NUMA亲和性调度

背景信息

当节点运行许多CPU绑定的Pod时，工作负载可以迁移到不同的CPU核心，这取决于Pod是否被限制以及调度时哪些CPU核心可用。许多工作负载对此迁移不敏感，因此在没有任何干预的情况下工作正常。但是，在CPU缓存亲和性和调度延迟显著影响工作负载性能的工作负载中，kubelet允许替代CPU管理策略来确定节点上的一些放置首选项。

CPU Manager和拓扑管理器都是kubelet组件，但有以下限制：

• K8s默认调度器不感知NUMA拓扑。因此，可能会调度到不满足NUMA拓扑要求的节点上，然后工作负载实例启动失败。这对于Tensorflow作业来说是不可接受的。如果节点上有任何工作进程或ps失败，则作业将失败。
• 管理器是节点级的，导致无法匹配整个集群中NUMA拓扑的最佳节点。

更多资料请查看社区NUMA亲和性插件指导链接：https://github.com/volcano-sh/volcano/blob/master/docs/design/numa-aware.md

Volcano的目标是解决调度程序NUMA拓扑感知的限制，以便实现以下目标：

• 避免将Pod调度到NUMA拓扑不匹配的节点。
• 将Pod调度到NUMA拓扑的最佳节点。

支持范围

• 支持CPU资源拓扑调度
• 支持Pod级拓扑策略

调度预测

对于具有拓扑策略的Pod，需要预测匹配的节点列表。

图1 NUMA调度策略对比

调度优先级

不管是什么拓扑策略，都是希望把Pod调度到当时最优的节点上，这里通过给每一个节点进行打分的机制来排序筛选最优节点。

原则：尽可能把pod调度到需要跨numa节点最少的工作节点上。

打分公式如下：

score = weight * (100 - 100 * numaNodeNum / maxNumaNodeNum)

参数说明：

• weight：NUMA Aware Plugin的权重。
• numaNodeNum：表示工作节点上运行该pod需要numa节点的个数。
• maxNumaNodeNum：表示所有工作节点中该pod的最大numa节点个数。

开启Volcano支持NUMA亲和性调度

1. 开启CPU管理策略，具体请参考 开启CPU管理策略。
2. 配置CPU拓扑策略。
   1. 登录CCE控制台，单击集群名称进入集群，在左侧选择“节点管理”，在右侧选择“节点池”页签，单击节点池名称后的“更多 > 配置管理”。
   2. 在“全量配置”中将kubelet的topology-manager-policy的值修改为需要的CPU拓扑策略即可。

      有效拓扑策略为“none”、“best-effort”、“restricted”、“single-numa-node”，具体策略对应的调度行为请参见调度预测。

3. 开启numa-aware插件功能和resource_exporter功能。

   Volcano 1.7.1及以上版本

   1. 登录CCE控制台，单击集群名称进入集群，单击左侧导航栏的“插件中心”，在右侧找到Volcano，单击“编辑”，并在“参数配置”中设置Volcano调度器配置参数。

      {
          "ca_cert": "",
          "default_scheduler_conf": {
              "actions": "allocate, backfill",
              "tiers": [
                  {
                      "plugins": [
                          {
                              "name": "priority"
                          },
                          {
                              "name": "gang"
                          },
                          {
                              "name": "conformance"
                          }
                      ]
                  },
                  {
                      "plugins": [
                          {
                              "name": "drf"
                          },
                          {
                              "name": "predicates"
                          },
                          {
                              "name": "nodeorder"
                          }
                      ]
                  },
                  {
                      "plugins": [
                          {
                              "name": "cce-gpu-topology-predicate"
                          },
                          {
                              "name": "cce-gpu-topology-priority"
                          },
                          {
                              "name": "cce-gpu"
                          },
                          {
                              // add this also enable resource_exporter
                              "name": "numa-aware", 
                              // the weight of the NUMA Aware Plugin
                              "arguments": { 
                                 "weight": "10"
                              }
                          }
                      ]
                  },
                  {
                      "plugins": [
                          {
                              "name": "nodelocalvolume"
                          },
                          {
                              "name": "nodeemptydirvolume"
                          },
                          {
                              "name": "nodeCSIscheduling"
                          },
                          {
                              "name": "networkresource"
                          }
                      ]
                  }
              ]
          },
          "server_cert": "",
          "server_key": ""
      }

   Volcano 1.7.1以下版本

   1. Volcano插件开启resource_exporter_enable参数，用于收集节点numa拓扑信息。

      {
         "plugins": {
            "eas_service": {
               "availability_zone_id": "",
               "driver_id": "",
               "enable": "false",
               "endpoint": "",
               "flavor_id": "",
               "network_type": "",
               "network_virtual_subnet_id": "",
               "pool_id": "",
               "project_id": "",
               "secret_name": "eas-service-secret"
            }
         },
         "resource_exporter_enable": "true"
      }

      开启后可以查看当前节点的numa拓扑信息。

      kubectl get numatopo 
      NAME              AGE
      node-1            4h8m
      node-2            4h8m
      node-3            4h8m

   2. 启用Volcano numa-aware算法插件。
      kubectl edit cm -n kube-system volcano-scheduler-configmap

      kind: ConfigMap
      apiVersion: v1
      metadata:
        name: volcano-scheduler-configmap
        namespace: kube-system
      data:
        default-scheduler.conf: |-
          actions: "allocate, backfill"
          tiers:
          - plugins:
            - name: priority
            - name: gang
            - name: conformance
          - plugins:
            - name: overcommit
            - name: drf
            - name: predicates
            - name: nodeorder
          - plugins:
            - name: cce-gpu-topology-predicate
            - name: cce-gpu-topology-priority
            - name: cce-gpu
          - plugins:
            - name: nodelocalvolume
            - name: nodeemptydirvolume
            - name: nodeCSIscheduling
            - name: networkresource
              arguments:
                NetworkType: vpc-router
            - name: numa-aware # add it to enable numa-aware plugin
              arguments:
                weight: 10 # the weight of the NUMA Aware Plugin

使用Volcano支持NUMA亲和性调度

1. 在无状态工作负载中配置NUMA亲和性，示例如下：

   kind: Deployment
   apiVersion: apps/v1
   metadata:
     name: numa-tset
   spec:
     replicas: 1
     selector:
       matchLabels:
         app: numa-tset
     template:
       metadata:
         labels:
           app: numa-tset
         annotations:
           volcano.sh/numa-topology-policy: single-numa-node    # set the topology policy
       spec:
         containers:
           - name: container-1
             image: nginx:alpine
             resources:
               requests:
                 cpu: 2           # 必须为整数，且需要与limits中一致
                 memory: 2048Mi
               limits:
                 cpu: 2           # 必须为整数，且需要与requests中一致
                 memory: 2048Mi
         imagePullSecrets:
         - name: default-secret

2. 创建一个Volcano job，并使用NUMA亲和性。

   apiVersion: batch.volcano.sh/v1alpha1
   kind: Job
   metadata:
     name: vj-test
   spec:
     schedulerName: volcano
     minAvailable: 1
     tasks:
       - replicas: 1
         name: "test"
         topologyPolicy: best-effort   # set the topology policy for task 
         template:
           spec:
             containers:
               - image: alpine
                 command: ["/bin/sh", "-c", "sleep 1000"]
                 imagePullPolicy: IfNotPresent
                 name: running
                 resources:
                   limits:
                     cpu: 20
                     memory: "100Mi"
             restartPolicy: OnFailure

3. 确认NUMA使用情况。

   # 查看当前节点的CPU概况
   lscpu
   ...
   CPU(s):              32
   NUMA node(s):        2
   NUMA node0 CPU(s):   0-15
   NUMA node1 CPU(s):   16-31
   
   # 查看当前节点的CPU分配
   cat /var/lib/kubelet/cpu_manager_state
   {"policyName":"static","defaultCpuSet":"0,10-15,25-31","entries":{"777870b5-c64f-42f5-9296-688b9dc212ba":{"container-1":"16-24"},"fb15e10a-b6a5-4aaa-8fcd-76c1aa64e6fd":{"container-1":"1-9"}},"checksum":318470969}