Kubernetes基于资源配额(ResourceQuota)进行资源管理

1、资源配额概述

当存在多个用户或团队共享数目国定的集群时，就需要考虑如果有人使用的资源可能会超出应有的份额带来的问题，资源配额(ResourceQuota)就是用来帮助集群管理员解决上述问题的工具。在Kubernetes集群中通过 ResourceQuota 对象定义每个命名空间(namespace)的资源配额，从而实现资源消耗总量的限制。 资源配额有两个作用：1）可以按类型限制命名空间(namespace)下所创建对象的数量；2）限制所消耗计算资源的总量。

资源配额的工作方式如下：

• 不同的团队在不同的命名空间下工作。 目前这是是非必须的，后续计划通过ACL (Access Control List 访问控制列表) 使其变为强制性的。
• 集群管理员为每个命名空间创建一个或多个资源配额对象。
• 用户在命名空间下创建资源 (pods、 services等)，同时配额系统会跟踪使用情况，来确保其不超过 资源配额中定义的硬性资源限额。
• 如果资源的创建或更新违反了配额约束，则请求会失败，并返回 HTTP状态码 403 FORBIDDEN ，以及说明违反配额 约束的信息。
• 如果命名空间下的计算资源 （如 cpu 和 memory）的配额被启用，则用户必须为这些资源设定请求值（request） 和约束值（limit），否则配额系统将拒绝Pod的创建。
  提示: 可使用 LimitRange 准入控制器来为没有设置计算资源需求的Pod设置默认值。 作为示例，请参考 演练 来避免这个问题。

下面是使用命名空间和配额构建策略的示例：

• 在具有 32 GiB 内存 和 16 核CPU资源的集群中， 允许A团队使用 20 GiB 内存 和 10 核的CPU资源， 允许B团队使用 10GiB 内存和 4 核的CPU资源， 并且预留 2GiB 内存和 2 核的CPU资源供将来分配。
• 限制 “testing” 命名空间使用 1 核CPU资源和 1GiB 内存。 允许 “production”命名空间使用任意数量。

在集群容量小于各命名空间配额总和的情况下，可能存在资源竞争。 Kubernetes采用先到先服务的方式处理这类问题。无论是资源竞争还是配额的变更都不会影响已经创建的资源。资源配额的支持在很多Kubernetes版本中是默认开启的。 当 apiserver 的 --admission-control= 参数中包含 ResourceQuota 时，资源配额会被启用。当namespace中存在一个 ResourceQuota 对象时，该namespace即开始实施资源配额管理。 一个namespace中最多只应存在一个 ResourceQuota 对象

2、资源配额所能管理的资源类型

在Kuberners中，资源配额能够对计算资源（CPU和内存）、存储资源、以及对资源对象的数量进行管理。

2.1 计算资源配额

用户可以对给定命名空间下的 计算资源 总量进行限制。配额机制所支持的资源类型：

2.2 存储资源配额

用户可以对给定命名空间下的存储资源总量进行限制。此外，还可以根据相关的存储类（Storage Class）来限制存储资源的消耗。

例如，如果一个操作人员针对 “黄金” 存储类型与 “铜” 存储类型设置配额，操作员可以 定义配额如下：

• gold.storageclass.storage.k8s.io/requests.storage: 500Gi
• bronze.storageclass.storage.k8s.io/requests.storage: 100Gi

2.3 对象数量配额

给定类型的对象数量可以被限制。 支持以下类型：

例如 pods 配额统计并保证单个namespace下创建 pods 的最大数量。用户可能希望在namespace中为pod设置配额，来避免有用户创建很多小的pod，从而耗尽集群提供的pod IP地址。

3、配额作用域

每个配额都有一组相关的作用域（scope），配额只会对作用域内的资源生效。当一个作用域被添加到配额中后，它会对作用域相关的资源数量作限制。 如配额中指定了允许（作用域）集合之外的资源，会导致验证错误。

BestEffort 作用域限制配额跟踪以下资源： pods

Terminating、 NotTerminating 和 NotBestEffort 限制配额跟踪以下资源：

• cpu
• limits.cpu
• limits.memory
• memory
• pods
• requests.cpu
• requests.memory

4、设置和查看资源配额示例

由于在资源配额是基于命名空间进行设置的，因此，在此示例中先创建一个名称为myspace的命名空间：

$ kubectl create namespace myspace

4.1 计算资源管理

下面是定义管理计算资源配额的YAML文件，在此文件中，资源配额管理的名称为computer-resources，pod的数量为4，cpu的需求数量为1核，cpu的限制数量为2核；内存的需求大小为1Gi，内存的限制大小为2Gi。

apiVersion: v1 
kind: ResourceQuota 
metadata: 
  name: compute-resources 
spec: 
  hard: 
    pods: "4" 
    requests.cpu: "1" 
    requests.memory: 1Gi 
    limits.cpu: "2" 
    limits.memory: 2Gi

通过下面的kubectl命令在myspaces命名空间下创建资源配额：

$ kubectl create -f ./compute-resources.yaml --namespace=myspace

在创建完资源配额后，通过执行下面的命令查看资源配额的详细信息：

$ kubectl describe quota compute-resources --namespace=myspace

Name: compute-resources 
Namespace: myspace 
Resource Used Hard 
-------- ---- ---- 
limits.cpu 0 2 
limits.memory 0 2Gi 
pods 0 4 
requests.cpu 0 1 
requests.memory 0 1Gi

4.1 资源对象数量管理

下面是定义管理资源对象数量配额的YAML文件，在此文件中，资源配额管理的名称为object-counts：

apiVersion: v1
kind: ResourceQuota
metadata:
  name: object-counts
spec:
  hard:
    configmaps: "10"
    persistentvolumeclaims: "4"
    replicationcontrollers: "20"
    secrets: "10"
    services: "10"
    services.loadbalancers: "2"

通过下面的kubectl命令在myspaces命名空间下创建资源配额：

$ kubectl create -f ./object-counts.yaml --namespace=myspace

在创建完资源配额后，通过执行下面的命令查看资源配额的详细信息：

$ kubectl describe quota object-counts --namespace=myspace 

Name: object-counts 
Namespace: myspace 
Resource Used Hard 
-------- ---- ---- 
configmaps 0 10 
persistentvolumeclaims 0 4
replicationcontrollers 0 20 
secrets 1 10 services 0 10 
services.loadbalancers 0 2

参考资料：

1.《资源配额》地址：https://kubernetes.io/zh/docs/concepts/policy/resource-quotas/

作者简介：
季向远，北京神舟航天软件技术有限公司。本文版权归原作者所有。