Linux Exchange in Kubernetes 1.32: Memory Management

Система свопу є основною та надзвичайно важливою функцією Linux, що надає численні переваги в сучасних середовищах. У Kubernetes 1.32 підтримка свопу для Linux була значно вдосконалена та розширена, що дозволяє більш гнучко управляти пам’яттю. Ця функція збільшує доступність пам’яті на вузлах, переміщаючи невикористані дані, захищає вузли від тимчасових сплесків пам’яті та зменшує ризик аварій Pods, коли вони досягають своїх меж пам’яті.

Спеціальна група інтересів вузлів у Kubernetes доклала значних зусиль для розробки цієї функції, вирішуючи давні проблеми та враховуючи відгуки фахівців з системного адміністрування та розробників з усього світу.

Історичний контекст та еволюція

До Kubernetes 1.22 kubelet не міг запуститися на вузлах з увімкненим свопом, переважно через труднощі в прогнозуванні використання пам’яті pods при активному свопі. Введення підтримки Alpha у версії v1.22 дозволило користувачам експериментувати з конфігурацією свопу, хоча й в обмежених та нестабільних умовах.

Перейдемо до Kubernetes 1.28, де підтримка свопу для Linux-вузлів була переведена в статус Beta. Це оновлення не лише стабілізувало функціональність, усунувши багато критичних помилок, але й інтегрувало підтримку cgroup v2. Випуск Beta ввів розширені сценарії тестування — моделюючи складний тиск на пам’ять на рівні вузлів — а також захоплюючі нові функції, такі як поведінка LimitedSwap, інструментування OpenMetrics через точку /metrics/resource та API для підсумків, доступний за адресою /stats/summary для VerticalPodAutoscalers.

З подальшими вдосконаленнями в останніх випусках, Kubernetes 1.32 знаменує собою істотний прогрес уперед. Поточні покращення зосереджені на стабільності вузлів, розширених можливостях налагодження та поліпшеннях юзабіліті, що прокладають шлях до повноцінного випуску GA (General Availability) у найближчому майбутньому.

Технічний глибокий аналіз: Як працює своп з cgroup v2

Kubelet тепер використовує Інтерфейс виконання контейнерів (CRI) для налаштування специфічних параметрів cgroup v2. Один з таких параметрів — memory.swap.max, який динамічно налаштовується в залежності від вибраної політики — чи то NoSwap (за замовчуванням), чи LimitedSwap. Цей параметр забезпечує, щоб контейнери працювали з чітко визначеним обсягом свопу, пропорційним їх запиту з пам’яті відносно загальної пам’яті вузла.

Режим LimitedSwap, зокрема, автоматично розраховує обмеження свопу за формулою:
(containerMemoryRequest / nodeTotalMemory) × totalPodsSwapAvailable. Це забезпечує прогнозованість в алокаціях пам’яті, особливо для Pods, що знаходяться в класі Burstable QoS. Pods з високим пріоритетом та ті, що підпадають під Guaranteed або BestEffort, обмежуються у використанні свопу, щоб забезпечити чутливість критичних системних процесів та уникнути впливу операцій свопу на продуктивність вузлів.

Конфігурація та деталі реалізації

Щоб увімкнути своп на Linux-вузлі, необхідно відповідним чином налаштувати kubelet. Встановіть поле failSwapOn на false у конфігураційному файлі або вимкніть застарілий прапорець командного рядка --fail-swap-on. Крім того, опцію memorySwap.swapBehavior можна налаштувати відповідно до бажаної поведінки, з двома основними режимами:

• NoSwap (за замовчуванням): дозволяється використання свопу лише не-Kubernetes процесами, такими як системні демоні.
• LimitedSwap: обережно розподіляє розраховану частину пам’яті свопу для навантажень Kubernetes, забезпечуючи, щоб лише не-високопріоритетні Burstable Pods могли скористатися простором свопу, зберігаючи при цьому обмеження безпеки.

Вузли, що працюють під cgroup v2, є обов’язковими для Kubernetes, щоб скористатися цими покращеннями. Для вузлів з cgroup v1 Kubernetes не дозволяє використання свопу для жодних навантажень, залишаючи своп лише для процесів системного рівня.

Практичне впровадження: Налаштування кластеру з увімкненим свопом за допомогою kubeadm

Адміністратори, які планують розгорнути кластер Kubernetes з увімкненим свопом, можуть ознайомитися з детальними інструкціями, використовуючи інструмент kubeadm. Звичайне налаштування включає:

• Створення своп-файлу (зашифрованого або незашифрованого) за допомогою команд fallocate, chmod, mkswap і swapon.
• Перевірка активації свопу за допомогою swapon -s або free.
• Гарантування, що своп увімкнено при завантаженні, або через запис у /etc/fstab, або через спеціальну одиницю systemd.

Приклад конфігураційного файлу kubeadm, kubeadm-config.yaml, надається, щоб продемонструвати, як налаштувати kubelet для вузлів з увімкненим свопом. Під час ініціалізації кластеру з kubeadm init --config kubeadm-config.yaml адміністратори можуть зауважити попередження, якщо своп налаштовано неправильно, але ці попередження очікується, будуть усунені в наступних випусках.

Моніторинг та метрики: Слідкування за використанням свопу

У Kubernetes 1.32 вдосконалені можливості моніторингу полегшують відстеження використання свопу. Метрики на рівні вузлів і контейнерів тепер доступні через:

• Точку /metrics/resource, що надає детальну статистику, корисну для Prometheus та інших систем моніторингу.
• Точку /stats/summary, що допомагає автоскейлерам, надаючи підсумкові дані про споживання ресурсів.

Крім того, додавання метрики machine_swap_bytes у cadvisor надає миттєвий огляд місткості свопу на кожному вузлі, що є важливим для діагностики проблем з продуктивністю або несподіваною поведінкою пам’яті. Інструменти, такі як Node Feature Discovery (NFD), також можуть бути використані для виявлення вузлів з наявним свопом, забезпечуючи видимість та легке усунення несправностей у великих кластерах.

Продуктивність, найкращі практики та застереження

Хоча увімкнення свопу може ефективно збільшити доступну пам’ять, це має свої компроміси. Операції свопу значно повільніші, ніж доступ до RAM, що означає, що велика залежність від свопу може призвести до вузьких місць в I/O. Це особливо помітно в хмарних середовищах, де IOPS можуть бути обмежені. Щоб зменшити ці ризики, адміністраторам рекомендується:

• Вимкнути своп для критично важливих демонів системи, таких як kubelet, щоб забезпечити їхню роботу на максимумі продуктивності, можливо, налаштувавши їхній cgroup, щоб обмежити своп (memory.swap.max=0).
• Використовувати спеціалізовані, швидкі (бажано SSD або NVMe) диски для свопу, щоб мінімізувати затримки I/O.
• Пріоритизувати I/O для системних частин, особливо в середовищах, де вузли зазнають високого тиску на диск.

Додаткові занепокоєння включають ризик “шумних сусідів”. Оскільки Kubernetes наразі не враховує використання свопу у своїх алгоритмах планування, активація свопу може призвести до перешкод у Pods, особливо коли виникають несподівані зразки споживання пам’яті.

Розширений аналіз: Безпека та майбутні вдосконалення

Безпека є важливим аспектом при налаштуванні свопу. Незашифрований своп може піддати ризику чутливі дані, які виводяться під тиском пам’яті. Тому настійно рекомендується налаштувати зашифрований своп, використовуючи утиліти, такі як cryptsetup. Хоча обробка зашифрованого свопу виходить за межі kubelet, це критично важлива настройка на рівні операційної системи для забезпечення конфіденційності даних.

З огляду на майбутнє, очікується, що наступні випуски не лише вдосконалять поточну реалізацію, але й значно покращать функціональність свопу. Заплановані вдосконалення включають:

• Сильніші політики вигнання, які можуть краще розрізняти між епізодичними сплесками пам’яті та стійким високим використанням.
• Розширена підтримка API, що пропонує більш детальний контроль та моніторинг операцій свопу на рівні контейнерів.
• Покращені можливості налагодження, щоб надати адміністраторам можливість діагностувати проблеми з пам’яттю в реальному часі.
• Краща інтеграція з механізмами автоскейлінгу, щоб забезпечити, що динамічне виділення свопу належним чином узгоджується з вимогами навантаження.

Думки експертів та участь громади

Експерти галузі високо оцінили ці вдосконалення, зазначаючи, що надійне управління свопом є ключовим для досягнення стабільних високощільних навантажень у хмарних середовищах. Розробники від великих хмарних постачальників вже розпочали тестування Kubernetes 1.32 у великих виробничих сценаріях, щоб перевірити його продуктивність під важкими навантаженнями.

Участь громади залишається ключовою. SIG Node регулярно проводить зустрічі та шукає відгуки щодо нових функцій свопу. Адміністратори та розробники запрошуються брати участь через канали Slack (#sig-node та #sig-node-swap) та поштовий список Kubernetes, що сприяє колаборативному діалогу, який постійно формує майбутнє управління пам’яттю у Kubernetes.

Висновок та погляд у майбутнє

Удосконалення підтримки свопу у Kubernetes 1.32 представляють собою основний зсув, що не лише вводить базове управління свопом, але й прокладає шлях до більш розвиненої парадигми управління пам’яттю. Ці покращення пропонують стабільний, надійний та зручний підхід, вирішуючи історичні недоліки та враховуючи сучасні вимоги розгортань у масштабах хмари.

Оскільки Kubernetes продовжує еволюціонувати, ми можемо чекати додаткових функцій та вдосконалень, які додатково оптимізують використання ресурсів, підвищують масштабованість та покращують загальну продуктивність вузлів — обнадійливе майбутнє як для системних адміністраторів, так і для розробників застосунків.

Дізнайтеся більше та долучайтеся

Для детальної технічної інформації, розширених параметрів конфігурації та останніх оновлень, будь ласка, ознайомтеся з офіційною документацією щодо підтримки свопу у Kubernetes. Додаткові відомості можна знайти у KEP-2400 та супутньому дизайнерському пропозиції.

Адміністратори та ентузіасти запрошуються приєднатися до обговорень громади на Slack або в поштовому списку, щоб поділитися досвідом, задати запитання та запропонувати вдосконалення для майбутніх випусків.

Додаткова секція: Розширені методи моніторингу

Окрім стандартних точок, сучасні стекові системи спостереження інтегруються з Kubernetes для надання реальних сповіщень та прогнозів на основі використання свопу. Використовуючи Prometheus разом з такими інструментами, як Grafana та Fluentd, оператори можуть налаштувати панелі, які візуалізують тенденції свопу, метрики пам’яті cgroup та затримки I/O. Як ці методи моніторингу розвиваються, вони надають командам можливість проактивно вирішувати потенційні вузькі місця, перш ніж вони вплинуть на виробничі навантаження.

Додаткова секція: Майбутня дорожня карта та вплив на галузь

Дивлячись уперед, розробники Kubernetes планують розширити функціональність підтримки свопу новими можливостями, такими як покращені алгоритми вигнання, краща інтеграція з контейнерно-специфічними обмеженнями свопу та уточнені політики планування, які враховують використання свопу. Очікується, що ці вдосконалення матимуть значний вплив на хмарні обчислення, особливо в управлінні високощільними розгортаннями вузлів, де ефективне використання пам’яті безпосередньо корелює з загальною продуктивністю та економічною ефективністю.