K8s 如何启用 cgroup2 支持?

什么是 cgroup

📚️Reference:

control groups(控制组)，通常被称为 cgroup，是 Linux 内核的一项功能。它允许将进程组织成分层的组，然后限制和监控各种资源的使用。 内核的 cgroup 接口是通过一个叫做 cgroupfs 的伪文件系统提供的。 分组是在核心的 cgroup 内核代码中实现的，而资源跟踪和限制是在一组每个资源类型的子系统中实现的（内存、CPU 等等）。

cgroup 是容器和云原生的底层技术栈. kubelet 和 CRI 都需要对接 cgroup 来强制执行为 Pod 和容器管理资源，即: requests/limits 和 cpu/memory。

Linux 中有两个 cgroup 版本：cgroup v1 和 cgroup v2。cgroup v2 是新一代的 cgroup API。

Kubernetes 自 v1.25 起 cgroup2 特性正式 stable.

cgroup v2 有哪些优势

📚️Reference:

cgroup v2 提供了一个具有增强资源管理能力的统一控制系统。

cgroup v2 对 cgroup v1 进行了多项改进，例如：

• API 中单个统一的层次结构设计
• 更安全的子树委派给容器
• 更新的功能特性， 例如 压力阻塞信息（Pressure Stall Information，PSI）
• 跨多个资源的增强资源分配管理和隔离
  • 统一核算不同类型的内存分配（网络内存、内核内存等）
  • 考虑非即时资源变化，例如页面缓存回写

一些 Kubernetes 特性专门使用 cgroup v2 来增强资源管理和隔离。 例如，MemoryQoS 特性改进了内存 QoS 并依赖于 cgroup v2 原语。

使用 cgroup v2 前提

📚️Reference:

cgroup v2 具有以下要求：

• 操作系统发行版启用 cgroup v2
  • Ubuntu（从 21.10 开始，推荐 22.04+）
  • Debian GNU/Linux（从 Debian 11 Bullseye 开始）
  • Fedora（从 31 开始）
  • RHEL 和类似 RHEL 的发行版（从 9 开始）
  • …
• Linux 内核为 5.8 或更高版本
• 容器运行时支持 cgroup v2。例如：
  • containerd v1.4 和更高版本
  • cri-o v1.20 和更高版本
• kubelet 和容器运行时被配置为使用 systemd cgroup 驱动

使用 cgroup v2

📝Notes:

这里以 Debian 11 Bullseye + containerd v1.4 为例.

启用并检查 Linux 节点的 cgroup v2

Debian 11 Bullseye 默认已启用 cgroup v2.

可以通过如下命令验证:

stat -fc %T /sys/fs/cgroup/

• 对于 cgroup v2，输出为 cgroup2fs。
• 对于 cgroup v1，输出为 tmpfs。

如果没有启用, 可以通过在 /etc/default/grub 下的 GRUB_CMDLINE_LINUX 中添加 systemd.unified_cgroup_hierarchy=1， 然后执行 sudo update-grub

📝Notes:
如果是树莓派, 标准 Raspberry Pi OS 安装时不会启用 cgroups。 需要 cgroups 来启动 systemd 服务。可以通过将 cgroup_memory=1 cgroup_enable=memory systemd.unified_cgroup_hierarchy=1 附加到 /boot/cmdline.txt 来启用 cgroups。
并重启生效

kubelet 使用 systemd cgroup 驱动

kubeadm 支持在执行 kubeadm init 时，传递一个 KubeletConfiguration 结构体。 KubeletConfiguration 包含 cgroupDriver 字段，可用于控制 kubelet 的 cgroup 驱动。

说明： 在版本 1.22 中，如果用户没有在 KubeletConfiguration 中设置 cgroupDriver 字段， kubeadm init 会将它设置为默认值 systemd。

这是一个最小化的示例，其中显式的配置了此字段：

# kubeadm-config.yaml
kind: ClusterConfiguration
apiVersion: kubeadm.k8s.io/v1beta3
kubernetesVersion: v1.21.0
---
kind: KubeletConfiguration
apiVersion: kubelet.config.k8s.io/v1beta1
cgroupDriver: systemd

这样一个配置文件就可以传递给 kubeadm 命令了：

kubeadm init --config kubeadm-config.yaml

说明：

Kubeadm 对集群所有的节点，使用相同的 KubeletConfiguration。 KubeletConfiguration 存放于 kube-system 命名空间下的某个 ConfigMap 对象中。

执行 init、join 和 upgrade 等子命令会促使 kubeadm 将 KubeletConfiguration 写入到文件 /var/lib/kubelet/config.yaml 中， 继而把它传递给本地节点的 kubelet。

containerd 使用 systemd cgroup 驱动

编辑 /etc/containerd/config.toml:

[plugins.cri.containerd.runtimes.runc.options]
    SystemdCgroup = true

升级监控组件以支持 cgroup v2 监控

📚️Reference:

cgroup v2 使用一个与 cgroup v1 不同的 API，因此如果有任何应用直接访问 cgroup 文件系统， 则需要将这些应用更新为支持 cgroup v2 的版本。例如：

• 一些第三方监控和安全代理可能依赖于 cgroup 文件系统。你要将这些代理更新到支持 cgroup v2 的版本。
• 如果以独立的 DaemonSet 的形式运行 cAdvisor 以监控 Pod 和容器， 需将其更新到 v0.43.0 或更高版本。
• 如果你使用 JDK，推荐使用 JDK 11.0.16 及更高版本或 JDK 15 及更高版本， 以便 完全支持 cgroup v2。

完成🎉🎉🎉

总结

Kubernetes 自 v1.25 起 cgroup2 特性正式 stable. cgroup2 相比 cgroup v1 有以下优势:

• API 中单个统一的层次结构设计
• 更安全的子树委派给容器
• 更新的功能特性， 例如 压力阻塞信息（Pressure Stall Information，PSI）
• 跨多个资源的增强资源分配管理和隔离
  • 统一核算不同类型的内存分配（网络内存、内核内存等）
  • 考虑非即时资源变化，例如页面缓存回写

推荐在使用 Kubernetes v1.25 及以上版本时, 使用支持 cgroup v2 的 linux 和 CRI. 并启用 Kubernetes 的 cgroup v2 功能.

📚️参考文档

• 关于 cgroup v2 | Kubernetes
• 配置 cgroup 驱动 | Kubernetes
• 容器运行时 | Kubernetes