cpusets-controller

基于节点cpu精细化调度：cpusets-controller

问：在 Kubernetes 中，运行多个集群节点是否存在隐藏成本？ 答：是的，因为并非 Kubernetes 节点中的所有 CPU 和 Memory 都可用于运行 Pod。

在一个 Kubernetes 节点中，CPU 和 Memory 分为：

• 操作系统
• Kubelet、CNI、CRI、CSI（+ 系统守护进程）
• Pods
• 驱逐门槛(Hard Eviction threshold)

Kubelet 原生的CPU Manager 对于每一次Pod调度 binding 到 Node 时, 都会将计算 Node CPU是否够用

Node预留CPU资源 reservedCPUs = KubeReservedCPUs + SystemReservedCPUs + HardEvictionThresholds ， 并向上取整，最终最为reserved cpus

虽然，对预留资源做了限制，但对于具体的核没有做到绑核运行。如果需要对Pod进行绑核、亲核部署 就再精细化实现了

场景

如果需要对 kubernetes 中使用 CPU 管理器 进行如下更加精细化管理：

• 解决在一个容器中可以同时使用独占cpu和共享cpu
• 支持conatiner级别 core亲和 和 绑核
• 兼容历史申请资源，优雅cgroup cpu驱逐
• 独占CPU支持 绑核

解决 传统应用上云，特定业务绑核运行 和 核心业务分级CPU亲和（CPU Arrinity）部署

方案

方案一：kubelet 的 cm上直接扩展

直接在 Kubelet中，添加CPUSets对象中，添加DeviceID 和具体拓扑使用，并记录到CheckPoints文件中。

优势：性能优，并且与Kubelet预分配资源做到协同 缺点：

• 1）更改原生代码，非云原生；
• 2）多Kubernetes管理和升级复杂；
• 3）Kubernetes社区难落地，抽象和迭代困难

方案二：做云原生调度插件，替换/选用 kubelet CPU Manager 逻辑

Cpusets Controller 提供一种 Kubernetes 的设备插件，将 CPU 内核作为可 Device 的 Kubernetes 调度程序.

支持三种类型的 CPU 管理：

• CPU独占
• CPU共享
• CPU默认（兼容默认cpu方式）

包含 3 个核心组件：

• device plugin: Kubernetes 标准Device插件，将 CPU 池作为可调度资源无缝集成到 Kubernetes
• controller: Kubernetes 标准 Informer，确保属于不同 CPU Pooler 的容器始终在物理上相互隔离管理和设置
• webhook: 准入 Webhook验证, 校验 CPU 池特定的用户请求是否合法

Device Plugin 的工作是通过现有的 Device Plugin API 将 cpu分配 作为可消耗资源注册给 Kubelet. Device Plugin 将 CPU 作为包含物理CPU ID列表的环境变量传递给容器。默认情况下，应用程序可以根据给定的 CPU 列表设置其进程 CPU 亲和力，或者可以将其留给标准的 Linux Completely Fair Scheduler。对于应用程序未实现设置其进程的 CPU 亲和力的功能的边缘情况，CPU Pool提供了代表应用程序设置它的机制。通过将应用程序进程信息配置到其 Pod 规范的注释字段来启用此选择加入功能。

Webhook: 以根据启动二进制文件（安装、环境变量等）的需要来改变 Pod 的规范。

Controller 子组件通过 Linux cpusets 实现容器的完全物理分离。通过 Informer 不断地监视 Kubernetes 的 Pod API，并在创建 Pod 或更改其状态（例如重新启动等）时触发。 shared 在共享的情况下，或者默认情况下容器没有明确要求任何池化资源。Controller 然后将计算出的集合提供给容器的 cgroupfs 文件系统 (cpuset.cpus) 。

优势：

• 1)对CPU进一步池化，实现部分绑核能力；
• 2)对现有的部署不影响
• 3)特定绑核使用，使大颗粒高性能服务可上云；

缺点：

• 1)default 与 shared共享问题
• 2)Kubelet CPU Manager 与 CPUSet Controller协同问题