如何管理Kubernetes集群的容量与资源

译文
作者：陈峻译 2020-09-09 07:00:00

开源

云计算 在管理Kubernetes集群时，我们可能会面临各种严峻的挑战。本文将向您展示如何在自动扩展的环境中，管理好Kubernetes集群的容量与资源。

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【51CTO.com快译】众所周知，系统资源并非无限的。在那些大型集群即服务的场景中，我们需要认真地布局和规划集群资源的配比。不过，在各种软件项目中，开发人员往往会错误地认为虚拟化和容器化能够让资源看起来更像个巨大的池子，可用随意使用。例如，他们在尝试运行某个需要大量资源的应用，尤其是在启用了自动扩展功能的群集上时，就可能看到如下图所示的情况：

显然，通过kubectl get，我们发现有数十个evicted pod，而实际上可能只想运行5个pod。此时，您可能非常希望通过对Kubernetes集群资源的管理，来自动实现对于容量和资源的分配。

两个示例

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如上图所示，假设我们手头有一个带有16个虚拟CPU和64GB RAM的Kubernetes集群。那么，我们可以在它上面流畅地运行一个需要20GB内存的AI容器吗?

假设该集群中有4个worker，每个都需要有16GB的可用内存(实际上，DaemonSet和系统服务都需要运行一个节点，并占用少量的资源，因此真实可用内存可能会更少一些)。那么，在这种情况下，如果我们只分配16GB内存给容器的话，我们将无法保证其流畅运行。

其实，不仅此类大容器的部署，我们在进行其他复杂的部署，甚至是采用Helm chart(请参见-- https://grapeup.com/blog/asp-net-core-ci-cd-on-azure-pipelines-with-kubernetes-and-helm/)之类开箱即用的产品时，都必须始终考虑到资源的限制问题。

让我们来看另一个示例--将Ceph部署到同一个集群中。我们的实现目标是将1TB的存储空间分成10个OSD(object storage daemons，对象存储守护程序)和3个ceph MON(监视器)。我们希望将其放置在两个节点上，其余两个则留给需要使用该存储的部署。这将是一个高度可扩展的架构。

一般用户首先能够想到的做法是将OSD的数量设置为10，MON设置为3，将tolerations添加到Ceph的pod中，以及将taint匹配上Node 1和Node 2。而所有的ceph部署和pod都将nodeSelector设置为仅针对Node 1和2。

如下图所示，Kubernetes会让mon-1、mon-2和5个osd运行在第一个worker上，让mon-3和另5个osds运行在第二个worker上。应用程序可以快速地将大量的大体积文件保存到Ceph上。

如果我们还部署了仪表板，并创建了一个复制池，那么还可以直观地看到1TB的可用存储空间和10个OSD的状态。

不过，在运行了一段时间后，我们会发现真正可用的存储空间只剩下了400GB，出现了许多evicted OSD pods，而且有4个OSDs正在同时运行。对此，我们需要重新审视初始时的部署配置。

极限和范围

平时，就算我们运行了13个Pod(其中可能有3个监控器)，也不会占用过多的资源，但是OSD则不然。由于Ceph在内存中缓存了很大量的数据，那么我们使用得越频繁，它需要的资源也就越多。同时，各种存储容器的数据复制和平衡也需要消耗一定的空间。因此，在初次化部署之后，内存的分配情况会如下图所示：

而在数小时的持续运行之后，该集群就会出现如下状况：

可见，我们损失了几乎50%的pod。而且这并非是最终状态，如果高吞吐量将目标指向剩余的容器，那么我们很快会失去得更多。那么，这是否意味着我们需要给Ceph集群配置超过32GB的内存呢?非也。只要我们正确地设置了限制(请参见--https://kubernetes.io/docs/concepts/configuration/manage-resources-containers/#resource-requests-and-limits-of-pod-and-container)，单个OSD就不能从其他pod处抢夺所有的可用内存。

也就是说，在这种情况下，我们最简单的方法是：为mon整体分配并保留2GB的内存，其中每个的极限为650MB;将一共30GB的内存除以10个OSD(请见下图)：

由于我们为OSD分配了15GB的内存，并为每个Pod配置了650MB的内存，因此第一个节点会需要：15 + 2 * 0.65 = 16.3GB。此外，我们同样需要考虑到在同一节点上运行的DaemonSet日志。因此，修正值应该是：

服务质量

如果我们还为Pod设置了一个与限制完全匹配的请求，那么Kubernetes将会以不同的方式来对待此类Pod，如下图所示：

该配置将Kubernetes中的QoS设置为Guaranteed(否则是Burstable)。有Guaranteed的Pod是永远不会被evicte的。通过设置相同的请求和限制，我们可以确保Pod的资源使用情况，而无需顾及Kubernetes对其进行移动或管理。此举虽然降低了调度程序(scheduler)的灵活性，但是能够让整个部署方式更具有一定的弹性。

自动扩展环境中的资源

对于关键性任务系统(mission-critical systems，请参见--https://grapeup.com/)而言，光靠估算所需的资源，来匹配群集的大小，并做好相关限制是远远不够的。有时候，我们需要通过更加复杂的配置，以及非固定的集群容量，来实现水平扩展和调整可用的worker数量。

假设资源会呈线性扩展的话，那么我们可以同时规划最小和最大群集的容量。而如果pod能够被允许在群集扩展时，跟踪那些按比例在水平方向和垂直方向的扩展的话，那么它在按等比收缩时，则可能会“逐出”其他的pod。为了缓解该问题，Kubernetes提出了两个主要概念：Pod Priority和Pod Disruption Budget。

下面，让我们从创建测试场景开始讨论。这次我们不需要大量的节点，只需要创建一个具有两个节点组的集群：一个由常规实例组成(称为持久性)，一个由可抢占(preemptible/spot)实例组成。如下图所示，当VM(现有节点)的CPU使用率超过0.7(即70%)时，可抢占节点组将进行扩展。

可抢占实例的优势在于它们比具有相同性能的常规VM要容易实现得多。而唯一缺点是无法保证其生命周期。也就是说，当云提供商出于维护目的，或在24小时之后决定在其他地方需要实例时，该实例就可能会被“逐出”。因此，我们只能在其中运行那些可容错的无状态负载。

那么，集群中为什么只有一个持久性节点呢?这是为极端情况做准备的。当所有可抢占节点均未运行时，它将维护一个最少的容器集，以管理和保障应用程序的可操作性。下表展示了此类例程的结构。我们可以使用节点选择器将redis master配置为能够在持久性节点上运行。

Pod Priority

下面，我们来看一个水平pod自动扩展器(Horizontal Pod Autoscaler，HPA)的例子。

前端：

后端：

视频转换器：

作为一款视频转换器，它的目标是降低平均资源的占有率。也就是说，通过检查扩展策略，当有多个转换队列时，其CPU平均使用率可能会迅速达到25%，那么它就会产生新的自动化扩展。例如：如果在大约10分钟的时间内，需要进行50次视频转换，那么该转换器就会扩展出25个实例。那么，为了避免集群中的其他容器被evicte，我们可以创建一种优先级类别(请参见-- https://kubernetes.io/docs/concepts/configuration/pod-priority-preemption)：优先级较高的pod对于调度程序而言，具有更高的价值;而优先级较低的pod，则可以被evicte。

因此，如果我们给予转换器较低的优先级，那么就是默认了前端和后端Pod更为重要。在最坏的情况下，该视频转换器可以从群集中逐出。

Pod Disruption Budget

作为更好的pod控制与调度方法，Pod Disruption Budget(PDB)使我们可以一次性配置最少数量的pod。由于有效地阻止了节点资源被耗尽，因此它比仅使用Pod Priority要更加严格。如果其他worker上没有足够的空间用来重新调度pod，它会保证副本的数量不少于可分配的预定。

上表展示了最基本的配置。其中，前端副本数不低于2。我们可以据此为所有Pod分配一个最小值，并确保始终至少有1到2个pod可以处理请求。

这是确保pod能够自动扩展、集群可以伸缩的最简单、也是最安全的方法。只要我们配置了带有中断预定的最少容器集，就能够在不会影响整体稳定性的基础上，满足最小集群容量、以及各种请求的最低处理要求。

至此，我们已拥有了创建稳定方案所需的全部必需组件。我们可以将HPA配置为与PDB相同的最小副本数，以简化调度程序的工作。同时，我们需要根据最大群集数，来确保限制数与请求数不但相同，且不会evicte pod。具体配置如下表所示：

基于上述调度程序的灵活性，在前端和后端的负载过低，却有大量数据需要转换时，该转换器会自动扩展出19-21个实例。

自动扩展的注意事项

关于自动扩展，我们需要注意如下两个方面：

首先，由于我们无法确定云服务提供商的虚拟机启动时长(可能几秒钟，也可能需要几分钟)，因此我们无法保障自动扩展肯定能够解决峰值负载的问题。

其次，在集群缩减时，对于那些正在运行组件，我们需要通过反复测试，让调度程序能够快速地将负载移至其他worker处，以实现在不破坏应用操作的前提下，有效地关闭虚拟机。

原标题：Kubernetes Cluster Management: Size and Resources，作者：Adam Kozlowski

【51CTO译稿，合作站点转载请注明原文译者和出处为51CTO.com】

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