本地临时存储：local ephemeral storage

介绍

作为kubernetes平台的提供方，必须要对某些“流氓”应用做出一些限制，防止它们滥用平台的CPU、内存、磁盘、网络等资源。

例如，kubernetes提供了对CPU，内存的限制，可以防止应用无限制的使用系统的资源；kubernetes提供的PVC，如cephfs、RBD，也支持容量的限制。

但是，早期kubernetes版本并没有限制container的rootfs的容量，由于默认容器使用的log存储空间是在 /var/lib/kubelet/ 下，rootfs在/var/lib/docker下，而这两个目录默认就在宿主机node的根分区，如果应用恶意攻击，可以通过在容器内大量dd从而迅速造成宿主机node根分区文件系统满。我们知道，当linux根分区使用达到100%的时候，通常会很危险。

kubernetes在1.8版本引入了一种新的resource：local ephemeral storage(临时存储)，用来管理本地临时存储，对应特性 LocalStorageCapacityIsolation。从1.10开始该特性转为beta状态，默认开启。

临时存储，如 emptyDir volumes, container logs, image layers and container writable layers，默认它们使用的是 /var/lib/kubelet ，通过限制临时存储容量，也就可以保护node的root分区了。

本地临时存储管理只对root分区有效，如果你定制了相关的参数，例如 --root-dir，则不会生效。

配置

我的集群版本是1.14，默认开启了 local ephemeral storage 的特性，只需要配置Pod即可。

Pod的每个container都可以配置：

  • spec.containers[].resources.limits.ephemeral-storage
  • spec.containers[].resources.requests.ephemeral-storage

单位是byte，可以直接配置，也可以按E/P/T/G/M/K或者Ei, Pi, Ti, Gi, Mi, Ki.为单位来配置，例如 128974848, 129e6, 129M, 123Mi 表示的是同一个容量。

下面创建一个Deployment，设置其使用的临时存储最大为2Gi。

apiVersion: extensions/v1beta1
kind: Deployment
metadata:
  name: nginx
  namespace: default
spec:
  selector:
    matchLabels:
      run: nginx
  template:
    metadata:
      labels:
        run: nginx
    spec:
      containers:
      - image: nginx
        name: nginx
        resources:
          limits:
            ephemeral-storage: 2Gi
          requests:
            ephemeral-storage: 2Gi

Pod启动后，进入容器，执行 dd if=/dev/zero of=/test bs=4096 count=1024000 ，尝试创建一个4Gi的文件，可以发现在执行一段时间后，Pod被 Evict，controller重新创建了新的Pod。

nginx-75bf8666b8-89xqm                    1/1     Running             0          1h
nginx-75bf8666b8-pm687                    0/1     Evicted             0          2h

实现

Evict Pod动作是由kubelet完成的。每个节点上的kubelet会启动一个evict manager，每10秒种(evictionMonitoringPeriod)进行一次检查，ephemeral storage的检查也是在这个阶段完成的。

evict manager可以对pod和container来检查超额应用。

func (m *managerImpl) localStorageEviction(summary *statsapi.Summary, pods []*v1.Pod) []*v1.Pod {
	statsFunc := cachedStatsFunc(summary.Pods)
	evicted := []*v1.Pod{}
	for _, pod := range pods {
		podStats, ok := statsFunc(pod)
		if !ok {
			continue
		}

		if m.emptyDirLimitEviction(podStats, pod) {
			evicted = append(evicted, pod)
			continue
		}

		if m.podEphemeralStorageLimitEviction(podStats, pod) {
			evicted = append(evicted, pod)
			continue
		}

		if m.containerEphemeralStorageLimitEviction(podStats, pod) {
			evicted = append(evicted, pod)
		}
	}

	return evicted
}

其中Pods为GetActivePods获取的本节点所有非Terminated状态的Pods。

kubelet会依此检查Pod的emptyDir、pod级临时存储、container级临时存储，若Pod需要被evict，则加到evicted数组，之后会将evicted的Pod挤出。

contaier级检查比较简单，因为ephemeral storage设置的就是在container上，依次检查container的使用情况和设置的limits，如果超过了limits，则要加入到evicted pods列表中。

相关代码在 containerEphemeralStorageLimitEviction 中。

而Pod级别的检查会复杂一点。

首先是限制值的计算。

kubelet会统计Pod所有container（但不包括init container）的ephemeral storage limits之和。init container指定的是Pod的配额最低需求（有点像最低工资标准，用于生活保障），当所有container指定的配额，超过init container指定的配额时，将忽略init container指定的配额。数学描述如下。

max(sum(containers), initContainer1, initContainer2, ...)

而实际临时存储用量的计算，除了会计算指定过ephemeral storage的container的使用量，还会统计未指定过ephemeral storage的container，以及emptyDir的使用量。

当实际临时存储用量，超过了限制值时，kubelet会将该Pod Evict，然后等待controller重新创建新的Pod并重新调度。

相关代码在 podEphemeralStorageLimitEviction 中。

requests

注意，设置的local ephemeralstorage requests在evict manager处理过程中没有用到。但是它不是没用的。

创建Pod后，scheduler会将该Pod调度到集群中某个node上。由于每个node所能承载的local ephemeral storage是有上限的，所以scheduler会保证该node上所有Pod的 local ephemeralstorage requests 总和不会超过node的根分区容量。

inode 保护

有的时候，我们会发现磁盘写入时会报磁盘满，但是df查看容量并没有100%使用，此时可能只是因为inode耗尽造成的。因此，对平台来说，inode的保护也是需要的。

其中，podLocalEphemeralStorageUsage 也统计了container或者pods使用的inode的数量。

但是当前k8s并不支持对Pod的临时存储设置inode的limits/requests。

当然了，如果node进入了inode紧缺的状态，kubelet会将node设置为 under pressure，不再接收新的Pod请求。

emptyDir

emptyDir也是一种临时存储，因此也需要限制使用。

在Pod级别检查临时存储使用量时，也会将emptyDir的使用量计算在内，因此如果对emptyDir使用过量后，也会导致该Pod被kubelet Evict。

另外，emptyDir本身也可以设置容量上限。如下所摘录编排文件片段，我指定了emptyDir使用内存作为存储介质，这样用户可以获得极好的读写性能，但是由于内存比较珍贵，我只提供了64Mi的空间，当用户在 /cache 目录下使用超过64Mi后，该Pod会被kubelet evict。

        volumeMounts:
        - mountPath: /cache
          name: cache-volume
      volumes:
      - emptyDir:
          medium: Memory
          sizeLimit: 64Mi
        name: cache-volume

相关代码在 emptyDirLimitEviction 中。

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