ノードのトポロジー管理ポリシーを制御する

近年、CPUやハードウェア・アクセラレーターの組み合わせによって、レイテンシーが致命的となる実行や高いスループットを求められる並列計算をサポートするシステムが増えています。このようなシステムには、通信、科学技術計算、機械学習、金融サービス、データ分析などの分野のワークロードが含まれます。このようなハイブリッドシステムは、高い性能の環境で構成されます。

最高のパフォーマンスを引き出すために、CPUの分離やメモリーおよびデバイスの位置に関する最適化が求められます。しかしながら、Kubernetesでは、これらの最適化は分断されたコンポーネントによって処理されます。

トポロジーマネージャー はKubeletコンポーネントの1つで最適化の役割を担い、コンポーネント群を調和して機能させます。

始める前に

Kubernetesクラスターが必要、かつそのクラスターと通信するためにkubectlコマンドラインツールが設定されている必要があります。 このチュートリアルは、コントロールプレーンのホストとして動作していない少なくとも2つのノードを持つクラスターで実行することをおすすめします。 まだクラスターがない場合、minikubeを使って作成するか、 以下のいずれかのKubernetesプレイグラウンドも使用できます:

• Killercoda
• Play with Kubernetes

トポロジーマネージャーはどのように機能するか

トポロジーマネージャー導入前は、KubernetesにおいてCPUマネージャーやデバイスマネージャーはそれぞれ独立してリソースの割り当てを決定します。 これは、マルチソケットのシステムでは望ましくない割り当てとなり、パフォーマンスやレイテンシーが求められるアプリケーションは、この望ましくない割り当てに悩まされます。 この場合の望ましくない例として、CPUやデバイスが異なるNUMAノードに割り当てられ、それによりレイテンシー悪化を招くことが挙げられます。

トポロジーマネージャーはKubeletコンポーネントであり、信頼できる情報源として振舞います。それによって、他のKubeletコンポーネントはトポロジーに沿ったリソース割り当ての選択を行うことができます。

トポロジーマネージャーは Hint Providers と呼ばれるコンポーネントのインターフェースを提供し、トポロジー情報を送受信します。トポロジーマネージャーは、ノード単位のポリシー群を保持します。ポリシーについて以下で説明します。

トポロジーマネージャーは Hint Providers からトポロジー情報を受け取ります。トポロジー情報は、利用可能なNUMAノードと優先割り当て表示を示すビットマスクです。トポロジーマネージャーのポリシーは、提供されたヒントに対して一連の操作を行い、ポリシーに沿ってヒントをまとめて最適な結果を得ます。もし、望ましくないヒントが保存された場合、ヒントの優先フィールドがfalseに設定されます。現在のポリシーでは、最も狭い優先マスクが優先されます。

選択されたヒントはトポロジーマネージャーの一部として保存されます。設定されたポリシーにしたがい、選択されたヒントに基づいてノードがPodを許可したり、拒否することができます。 トポロジーマネージャーに保存されたヒントは、Hint Providers が使用しリソース割り当てを決定します。

トポロジーマネージャーの機能を有効にする

トポロジーマネージャーをサポートするには、TopologyManager フィーチャーゲートを有効にする必要があります。Kubernetes 1.18ではデフォルトで有効です。

トポロジーマネージャーのスコープとポリシー

トポロジーマネージャは現在:

• 全てのQoAクラスのPodを調整する
• Hint Providerによって提供されたトポロジーヒントから、要求されたリソースを調整する

これらの条件が合致した場合、トポロジーマネージャーは要求されたリソースを調整します。

この調整をどのように実行するかカスタマイズするために、トポロジーマネージャーは2つのノブを提供します: スコープ とポリシーです。

スコープはリソースの配置を行う粒度を定義します(例:podやcontainer)。そして、ポリシーは調整を実行するための実戦略を定義します(best-effort, restricted, single-numa-node等)。

現在利用可能なスコープとポリシーの値について詳細は以下の通りです。

トポロジーマネージャーのスコープ

トポロジーマネージャーは、以下の複数の異なるスコープでリソースの調整を行う事が可能です:

• container (デフォルト)
• pod

いずれのオプションも、--topology-manager-scopeフラグによって、kubelet起動時に選択できます。

containerスコープ

containerスコープはデフォルトで使用されます。

このスコープでは、トポロジーマネージャーは連続した複数のリソース調整を実行します。つまり、Pod内の各コンテナは、分離された配置計算がされます。言い換えると、このスコープでは、コンテナを特定のNUMAノードのセットにグループ化するという概念はありません。実際には、トポロジーマネージャーは各コンテナのNUMAノードへの配置を任意に実行します。

コンテナをグループ化するという概念は、以下のスコープで設定・実行されます。例えば、podスコープが挙げられます。

podスコープ

podスコープを選択するには、コマンドラインで--topology-manager-scope=podオプションを指定してkubeletを起動します。

このスコープでは、Pod内全てのコンテナを共通のNUMAノードのセットにグループ化することができます。トポロジーマネージャーはPodをまとめて1つとして扱い、ポッド全体（全てのコンテナ）を単一のNUMAノードまたはNUMAノードの共通セットのいずれかに割り当てようとします。以下の例は、さまざまな場面でトポロジーマネージャーが実行する調整を示します:

• 全てのコンテナは、単一のNUMAノードに割り当てられます。
• 全てのコンテナは、共有されたNUMAノードのセットに割り当てられます。

Pod全体に要求される特定のリソースの総量は有効なリクエスト／リミットの式に従って計算されるため、この総量の値は以下の最大値となります。

• 全てのアプリケーションコンテナのリクエストの合計。
• リソースに対するinitコンテナのリクエストの最大値。

podスコープとsingle-numa-nodeトポロジーマネージャーポリシーを併用することは、レイテンシーが重要なワークロードやIPCを行う高スループットのアプリケーションに対して特に有効です。両方のオプションを組み合わせることで、Pod内の全てのコンテナを単一のNUMAノードに配置できます。そのため、PodのNUMA間通信によるオーバーヘッドを排除することができます。

single-numa-nodeポリシーの場合、可能な割り当ての中に適切なNUMAノードのセットが存在する場合にのみ、Podが許可されます。上の例をもう一度考えてみましょう:

• 1つのNUMAノードのみを含むセット - Podが許可されます。
• 2つ以上のNUMAノードを含むセット - Podが拒否されます(1つのNUMAノードの代わりに、割り当てを満たすために2つ以上のNUMAノードが必要となるため)。

要約すると、トポロジーマネージャーはまずNUMAノードのセットを計算し、それをトポロジーマネージャーのポリシーと照合し、Podの拒否または許可を検証します。

トポロジーマネージャーのポリシー

トポロジーマネージャーは4つの調整ポリシーをサポートします。--topology-manager-policyというKubeletフラグを通してポリシーを設定できます。 4つのサポートされるポリシーがあります:

• none (デフォルト)
• best-effort
• restricted
• single-numa-node

none ポリシー

これはデフォルトのポリシーで、トポロジーの調整を実行しません。

best-effort ポリシー

Pod内の各コンテナに対して、best-effort トポロジー管理ポリシーが設定されたkubeletは、各Hint Providerを呼び出してそれらのリソースの可用性を検出します。 トポロジーマネージャーはこの情報を使用し、そのコンテナの推奨されるNUMAノードのアフィニティーを保存します。アフィニティーが優先されない場合、トポロジーマネージャーはこれを保存し、Podをノードに許可します。

Hint Providers はこの情報を使ってリソースの割り当てを決定します。

restricted ポリシー

Pod内の各コンテナに対して、restricted トポロジー管理ポリシーが設定されたkubeletは各Hint Providerを呼び出してそれらのリソースの可用性を検出します。 トポロジーマネージャーはこの情報を使用し、そのコンテナの推奨されるNUMAノードのアフィニティーを保存します。アフィニティーが優先されない場合、トポロジーマネージャーはPodをそのノードに割り当てることを拒否します。この結果、PodはPodの受付失敗となりTerminated 状態になります。

Podが一度Terminated状態になると、KubernetesスケジューラーはPodの再スケジューリングを試み ません 。Podの再デプロイをするためには、ReplicasetかDeploymenを使用してください。Topology Affinityエラーとなったpodを再デプロイするために、外部のコントロールループを実行することも可能です。

Podが許可されれば、 Hint Providers はこの情報を使ってリソースの割り当てを決定します。

single-numa-node ポリシー

Pod内の各コンテナに対して、single-numa-nodeトポロジー管理ポリシーが設定されたkubeletは各Hint Prociderを呼び出してそれらのリソースの可用性を検出します。 トポロジーマネージャーはこの情報を使用し、単一のNUMAノードアフィニティが可能かどうか決定します。 可能な場合、トポロジーマネージャーは、この情報を保存し、Hint Providers はこの情報を使ってリソースの割り当てを決定します。 不可能な場合、トポロジーマネージャーは、Podをそのノードに割り当てることを拒否します。この結果、Pod は Pod の受付失敗となりTerminated状態になります。

Podが一度Terminated状態になると、KubernetesスケジューラーはPodの再スケジューリングを試みません。Podの再デプロイをするためには、ReplicasetかDeploymentを使用してください。Topology Affinityエラーとなったpodを再デプロイするために、外部のコントロールループを実行することも可能です。

Podとトポロジー管理ポリシーの関係

以下のようなpodのSpecで定義されるコンテナを考えます:

spec:
  containers:
  - name: nginx
    image: nginx

requestsもlimitsも定義されていないため、このPodはBestEffortQoSクラスで実行します。

spec:
  containers:
  - name: nginx
    image: nginx
    resources:
      limits:
        memory: "200Mi"
      requests:
        memory: "100Mi"

requestsがlimitsより小さい値のため、このPodはBurstableQoSクラスで実行します。

選択されたポリシーがnone以外の場合、トポロジーマネージャーは、これらのPodのSpecを考慮します。トポロジーマネージャーは、Hint Providersからトポロジーヒントを取得します。CPUマネージャーポリシーがstaticの場合、デフォルトのトポロジーヒントを返却します。これらのPodは明示的にCPUリソースを要求していないからです。

spec:
  containers:
  - name: nginx
    image: nginx
    resources:
      limits:
        memory: "200Mi"
        cpu: "2"
        example.com/device: "1"
      requests:
        memory: "200Mi"
        cpu: "2"
        example.com/device: "1"

整数値でCPUリクエストを指定されたこのPodは、requestsがlimitsが同じ値のため、GuaranteedQoSクラスで実行します。

spec:
  containers:
  - name: nginx
    image: nginx
    resources:
      limits:
        memory: "200Mi"
        cpu: "300m"
        example.com/device: "1"
      requests:
        memory: "200Mi"
        cpu: "300m"
        example.com/device: "1"

CPUの一部をリクエストで指定されたこのPodは、requestsがlimitsが同じ値のため、GuaranteedQoSクラスで実行します。

spec:
  containers:
  - name: nginx
    image: nginx
    resources:
      limits:
        example.com/deviceA: "1"
        example.com/deviceB: "1"
      requests:
        example.com/deviceA: "1"
        example.com/deviceB: "1"

CPUもメモリもリクエスト値がないため、このPodは BestEffort QoSクラスで実行します。

トポロジーマネージャーは、上記Podを考慮します。トポロジーマネージャーは、Hint ProvidersとなるCPUマネージャーとデバイスマネージャーに問い合わせ、トポロジーヒントを取得します。

整数値でCPU要求を指定されたGuaranteedQoSクラスのPodの場合、staticが設定されたCPUマネージャーポリシーは、排他的なCPUに関するトポロジーヒントを返却し、デバイスマネージャーは要求されたデバイスのヒントを返します。

CPUの一部を要求を指定されたGuaranteedQoSクラスのPodの場合、排他的ではないCPU要求のためstaticが設定されたCPUマネージャーポリシーはデフォルトのトポロジーヒントを返却します。デバイスマネージャーは要求されたデバイスのヒントを返します。

上記のGuaranteedQoSクラスのPodに関する2ケースでは、noneで設定されたCPUマネージャーポリシーは、デフォルトのトポロジーヒントを返却します。

BestEffortQoSクラスのPodの場合、staticが設定されたCPUマネージャーポリシーは、CPUの要求がないためデフォルトのトポロジーヒントを返却します。デバイスマネージャーは要求されたデバイスごとのヒントを返します。

トポロジーマネージャーはこの情報を使用してPodに最適なヒントを計算し保存します。保存されたヒントは Hint Providersが使用しリソースを割り当てます。

既知の制限

1. トポロジーマネージャーが許容するNUMAノードの最大値は8です。8より多いNUMAノードでは、可能なNUMAアフィニティを列挙しヒントを生成する際に、生成する状態数が爆発的に増加します。

2. スケジューラーはトポロジーを意識しません。そのため、ノードにスケジュールされた後に実行に失敗する可能性があります。