Optimierung von Linux Swap für Kubernetes: Eine tiefgehende Analyse

TL;DR

Die bevorstehende Kubernetes Version v1.34 wird die NodeSwap-Funktion stabilisieren, die die Nutzung von Swap-Speicher auf Linux-Knoten ermöglicht. Diese Funktion zielt darauf ab, die Ressourcennutzung zu verbessern und Out-of-Memory (OOM)-Killer zu reduzieren. Eine korrekte Konfiguration der Linux-Kernel-Parameter ist entscheidend für die Leistung und Stabilität von Kubernetes-Clustern unter Speicherdruck.

Hauptinhalt

Die NodeSwap-Funktion in Kubernetes stellt einen bedeutenden Wandel in der Handhabung von Swap-Speicher dar, indem sie die herkömmliche Praxis, Swap zu deaktivieren, um die Leistung vorhersehbar zu halten, in Frage stellt. Durch die Aktivierung von Swap können Linux-Knoten zusätzlichen virtuellen Speicher nutzen, wenn der physische RAM erschöpft ist. Dies zielt darauf ab, die Ressourcenauslastung zu optimieren und die Häufigkeit von OOM-Kills zu verringern.

Die Implementierung von Swap ist jedoch kein einfaches „Plug-and-Play“-Verfahren. Die Leistung und Stabilität der Knoten unter Speicherdruck hängen stark von einer Reihe von Kernel-Parametern ab. Eine falsche Konfiguration kann zu einer Verschlechterung der Leistung führen und die Logik der Kubelet-Evakuierung beeinträchtigen.

Um die Swap-Nutzung zu verstehen, ist es wichtig, den Unterschied zwischen anonymem und dateigebundenem Speicher zu erkennen. Anonymer Speicher ist nicht durch eine spezifische Datei auf der Festplatte gesichert und umfasst beispielsweise den Heap und Stack eines Programms. Im Gegensatz dazu ist dateigebundener Speicher durch eine Datei im Dateisystem gesichert, einschließlich ausführbarer Programmcode und gemeinsam genutzter Bibliotheken. Während ein System ohne Swap saubere, dateigebundene Seiten unter Druck abwerfen kann, ermöglicht Swap das Offloading von anonymem Speicher, um OOM-Kills zu vermeiden.

Technische Details/Implikationen

Für die effektive Anpassung des Swap-Verhaltens stellt Linux mehrere Kernel-Parameter zur Verfügung, die über sysctl verwaltet werden können:

• vm.swappiness: Dieser Parameter steuert die Vorliebe des Kernels für das Swapping von anonymem Speicher im Vergleich zur Rückgewinnung von dateigebundenem Speicher. Hohe Werte (z. B. über 90) führen zu einer aggressiven Auslagerung weniger genutzter anonymer Speicherseiten, während niedrige Werte (z. B. unter 10) den Kernel dazu bringen, dateigebundene Seiten bevorzugt abzulehnen.

• vm.min_free_kbytes: Dieser Parameter legt fest, wie viel Speicher als Puffer frei gehalten werden soll. Sinkt der verfügbare Speicher unter diesen Wert, beginnt der Kernel aggressiver mit der Rückgewinnung von Seiten. Ein höherer Wert kann dazu führen, dass das Swapping früher einsetzt.

• vm.watermark_scale_factor: Dieser Parameter beeinflusst die Abstände zwischen den Wasserzeichen (min, low und high), die auf min_free_kbytes basieren. Ein höherer Wert schafft einen größeren Puffer zwischen den Wasserzeichen, was dem kswapd-Prozess mehr Zeit gibt, um Speicher zurückzugewinnen, bevor das System in einen kritischen Zustand gerät.

Die korrekte Anpassung dieser Parameter ist entscheidend, um eine stabile und leistungsfähige Kubernetes Umgebung zu gewährleisten.

Fazit/Ausblick

Die Einführung der NodeSwap-Funktion in Kubernetes bietet neue Möglichkeiten zur Optimierung der Speichernutzung. Eine sorgfältige Abstimmung der relevanten Kernel-Parameter ist unerlässlich, um die Leistung und Stabilität von Kubernetes-Clustern unter Speicherdruck zu maximieren. Zukünftige Versionen könnten weitere Verbesserungen und Anpassungsoptionen bieten, um die Effizienz von Cloud-nativen Anwendungen zu steigern.