如何利用Kubernetes集群提升资源利用率？

导语 | 近日，云+社区技术沙龙“高效智能运维”圆满落幕。本期沙龙围绕运维展开了一场技术盛宴，从AIOps、Serverless DevOps、蓝鲸PaaS平台、K8S等分享关于业务运维的技术实践干货，同时带来腾讯海量业务自研上云实践，推动传统运维向云运维转型。本文是庄鹏锐老师关于腾讯云内部平台STKE是如何提升平台资源利用率的内容分享。

一、为什么集群资源利用率会不够高？

首先我们来分析一下，为什么集群资源利用率会不够高？其中大概会归纳为以下几个方向。

第一个是Node节点资源的碎片。在我们那么多的集群里面会发现，往往分配比整个集群到90%多的时候，就会创建不了Pod了，其实每个Node都会有一些零碎的资源。

第二点，Pod Resource配置不合理。业务在创建Pod的时候，都不清楚自己到底要设多少，所以往往会设很大，从而造成资源的浪费，而且他们的比例设置的requests和limits得也不太合适。

第三点，WorkLoad/HPA 副本数设置不合理。就是我们workload的副本数。很多人在上云的过程中，很多人不知道自己要设置多少的副本才合适，在这里面，也涉及到一个最小副本数设计多大才是合理的。

第四点，业务的空闲时间。我们会发现很多业务都是有它固定的特性，比如说游戏，我们会发现晚上会有一个使用高峰期，而在我们白天上班期间，资源使用率相对会低些。

二、解决方案

下图展示了我们在这些方面做的一些优化要点。

第一个是对Pod的压缩，这里主要是对Pod的resource资源中requests进行压缩。第二个是Node超卖，让Node可以调度进来跟多Pod。第三个是对HPA改造，我们称为HPAPlus组件，第四个是对VPA改造实践，我们称为VPAPlus，第五个是动态调度，动态调度根据实际的集群资源负载情况对Scheduler的优选环节得分进行调整，以得到实际最适合部署Pod的Node节点。这里最后一个是碎片处理，这个会讲为刚才说的存在的会浪费资源的问题。这一块主要是去检测整个集群资源分布的情况，然后进行重调度。下面重点介绍前4点。

1. Pod压缩

首先我们讲一下Pod的资源压缩。

这里有个前提条件，在于limits我们给用户保证的是一个资源值，就是单个Pod最多能够使用多少核CPU和多少G内存。Request会影响调度，调度时会scheduler组件会使用每一个node中的可分配资源和已分配的Pod Requests做来计算。当已分配requests等于或者接近于可分配资源的话，那就不会再调度Pod进来了。它主要解决的是Pod本身的一个资源的调整。

这里我们主要做的是当创建一个Pod的时候，会设计一个ratio值，当用户有Pod创建请求过来的时候，我们会帮他篡改Pod的数据，然后按照我们设计的比例，用Pod的限制来设计Pod的request值，所以无论这个值设的多少，最后都会被我们改掉。这样子做的原因就是为了将requests和limits拉开一定的空间，从而达到超卖的效果。

实现原理我们可以看这张图的下角，最下的一条横的流程，这条流程其实就是kube-apiserver收到请求的时候，会经过什么样的处理流程。可以看到，首先是经过认证授权，然后进入到Mutating Admission Controller机制，这个机制去访问后端的一个服务，由这个服务来修改数据，再返回给它。然后再把修改完的数据保存到Etcd里面，所以最终创建Pod的数据是被我们篡改过的。流程中最后两点就是合法性校验了，和上面Mutating Admission Controller机制是差不多的，比如说我这个请求是否超过了nod的最大数或者是超过了所设计的值。

通过这样的方式，我们就把整个集群的资源的request给压缩下来，当request压缩下来之后，我们就可以创建跟多的Pod。这样子做有一个很大的原因是我们是将修改workload权限开放给了对应用户，所以有的用户会乱改workload资源配置。

2.Node超卖

然后是Node超卖，kubelet默认每隔10秒就会重新计算自身Node的可分配的资源并发生一个patch的请求给kube-apiserver，来上报自身的状态。

在这个过程中，我们主要做两个方面的实践，第一是由一个组件，通过Prometheus来获取Node历史使用数据，然后根据node当前的资源分配和使用情况来自动计算超卖比例。比如当Node资源已分配非常多，但是使用率又相对比较低的时候，我们认为这个Node的实际利用率很低，可以进行超卖。第二点就是跟上面Pod超卖类型，根据Mutating Admission Controller机制，在kubelet每隔10秒默认的周期发生Patch请求时，根据上述计算出来的超卖比例，对Node可分配资源进行修改。

3.HPAplus

第三个是HPAplus，实际上它是基于原本的HPA，我们把原生的controller-manager中HPA逻辑全部抽出来，做成一个独立的组件，并进行相应的改造。在K8s里面，需要controller-manager中HPA功能给关掉，因为两者会冲突。为什么将它抽出来呢？其实有两个原因。一个是它在HPA本身的性能不是很高，需要进行改造。第二个，我们并不想去大规模改动k8s的本身的代码，避免以后和社区方向偏差越来越大，不好升级。

我们的HPAPlus做了哪些方面的工作呢？首先看图中左边这三栏：第一个监控数据还是来自metrics server，跟原生的没有区别。第二个监控的数据来源是通过Pormetheus获取，主要是除CPU、memory外的其它基础监控指标。第三个是由于我们自己公司内部有非常多的业务的监控系统，原本不是云原生的，而是存量就有的，所以这里我们需要去写一个adapt，然后将这些数据报上去，从而实现支持业务指标的HPA，比如说连接数、TPS等等。当然更多的还是一些基础数据，主要是扩展了CPU和memory之外的一些数据。所有的数据都通过一个类似Adater的组件去暴露给kube-apiserver，而HPAPlus-Controller会根据这些数据计算出workload所需要的副本数。

相关特性如下图所示，下面依次讲解。

第一个是一个HPA一个goroutine，当我们的集群规模非常非常大的时候，如果按原生HPA是一个单进程去处理完所有的HPA的话，相对来说，性能是很低的，所以这里是做到了一个HPA的一个goroutine。

第二点是刚才我们讲的，支持各种的跟进数据来做HPA这样的功能。第三点和第四点分别我们做到了HPA级别的同步时间，比如说A HPA是可以设置它每隔10秒同步一次，B HPA可以每隔15秒同步一次。

第三点是抑制时间，在HPA扩缩容后，我不想它在一定时间内太频繁地扩缩容。

第四点是我们之前的两种计算方式，在原有的HPA里面，是只支持request，然后在扩缩容的时候，原生HPA是根据整个workload对Pod的requests作为计算副本数的分母，而我们在这里同时支持了limits，因为我们给用户保障的是limits的值。而且我们在前面对Pod进行了压缩，如果使用requests做的扩容，而又将将request压缩之后，用户可能设了触发阈值为50%，这时到达原来的25%就扩容了，所以这一块我们是用limit来做的。

第五点就是CronHPA，可以再设定的时间段对workload进行扩缩容，这个主要是为了避免业务访问量大量增长时扩容速度更不上。最后一点是动态调整的最小副本数，这个在我们的整个提到集群利用率是很明显的效果，比如说我们之前是有发现有一些用户它的最小副本数就是设置了1000个，但是他的资源利用率就只有0.1%，这是一个很浪费资源的情况。我们在后台有一个服务，会根据历史的监控数据拿到我之前使用时间的合理值，然后根据资源的合理值去设置它的最小副本数。这时候如果我们发现那1000个最小副本数我们其实可以更新到2个。我们之前有一个集群已经分配满出去了，然后通过这个动态调整直接从90%可以降到60%。

4.VPAPlus

最后一个是VPAPlus。

这里面我们和社区版本最大的不同的点是社区版本是通过驱除掉Pod的方式去完成垂直伸缩，这个时间是很长的。

这里面可以涉及到的一些点是什么？我们的业务为了保证他的无损升级，基本上我们每个Pod都会设置一个优雅结束时间，接下来就是等待调度，拉取镜像等，再者就是Pod拉起后等到进程能正常提供服务，服务ready时间也是可能会形成一个很长的时间，所以如果通过驱逐Pod这样的方式去做的话，那么整个伸缩的时间我们认为是很难以接受的，因为VPA的特性应该是快速地响应。

所以，第一点我们是改了K8S的代码，改K8S的代码分为两个方面，第一方面是修改kube-apiserver的代码，因为它有一个合法性校验的逻辑，默认是拒绝直接修改Pod resource。第二点，是修改kubelet组件，在原有的逻辑里面是没有针对Pod update资源做更新，主要是更新code的一个操作，在kubelet 的sync loop中，我们添加了update resource的逻辑，并且对接了runtime相应的update 接口。首先是update了Pod cgroup配置，然后Update了Container Cgroup配置。这里面有一个比较值得注意的点就是，如果使用了dockerd，会发现默认的情况下面，在创建的时候，K8S会把memory limit和memory swap limit是设置为一比一的，而update接口是不管swap limit的。当我们的memory limit往上升的时候，如果的swap limit值不变，这时候更新cgroup memory limit是不成功的，这个是linux内核限制的。所以这里面也是稍微改了一下，我们直接将memory swap limit改成了不限制，因为k8s建议就是关闭了swap分区。

这里面分为几个组件，刚才讲的是K8S如何去做热更新或者是配置，然后我们看VPA，VPA如何去将整个流程创起来呢？我们可以从最下面开始看，首先是有recommender组件，可以通过我们的监控组件拿历史数据，实时数据是通过kube-apiserver的metics接口来拿的，然后去把拿到相应资源存到一个资源对象CheckPoint，checkpoint是一个直方图，它是按区间划分的。比如说memory 0-5M他就划为一个区间，然后5-10M又划为一个区间，依次类推，然后把拿到的值按区间存放计数，并根据时间间隔更新权重。然后根据它的数据来确定VPA的对象推荐值。包括有三个值，这个其实是一个分布比，最大的是95%，中间的是90%，最小的是50%，我们根据它计算出来的值，将计算出来的建议值存到了VPA里面。接着就是update-controller组件做的工作，根据VPA对象中的推荐值来update pod。社区版本里面也有一个类似这样的东西，但是一个是功能不满足，另外一个是性能不够好。所以我们按照controller的方式重新写了一个controller，这两面主要是两个逻辑，一个是实时监控VPA和Pod的更新，另外一个是update pod。首先我们会去实时watchVPA的情况，当watch到更新了VPA的时候，我们会根据VPA里面的值经过我们的逻辑计算，得出最终推荐值，然后再去update pod。

这里面我们还做了一些特性，一是上面讲过的动态调整Cgroup。二是requests 和limit比例设置，可以为每个VPA设定比例，然后limits是可以设置相应的比例乘以requests去设置的。第三是resource限制，因为调节的时候不可能无限调小也不可能无限调大，调得太大会导致超过整个node的资源的限制，或者是说占用了太多的资源导致难以接受。在计算的时候也会过滤一遍看看你更新的时候会不会超过Node。还有一个，对于VPA和checkpoint更新的时间，比如说我有一些业务想根据他非常短的时间内的监控值去计算。那有一些用户可能就想根据几天的数据值去计算。gc逻辑可以获取到对应VPA个性化配置，超过这个时间的，我就可以把所有的数据全部丢掉，重新生成新的数据。

另外一个是Pod对象的更新时间，我们会设置某一个Pod在多久内可以允许去更新一次，并且默认更新的比例超过0.1。最后一点是适配我们自身的资源分配、资源管理的方案去做，比如某个业务有多少核资源可以申请，但是你要是超过这个业务的配额，我也会直接把它拒绝掉，另外一个也是不能超过Node本身的可分配资源。

讲师介绍

庄鹏锐，腾讯云高级工程师。先后在唯品会，vivo，腾讯等公司从事Kubernetes云平台建设的工作。目前主要负责内部业务上Kubernets平台的相关方案设计和开发。

Q：您好，我想问一下K8S中间好多模块做了调整，后期升级的话是自动跳过还是怎么样呢？

A：对于我们来说，我们能够把它拿出来当做插件的话就会拿出来，因为这样就不会影响到以后核心组件的升级。另外一个是比如说我更新了kubelet代码，这一块是直接更新在kubelet代码里面的。这种情况我们腾讯云内部是有一个统一维护的版本，会合到这个版本里面，后期版本都会带有这方面的特性。

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