kubelet 支持指定 storage 为 kube-reserved 和 system-reserved 的资源。

截至 Kubernetes 1.8 版本，对于 alpha 版本，storage 键值名称已更改为 ephemeral-storage。

从 Kubernetes 1.17 版本开始，可以选择将 reserved-cpus 显式 cpuset 指定为操作系统守护程序、中断、计时器和 Kubernetes 守护程序保留的 CPU。

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