Kubernetes的Device Plugin设计解读

摘要： Kubernetes的生态地位已经确立，可扩展性将是其发力的主战场。异构计算作为非常重要的新战场，Kubernetes非常重视。而异构计算需要强大的计算力和高性能网络，需要提供一种统一的方式与GPU、FPGA、NIC、InfiniBand等高性能硬件集成。

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Kubernetes的Device Plugin设计解读

最近在调研Kubernetes的GPU调度和运行机制，发现传统的alpha.kubernetes.io/nvidia-gpu即将在1.11版本中下线，和GPU相关的调度和部署的代码将彻底从主干代码中移除。

取而代之的是通过Extended Resource+Device Plugin两个Kubernetes的内置模块，外加由设备提供商实现的相应Device Plugin, 完成从设备的集群级别调度至工作节点，到设备与容器的实际绑定。

首先思考的第一个问题是为什么进入alpha.kubernetes.io/nvidia-gpu主干一年之久的GPU功能彻底移除？

1.OutOfTree是Kubernetes一个很好的理念，之前的Cloud Provider的重构也是类似的工作。对于Kubernetes来说，不做瑞士军刀，专注于自身核心和通用能力，而将像GPU，InfiniBand,FPGA和公共云能力的工作完全交给社区和领域专家。这样一方面可以降低软件自身使用的复杂度，减小稳定性风险，另外OutOfTree分开迭代也能够更灵活实现的功能升级。
2.而开放的软件架构设计和标准也调动了社区参与的积极性，而活跃的社区其实是Kubernetes打赢容器调度框架之战的核心法宝。

先来简要介绍一下kubernetes这两个模块：

Extended Resource: 一种自定义资源扩展的方式，将资源的名称和总数量上报给API server，而Scheduler则根据使用该资源pod的创建和删除，做资源可用量的加减法，进而在调度时刻判断是否有满足资源条件的节点。目前这里的Extended Resource的增加和减少单元必须是整数，比如你可以分配1个GPU，但是不能分配0.5个GPU。该功能由于只是替代了Opaque integer resources,做了些更名的工作，所以在1.8已经是稳定的状态了。但是当integer这个关键词被移除，也引发我们的想象，未来会不会有0.5存在的可能性？
Device Plugin：通过提供通用设备插件机制和标准的设备API接口。这样设备厂商只需要实现相应的API接口，无需修改Kubelet主干代码，就可以实现支持GPU、FPGA、高性能 NIC、InfiniBand 等各种设备的扩展。该能力在Kubernetes 1.8和1.9版本处于Alpha版本，在1.10会进入Beta版本。
应该说这个功能目前还比较新，需要通过feature gate打开, 即配置 --feature-gates=DevicePlugins=true

Device Plugin的设计:

API设计：
实际上Device plugins实际上是简单的grpc server，需要实现以下两个方法 ListAndWatch和Allocate，并监听在/var/lib/kubelet/device-plugins/目录下的Unix Socket，比如/var/lib/kubelet/device-plugins/nvidia.sock

service DevicePlugin {
    // returns a stream of []Device
    rpc ListAndWatch(Empty) returns (stream ListAndWatchResponse) {}
    rpc Allocate(AllocateRequest) returns (AllocateResponse) {}
}

其中：

ListAndWatch: Kubelet会调用该API做设备发现和状态更新（比如设备变得不健康）
Allocate: 当Kubelet创建要使用该设备的容器时， Kubelet会调用该API执行设备相应的操作并且通知Kubelet初始化容器所需的device，volume和环境变量的配置。

插件生命周期管理：
1.插件启动时，以grpc的形式通过/var/lib/kubelet/device-plugins/kubelet.sock向Kubelet注册，同时提供插件的监听Unix Socket，API版本号和设备名称（比如nvidia.com/gpu）。Kubelet将会把这些设备暴露到Node状态中，以Extended Resource的要求发送到API server中，后续Scheduler会根据这些信息进行调度。
2.插件启动后，Kubelet会建立一个到插件的listAndWatch长连接，当插件检测到某个设备不健康的时候，就会主动通知Kubelet。此时如果这个设备处于空闲状态，Kubelet就会将其挪出可分配列表；如果该设备已经被某个pod使用,Kubelet就会将该Pod杀掉
3.插件启动后可以利用Kubelet的socket持续检查Kubelet的状态，如果Kubelet重启，插件也会相应的重启，并且重新向Kubelet注册自己

Kubernetes的Device Plugin设计解读

部署方式

一般可以支持daemonset和非容器化的部署，目前官方推荐使用deamonset部署。

实现样例

Nvidia 的官方GPU插件
NVIDIA 提供了一个基于 Device Plugins 接口的 GPU 设备插件NVIDIA/k8s-device-plugin, 从用户角度变得更加简单了。比起传统的alpha.kubernetes.io/nvidia-gpu，不再需要使用volumes指定CUDA需要使用的库。

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment

metadata:
  name: tf-notebook
  labels:
    app: tf-notebook

spec:

  template: # define the pods specifications
    metadata:
      labels:
        app: tf-notebook

    spec:
      containers:
      - name: tf-notebook
        image: tensorflow/tensorflow:1.4.1-gpu-py3
        resources:
          limits:
            nvidia.com/gpu: 1

Google GCP GPU插件

GCP也提供了一个GPU设备插件实现，但是只支持运行在Google Container Engine的平台上，可以通过container-engine-accelerators了解

Solarflare NIC 插件

网卡造商Solarflare也实现了自己的设备插件sfc-device-plugin，可以通过demo体验用户感受。

总结

Kubernetes的生态地位已经确立，可扩展性将是其发力的主战场。异构计算作为非常重要的新战场，Kubernetes非常重视。而异构计算需要强大的计算力和高性能网络，需要提供一种统一的方式与GPU、FPGA、NIC、InfiniBand等高性能硬件集成。而Device Plugin是Kubernetes给出的答案，还是非常简单优雅的，虽然还在演进之中，但是未来可期。阿里云容器服务随后也会推出基于device plugin的Kubernetes GPU 1.9.3集群，敬请期待。

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