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K8S中GPU资源请求与限制

网友: 技术文档 2025-09-03 22:35:55

以下均为个人理解，如果有错误，请各位达人不吝批评指正！

需要提前说一句：
对于 GPU 这类可扩展资源 (Extended Resources)，requests 和 limits 的行为与 CPU/内存截然不同。在绝大多数情况下，requests 和 limits 必须相等，否则 Pod 将无法创建。

接下来，简单讲一下GPU资源请求与限制

1. 基础原理：为什么 GPU 的 requests 和 limits 必须相等？

要理解这一点，我们必须回到 Kubernetes 资源模型设计的初衷。

  • 对于 CPU/内存 (可压缩/可限制资源):
    • requests: 是调度时的保证。kube-scheduler 用它来寻找有足够资源的节点。kubelet 确保节点上所有 Pod 的 requests 总和不超过节点的 allocatable。这是 Pod 最低限度的保障。
    • limits: 是运行时的上限。kubelet 通过 Cgroups (Linux 控制组) 强制执行这个限制。CPU 超限会被“节流”(throttled)，内存超限会被“杀死”(OOMKilled)。
    • requests <= limits 的设计，允许了资源的“可突发性”(Burstable)，即 Pod 在需要时可以尝试使用超过其 requests 但不超过 limits 的资源。
  • 对于 GPU (不可压缩资源):
    • 核心差异: kubelet 和底层的容器运行时 (containerd/Docker) 没有原生的机制去“限制”或“节流”GPU 的使用。GPU 不是一个可以像 CPU 时间片那样被轻易切分和限制的资源。一张 GPU 卡一旦分配给一个容器，容器内的程序就可以使用其 100% 的算力和显存，kubelet 无法对此进行约束。
    • 设计决策: 基于这个底层限制，Kubernetes 做出了一个务实的设计决策：不支持 GPU 资源的“突发”。为了避免语义上的混淆和无法履行的“承诺”，API Server 在准入阶段就强制要求：

For extended resources, limit must be equal to request.

    • 结论: 你必须同时写 requests 和 limits，并且它们的值必须完全一样。只写其中一个，或者两者不等，API Server 都会拒绝你的 Pod 创建请求。

正确的基础示例:

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: cuda-pod
spec:
  containers:
  - name: my-container
    image: nvidia/cuda:11.8.0-base-ubuntu22.04
    resources:
      limits:
        nvidia.com/gpu: \"1\" # < 请求 1 个 GPU
      requests:
        nvidia.com/gpu: \"1\" # < 限制也必须是 1

2. 最新技术方案：从“整数卡”到“精细化请求”

随着技术的发展，我们请求的早已不只是一张“整数卡”。下面我们看看在不同的技术方案下，requests 和 limits 的具体应用。

方案一：基于时间片的 GPU 共享 (如 a GPU)

在这种软件虚拟化方案下，我们请求的不再是 nvidia.com/gpu，而是由 Device Plugin 定义的虚拟化资源。

  • 请求的是什么: 你请求的是一个“使用权”和一份“显存配额”。
  • 底层原理:
    1. Device Plugin 向上层 kubelet 上报的是自定义资源，如 aliyun.com/gpu-mem，其单位可以是显存的 GiB 或 MiB。
    2. 用户在 Pod Spec 中请求这些自定义资源。同样，requests 和 limits 必须相等。
    3. kubelet 在分配时，会调用 Device Plugin 的 Allocate 接口。Device Plugin 此时会记录下这个容器的显存配额，并通过 LD_PRELOAD 注入一个动态库，在运行时强制执行这个显存限制。
  • 示例:

resources:
  limits:
    aliyun.com/gpu-mem: \"4\" # 请求 4GiB 的显存配额和相应的算力时间片
  requests:
    aliyun.com/gpu-mem: \"4\" # 同样必须相等

方案二：NVIDIA MIG (硬件级虚拟化)

这是目前实现精细化请求最可靠的方式，因为它有硬件级的保障。

  • 请求的是什么: 你请求的是一个特定规格的、物理隔离的 GPU 实例 (GI)。
  • 底层原理:
    1. 管理员使用 nvidia-smi 将物理 GPU 划分为不同的 MIG Profile，例如 1g.5gb 或 3g.20gb。
    2. NVIDIA 的 Device Plugin 会自动发现这些 GI，并上报为不同的可扩展资源，如 nvidia.com/mig-1g.5gb: 7。
    3. 用户在 Pod Spec 中可以直接请求这些具体的 MIG 设备。requests 和 limits 依然必须相等。
  • 示例:

resources:
  limits:
    nvidia.com/mig-1g.5gb: \"1\" # 精确请求一个 1g.5gb 规格的 MIG 实例
  requests:
    nvidia.com/mig-1g.5gb: \"1\" # 必须相等

专家提示: 使用 MIG 时，你请求的资源名称是一个具体的“型号”，而不是一个泛指的 gpu。

方案三：动态资源分配 (DRA) - 未来方向

DRA 彻底改变了资源请求的模式，使其更加灵活和富有表现力。

  • 请求的是什么: 不再直接在 Pod 的 resources 中请求，而是通过一个**ResourceClaim 对象**来声明你的需求。
  • 底层原理:
    1. 定义 (ResourceClass): 管理员定义一个 ResourceClass，描述一类 GPU 资源的特性和参数，例如 name: mig-a100。
    2. 声明 (ResourceClaim): 用户创建一个 ResourceClaim，引用 ResourceClass 并填写具体的参数。

# ResourceClaim.yaml
apiVersion: resource.k8s.io/v1alpha2
kind: ResourceClaim
metadata:
  name: my-gpu-claim
spec:
  resourceClassName: mig-a100
  parameters: # < 这是核心，可以传递任意参数
    migProfile: \"1g.5gb\"
    memory: \">=4Gi\"

    1. 在 Pod 中引用: 在 Pod Spec 中，通过 resourceClaims 字段引用这个声明。

# Pod.yaml
spec:
  resourceClaims:
  - name: gpu # 在容器内引用的名称
    source:
      resourceClaimName: my-gpu-claim # 引用上面创建的 Claim
  containers:
  - name: my-container
    resources: # 注意这里的变化
      claims:
      - name: gpu # 引用在 Pod 层面定义的 claim

  • 优势: 这种模式将“需要什么”(What) 与“分配哪个”(Which)彻底解耦。Pod 只需声明需求，而底层的 DRA 驱动会负责去寻找和分配一个满足需求的具体设备。requests 和 limits 的概念在这里被更富表现力的 ResourceClaim 所取代。

靠谱的实践

  1. 铁律: 在使用传统的 Device Plugin 模型时（无论是整卡、GPU Sharing 还是 MIG），GPU 资源的 requests 和 limits 必须相等。这是由 Kubernetes 对不可压缩资源的设计所决定的。
  2. 语义清晰:
    • 请求 nvidia.com/gpu: 1 意味着：“我需要一张完整的、未被 MIG 分割的物理 GPU 卡的独占使用权”。
    • 请求 aliyun.com/gpu-mem: N 意味着：“我需要在一张共享的 GPU 卡上获得 N GiB 的显存配额和相应比例的时间片算力”。
    • 请求 nvidia.com/mig-1g.5gb: 1 意味着：“我需要一个硬件隔离的、规格为 1g.5gb 的 MIG 实例的独占使用权”。
  3. 未来方向: 积极关注并逐步采纳 DRA (动态资源分配)。尽管它目前还处于 Alpha/Beta 阶段，但它代表了 Kubernetes 异构资源管理的未来。它通过 ResourceClaim 提供了远超 requests/limits 的表达能力，是解决复杂硬件资源请求的根本之道。
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