K8S节点GPU虚拟化(vGPU)-Toy模板网

这篇具有很好参考价值的文章主要介绍了K8S节点GPU虚拟化(vGPU)。希望对大家有所帮助。如果存在错误或未考虑完全的地方，请大家不吝赐教，您也可以点击"举报违法"按钮提交疑问。

vGPU实现方案

4paradigm提供了k8s-device-plugin，该插件基于NVIDIA官方插件(NVIDIA/k8s-device-plugin)，在保留官方功能的基础上，实现了对物理GPU进行切分，并对显存和计算单元进行限制，从而模拟出多张小的vGPU卡。在k8s集群中，基于这些切分后的vGPU进行调度，使不同的容器可以安全的共享同一张物理GPU，提高GPU的利用率。此外，插件还可以对显存做虚拟化处理（使用到的显存可以超过物理上的显存），运行一些超大显存需求的任务，或提高共享的任务数。

部署

需要在节点上将nvidia runtime做为你的docker runtime预设值。我们将编辑docker daemon的配置文件，此文件通常在/etc/docker/daemon.json路径：

{
    "default-runtime": "nvidia",
    "runtimes": {
        "nvidia": {
            "path": "/usr/bin/nvidia-container-runtime",
            "runtimeArgs": []
        }
    }
    "default-shm-size": "2G"
}

虚拟化之前，在GPU节点启动一个GPU应用pod，通过nvidia-smi 查看GPU分配及使用情况。
pod资源请求：

    Limits:
      cpu:             4
      memory:          16Gi
      nvidia.com/gpu:  1
    Requests:
      cpu:             2
      memory:          8Gi
      nvidia.com/gpu:  1

pod内执行nvidia-smi：

+-----------------------------------------------------------------------------+
| NVIDIA-SMI 460.91.03    Driver Version: 460.91.03    CUDA Version: 11.3     |
|-------------------------------+----------------------+----------------------+
| GPU  Name        Persistence-M| Bus-Id        Disp.A | Volatile Uncorr. ECC |
| Fan  Temp  Perf  Pwr:Usage/Cap|         Memory-Usage | GPU-Util  Compute M. |
|                               |                      |               MIG M. |
|===============================+======================+======================|
|   0  A10                 On   | 00000000:00:08.0 Off |                  Off |
|  0%   53C    P0    71W / 150W |   1475MiB / 24258MiB |      0%      Default |
|                               |                      |                  N/A |
+-------------------------------+----------------------+----------------------+
                                                                               
+-----------------------------------------------------------------------------+
| Processes:                                                                  |
|  GPU   GI   CI        PID   Type   Process name                  GPU Memory |
|        ID   ID                                                   Usage      |
|=============================================================================|
+-----------------------------------------------------------------------------+

可以看到此时占用A10节点整张卡显存 24Gi 。

关闭NVIDIA官方插件

关闭NVIDIA官方插件(NVIDIA/k8s-device-plugin)。

把nvidia-device-plugin ds描述文件移除即可，为安全可以移动到其它目录，如下移动到家目录做备份保存。

[root@gpua10_1 ~]# mv /etc/kubernetes/manifests/nvidia-device-plugin.yml .

如上操作后，原来的nvidia pod：

(base) ➜  ~ kubectl -n kube-system get po |grep nvidia                                                     
nvidia-device-plugin-gpua10_1            1/1     Running     0              5d

移除ds描述文件后，以上pod会消失。

启动4paradigm新的k8s-device-plugin

ds文件如下：

apiVersion: apps/v1
kind: DaemonSet
metadata:
  name: nvidia-device-plugin-daemonset
  namespace: kube-system
spec:
  selector:
    matchLabels:
      name: nvidia-device-plugin-ds
  updateStrategy:
    type: RollingUpdate
  template:
    metadata:
      annotations:
        scheduler.alpha.kubernetes.io/critical-pod: ""
      labels:
        name: nvidia-device-plugin-ds
    spec:
      tolerations:
      - key: CriticalAddonsOnly
        operator: Exists
      - key: nvidia.com/gpu
        operator: Exists
        effect: NoSchedule
      priorityClassName: "system-node-critical"
      containers:
      - image: 4pdosc/k8s-device-plugin:latest
        # - image: m7-ieg-pico-test01:5000/k8s-device-plugin-test:v0.9.0-ubuntu20.04
        imagePullPolicy: Always
        name: nvidia-device-plugin-ctr
        args: ["--fail-on-init-error=false", "--device-split-count=6", "--device-memory-scaling=2", "--device-cores-scaling=1"]
        # args: ["--fail-on-init-error=false", "--device-split-count=3", "--device-memory-scaling=3", "--device-cores-scaling=1"]
        env:
        - name: PCIBUSFILE
          value: "/usr/local/vgpu/pciinfo.vgpu"
        - name: NVIDIA_MIG_MONITOR_DEVICES
          value: all
        securityContext:
          allowPrivilegeEscalation: false
          capabilities:
            drop: ["ALL"]
            add: ["SYS_ADMIN"]
        volumeMounts:
          - name: device-plugin
            mountPath: /var/lib/kubelet/device-plugins
          - name: vgpu-dir
            mountPath: /usr/local/vgpu
          - mountPath: /tmp
            name: hosttmp
      volumes:
        - name: device-plugin
          hostPath:
            path: /var/lib/kubelet/device-plugins
        - name: vgpu-dir
          hostPath:
            path: /usr/local/vgpu
        - hostPath:
            path: /tmp
          name: hosttmp
      nodeSelector: 
        nvidia-vgpu: "on"

fail-on-init-error: 布尔类型, 预设值是true。当这个参数被设置为true时，如果装置插件在初始化过程遇到错误时程序会返回失败，当这个参数被设置为false时，遇到错误它会打印信息并且持续阻塞插件。持续阻塞插件能让装置插件即使部署在没有GPU的节点（也不应该有GPU）也不会抛出错误。这样你在部署装置插件在你的集群时就不需要考虑节点是否有GPU，不会遇到报错的问题。然而，这么做的缺点是如果GPU节点的装置插件因为一些原因执行失败，将不容易察觉。现在预设值为当初始化遇到错误时程序返回失败，这个做法应该被所有全新的部署采纳。
device-split-count: 整数类型，预设值是2。NVIDIA装置的分割数。对于一个总共包含N张NVIDIA GPU的Kubernetes集群，如果我们将device-split-count参数配置为K，这个Kubernetes集群将有K * N个可分配的vGPU资源。注意，我们不建议将NVIDIA 1080 ti/NVIDIA 2080 ti device-split-count参数配置超过5，将NVIDIA T4配置超过7，将NVIDIA A100配置超过15。
device-memory-scaling: 浮点数类型，预设值是1。NVIDIA装置显存使用比例，可以大于1（启用虚拟显存，实验功能）。对于有M显存大小的NVIDIA GPU，如果我们配置device-memory-scaling参数为S，在部署了我们装置插件的Kubenetes集群中，这张GPU分出的vGPU将总共包含 S * M显存。每张vGPU的显存大小也受device-split-count参数影响。在先前的例子中，如果device-split-count参数配置为K，那每一张vGPU最后会取得 S * M / K 大小的显存。
device-cores-scaling: 浮点数类型，预设值与device-split-count数值相同。NVIDIA装置算力使用比例，可以大于1。如果device-cores-scaling参数配置为S device-split-count参数配置为K，那每一张vGPU对应的一段时间内 SM 利用率平均上限为S / K。属于同一张物理GPU上的所有vGPU SM利用率总和不超过1。
enable-legacy-preferred: 布尔类型，预设值是false。对于不支持 PreferredAllocation 的kubelet（<1.9）可以设置为true，以更好的选择合适的设备，开启时，本插件需要有对pod的读取权限，可参看 legacy-preferred-nvidia-device-plugin.yml。对于 kubelet >= 1.9 时，建议关闭。

如上"--device-split-count=6", "--device-memory-scaling=2"，表示在原显存基础上扩充二倍切成六份使用，也就是24Gi*2/6=8Gi，虚拟化之后原GPU可以切成6份使用，每份占用显存8Gi，虚拟化之后多出的显存实际是用内存作显存使用，所以注意节点的内存大小（要留够节点正常运行所需的内存），不然会出现OOM的情况，在需要进行虚拟化的节点打上标签nvidia-vgpu: "on"即可。

部署以上ds，且节点打上标签后会出现：

(base) ➜  ~ kubectl -n kube-system get pod |grep nvidia
nvidia-device-plugin-daemonset-pm21x                      1/1     Running     0               3d12h

此时pod内再次执行nvidia-smi：

+-----------------------------------------------------------------------------+
| NVIDIA-SMI 460.91.03    Driver Version: 460.91.03    CUDA Version: 11.3     |
|-------------------------------+----------------------+----------------------+
| GPU  Name        Persistence-M| Bus-Id        Disp.A | Volatile Uncorr. ECC |
| Fan  Temp  Perf  Pwr:Usage/Cap|         Memory-Usage | GPU-Util  Compute M. |
|                               |                      |               MIG M. |
|===============================+======================+======================|
|   0  NVIDIA A10          On   | 00000000:00:0A.0 Off |                    0 |
|  0%   43C    P0    68W / 150W |   4375MiB /  7676MiB |      0%      Default |
|                               |                      |                  N/A |
+-------------------------------+----------------------+----------------------+
                                                                               
+-----------------------------------------------------------------------------+
| Processes:                                                                  |
|  GPU   GI   CI        PID   Type   Process name                  GPU Memory |
|        ID   ID                                                   Usage      |
|=============================================================================|
+-----------------------------------------------------------------------------+

可以看到pod分配了8Gi的显存。

注意

以上是在nvidia版本NVIDIA-SMI 460.91.03 Driver Version: 460.91.03 CUDA Version: 11.3执行的操作。在升级到NVIDIA-SMI 515.105.01 Driver Version: 515.105.01 CUDA Version: 11.7 版本的时候遇到vGPU虚拟化不生效的问题，解决方案是：文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-792252.html

升级libvgpu.so到最新
在server.go中添加/tmp/vgpulock文件权限。

os.MkdirAll("/tmp/vgpulock", 0777)
os.Chmod("/tmp/vgpulock", 0777)
response.Mounts = append(response.Mounts,
             &pluginapi.Mount{"containerPath": "/usr/local/vgpu/libvgpu.so",
                                "HostPath": "/usr/local/vgpu/libvgpu.so", ReadOnly: true},
 			&pluginapi.Mount{"containerPath": "/etc/ld.so.preload",
                                "HostPath": "/usr/local/vgpu/ld.so.preload", ReadOnly: true},
 			&pluginapi.Mount{"containerPath": "/usr/local/vgpu/pciinfo.vgpu",
                                "HostPath": os.Getenv("PCIBUSFILE"), ReadOnly: true},
 			&pluginapi.Mount{"containerPath": "/tmp/vgpulock",
                                "HostPath": "/tmp/vgpulock", ReadOnly: true},

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