监控Kubernetes集群的GPU资源-技术圈

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摘要

系列将对Kubelet组件由基础知识到源码进行深入梳理。因上篇文章Kubelet从入门到放弃系列:GPU加持中介绍了Nvidia系列GPU如何加持Kubernetes，我们除了关注GPU资源的使用，也关注GPU资源的管理，因此本文推出 Kubernetes集群中如何监控GPU资源。

上周CNCF：1）微软Dapr项目拟捐献给CNCF 2）Flux项目进入孵化阶段

一、背景说明

1.1 需求说明

对于SRE团队来说，实现监控AI、高性能计算平台上大规模GPU资源，至关重要。SRE团队可以通过GPU指标了解工作负载等相关性能，从而优化资源分配，提升资源利用率及异常诊断，以提高数据中心资源的整体效能。除了SRE及基础设施团队之外，不管你是从事GPU加速方向的研究人员，还是数据中心架构师，都可以通过相关监控指标，了解GPU利用率和工作饱和度以进行容量规划及任务调度等。

随着AI/ML工作负载的容器化，调度平台采用具备动态扩缩特性的Kubernetes解决方案，针对其监控的急迫性日益提升。在这篇文章中，我们将介绍NVIDIA数据中心GPU管理器（DCGM），以及如何将其集成到Prometheus和Grafana等开源工具中，以实现Kubernetes的GPU监控的整体解决方案。

1.2 NVIDIA DCGM

NVIDIA DCGM是用于管理和监控基于Linux系统的NVIDIA GPU大规模集群的一体化工具。它是一个低开销的工具，提供多种能力，包括主动健康监控、诊断、系统验证、策略、电源和时钟管理、配置管理和审计等。

DCGM提供用于收集GPU遥测的API。特别值得关注的是GPU利用率指标、内存指标和流量指标。DCGM提供了各种语言的客户端，如C和Python。对于与容器生态系统的集成，提供基于DCGM APIs的Go绑定实现。

1.3 NVIDIA exporter

监控系统通常由指标采集器、用于存储指标的时间序列数据库和可视组件组成。例如CNCF毕业项目Prometheus，它和Grafana一起构成监控集成方案。其中Prometheus还包括Alertmanager来创建和管理警报。Prometheus、kube-state-metrics及node_exporter一起部署，以获取Kubernetes API对象的集群指标和CPU利用率等节点指标。下图为Prometheus的示例架构。

在前面介绍的Go API基础上，可以通过DCGM向Prometheus暴露GPU指标。NVIDIA为此构建了dcgm-exporter的项目。

dcgm-exporter 使用 Go 绑定从 DCGM 收集 GPU 遥测数据，然后通过 http 接口 (/metrics) 向 Prometheus 暴露指标。

dcgm-exporter可以通过使用csv格式的配置文件来定制DCGM收集的GPU指标。

1.4 Kubelet设备监控

dcgm-exporter收集了节点上所有可用GPU的指标。然而，在Kubernetes中，当一个节点请求GPU资源时，可能不能确定哪些GPU会被分配给pod。从v1.13开始，Kubelet增加了一个设备监控功能，可以通过pod-resources套接字了解分配给pod的设备，其中包括pod名称、pod命名空间和设备ID。

dcgm-exporter中的http服务连接到kubelet中的pod-resources服务(/var/lib/kubelet/pod-resources)来识别pod上运行的GPU设备，并将GPU设备的pod相关信息添加到收集的指标中。

二、GPU监控

2.1 部署说明

下面是一些设置dcgm-exporter的示例。如果使用NVIDIA GPU Operator，那么dcgm-exporter同样是部署组件之一。

文档中包含了设置Kubernetes集群的步骤。为了简洁起见，假定已经存在一个运行着NVIDIA软件组件的Kubernetes集群，例如，驱动程序、容器运行时和Kubernetes设备插件等。在使用Prometheus Operator部署Prometheus时，还可以方便地部署Grafana。在该篇文章中，为了简单起见，使用了单节点Kubernetes集群。

在设置社区提供的Prometheus Operator的Helm chart时，必须暴露Grafana供外部访问，并且prometheusSpec.serviceMonitorSelectorNilUsesHelmValues必须设置为false。

简单来说，设置监控包括运行以下命令。

$ helm repo add prometheus-community \https://prometheus-community.github.io/helm-charts
$ helm repo update$ helm inspect values prometheus-community/kube-prometheus-stack > /tmp/kube-prometheus-stack.values# Edit /tmp/kube-prometheus-stack.values in your favorite editor# according to the documentation# This exposes the service via NodePort so that Prometheus/Grafana# are accessible outside the cluster with a browser$ helm install prometheus-community/kube-prometheus-stack \--create-namespace --namespace prometheus \--generate-name \--set prometheus.service.type=NodePort \--set prometheus.prometheusSpec.serviceMonitorSelectorNilUsesHelmValues=false

此时，集群配置如下所示，其中所有的Prometheus pods和服务健康运行。

$ kubectl get pods -ANAMESPACE     NAME                                                              READY   STATUS    RESTARTS   AGEkube-system   calico-kube-controllers-8f59968d4-zrsdt                           1/1     Running   0          18mkube-system   calico-node-c257f                                                 1/1     Running   0          18mkube-system   coredns-f9fd979d6-c52hz                                           1/1     Running   0          19mkube-system   coredns-f9fd979d6-ncbdp                                           1/1     Running   0          19mkube-system   etcd-ip-172-31-27-93                                              1/1     Running   1          19mkube-system   kube-apiserver-ip-172-31-27-93                                    1/1     Running   1          19mkube-system   kube-controller-manager-ip-172-31-27-93                           1/1     Running   1          19mkube-system   kube-proxy-b9szp                                                  1/1     Running   1          19mkube-system   kube-scheduler-ip-172-31-27-93                                    1/1     Running   1          19mkube-system   nvidia-device-plugin-1602308324-jg842                             1/1     Running   0          17mprometheus    alertmanager-kube-prometheus-stack-1602-alertmanager-0            2/2     Running   0          92sprometheus    kube-prometheus-stack-1602-operator-c4bc5c4d5-f5vzc               2/2     Running   0          98sprometheus    kube-prometheus-stack-1602309230-grafana-6b4fc97f8f-66kdv         2/2     Running   0          98sprometheus    kube-prometheus-stack-1602309230-kube-state-metrics-76887bqzv2b   1/1     Running   0          98sprometheus    kube-prometheus-stack-1602309230-prometheus-node-exporter-rrk9l   1/1     Running   0          98sprometheus    prometheus-kube-prometheus-stack-1602-prometheus-0                3/3     Running   1          92s  $ kubectl get svc -ANAMESPACE     NAME                                                        TYPE        CLUSTER-IP       EXTERNAL-IP   PORT(S)                        AGEdefault       kubernetes                                                  ClusterIP   10.96.0.1                443/TCP                        20mkube-system   kube-dns                                                    ClusterIP   10.96.0.10               53/UDP,53/TCP,9153/TCP         20mkube-system   kube-prometheus-stack-1602-coredns                          ClusterIP   None                     9153/TCP                       2m18skube-system   kube-prometheus-stack-1602-kube-controller-manager          ClusterIP   None                     10252/TCP                      2m18skube-system   kube-prometheus-stack-1602-kube-etcd                        ClusterIP   None                     2379/TCP                       2m18skube-system   kube-prometheus-stack-1602-kube-proxy                       ClusterIP   None                     10249/TCP                      2m18skube-system   kube-prometheus-stack-1602-kube-scheduler                   ClusterIP   None                     10251/TCP                      2m18skube-system   kube-prometheus-stack-1602-kubelet                          ClusterIP   None                     10250/TCP,10255/TCP,4194/TCP   2m12sprometheus    alertmanager-operated                                       ClusterIP   None                     9093/TCP,9094/TCP,9094/UDP     2m12sprometheus    kube-prometheus-stack-1602-alertmanager                     ClusterIP   10.104.106.174           9093/TCP                       2m18sprometheus    kube-prometheus-stack-1602-operator                         ClusterIP   10.98.165.148            8080/TCP,443/TCP               2m18sprometheus    kube-prometheus-stack-1602-prometheus                       NodePort    10.105.3.19              9090:30090/TCP                 2m18sprometheus    kube-prometheus-stack-1602309230-grafana                    ClusterIP   10.100.178.41            80/TCP                         2m18sprometheus    kube-prometheus-stack-1602309230-kube-state-metrics         ClusterIP   10.100.119.13            8080/TCP                       2m18sprometheus    kube-prometheus-stack-1602309230-prometheus-node-exporter   ClusterIP   10.100.56.74             9100/TCP                       2m18sprometheus    prometheus-operated                                         ClusterIP   None                     9090/TCP                       2m12s

b. 部署dcgm-exporter

$ helm repo add gpu-helm-charts \https://nvidia.github.io/gpu-monitoring-tools/helm-charts$ helm repo update

使用helm安装

$ helm install \   --generate-name \   gpu-helm-charts/dcgm-exporter

结果验证

$ helm lsNAME                            NAMESPACE       REVISION        APP VERSIONdcgm-exporter-1-1601677302      default         1               dcgm-exporter-1.1.0             2.0.10nvidia-device-plugin-1601662841 default         1          nvidia-device-plugin-0.7.0      0.7.0

Prometheus和Grafana服务暴露如下：

$ kubectl get svc -ANAMESPACE     NAME                                                      TYPE        CLUSTER-IP       EXTERNAL-IP   PORT(S)                        AGEdefault       dcgm-exporter                                             ClusterIP   10.99.34.128     <none>        9400/TCP                       43ddefault       kubernetes                                                  ClusterIP   10.96.0.1        <none>        443/TCP                        20mkube-system   kube-dns                                                    ClusterIP   10.96.0.10       <none>        53/UDP,53/TCP,9153/TCP         20mkube-system   kube-prometheus-stack-1602-coredns                          ClusterIP   None             <none>        9153/TCP                       2m18skube-system   kube-prometheus-stack-1602-kube-controller-manager          ClusterIP   None             <none>        10252/TCP                      2m18skube-system   kube-prometheus-stack-1602-kube-etcd                        ClusterIP   None             <none>        2379/TCP                       2m18skube-system   kube-prometheus-stack-1602-kube-proxy                       ClusterIP   None             <none>        10249/TCP                      2m18skube-system   kube-prometheus-stack-1602-kube-scheduler                   ClusterIP   None             <none>        10251/TCP                      2m18skube-system   kube-prometheus-stack-1602-kubelet                          ClusterIP   None             <none>        10250/TCP,10255/TCP,4194/TCP   2m12sprometheus    alertmanager-operated                                       ClusterIP   None             <none>        9093/TCP,9094/TCP,9094/UDP     2m12sprometheus    kube-prometheus-stack-1602-alertmanager                     ClusterIP   10.104.106.174   <none>        9093/TCP                       2m18sprometheus    kube-prometheus-stack-1602-operator                         ClusterIP   10.98.165.148    <none>        8080/TCP,443/TCP               2m18sprometheus    kube-prometheus-stack-1602-prometheus                       NodePort    10.105.3.19      <none>        9090:30090/TCP                 2m18sprometheus    kube-prometheus-stack-1602309230-grafana                    ClusterIP   10.100.178.41    <none>        80:32032/TCP                   2m18sprometheus    kube-prometheus-stack-1602309230-kube-state-metrics         ClusterIP   10.100.119.13    <none>        8080/TCP                       2m18sprometheus    kube-prometheus-stack-1602309230-prometheus-node-exporter   ClusterIP   10.100.56.74     <none>        9100/TCP                       2m18sprometheus    prometheus-operated                                         ClusterIP   None             <none>        9090/TCP                       2m12s

‍‍‍‍使用32032端口暴露的Grafana服务，访问Grafana主页。使用Prometheus chart中设置的凭证登录到仪表板：prometheus.values中的adminPassword字段。

现在要启动一个用于GPU指标的Grafana仪表板，请从Grafana仪表板（https://grafana.com/grafana/dashboards/12239）导入NVIDIA仪表板。

查看DCGM指标

现在运行一些GPU工作负载，为此，DCGM社区提供了一个名为dcgmproftester的CUDA负载生成器，它可以用来生成确定性的CUDA工作负载，用于读取和验证GPU指标。

要生成一个Pod，首先必须下载DCGM并将制成镜像。以下脚本创建了一个可用于运行dcgmproftester的容器。这个容器可以在NVIDIA DockerHub仓库中找到。

#!/usr/bin/env bashset -exo pipefail mkdir -p /tmp/dcgm-dockerpushd /tmp/dcgm-docker cat > Dockerfile <ARG BASE_DISTARG CUDA_VERFROM nvidia/cuda:\${CUDA_VER}-base-\${BASE_DIST}LABEL io.k8s.display-name="NVIDIA dcgmproftester" ARG DCGM_VERSION WORKDIR /dcgmRUN apt-get update && apt-get install -y --no-install-recommends \    libgomp1 \    wget && \    rm -rf /var/lib/apt/lists/* && \    wget --no-check-certificate https://developer.download.nvidia.com/compute/redist/dcgm/\${DCGM_VERSION}/DEBS/datacenter-gpu-manager_\${DCGM_VERSION}_amd64.deb && \    dpkg -i datacenter-gpu-manager_*.deb && \    rm -f datacenter-gpu-manager_*.deb ENTRYPOINT ["/usr/bin/dcgmproftester11"]EOF DIR=.DCGM_REL_VERSION=2.0.10BASE_DIST=ubuntu18.04CUDA_VER=11.0IMAGE_NAME=nvidia/samples:dcgmproftester-$DCGM_REL_VERSION-cuda$CUDA_VER-$BASE_DIST  docker build --pull \        -t "$IMAGE_NAME" \        --build-arg DCGM_VERSION=$DCGM_REL_VERSION \        --build-arg BASE_DIST=$BASE_DIST \        --build-arg CUDA_VER=$CUDA_VER \        --file Dockerfile \        "$DIR" popd

在Kubernetes集群上部署容器之前，尝试直接使用Docker运行它。在这个例子中，通过指定-t 1004来使用Tensor Cores触发FP16矩阵乘法，并以-d 45（45秒）的速度运行测试。您可以通过修改-t参数来尝试运行其他工作负载。

Skipping CreateDcgmGroups() since DCGM validation is disabledCU_DEVICE_ATTRIBUTE_MAX_THREADS_PER_MULTIPROCESSOR: 1024CU_DEVICE_ATTRIBUTE_MULTIPROCESSOR_COUNT: 40CU_DEVICE_ATTRIBUTE_MAX_SHARED_MEMORY_PER_MULTIPROCESSOR: 65536CU_DEVICE_ATTRIBUTE_COMPUTE_CAPABILITY_MAJOR: 7CU_DEVICE_ATTRIBUTE_COMPUTE_CAPABILITY_MINOR: 5CU_DEVICE_ATTRIBUTE_GLOBAL_MEMORY_BUS_WIDTH: 256CU_DEVICE_ATTRIBUTE_MEMORY_CLOCK_RATE: 5001000Max Memory bandwidth: 320064000000 bytes (320.06 GiB)CudaInit completed successfully. Skipping WatchFields() since DCGM validation is disabledTensorEngineActive: generated ???, dcgm 0.000 (27605.2 gflops)TensorEngineActive: generated ???, dcgm 0.000 (28697.6 gflops)

将其部署到Kubernetes集群上，可以通过Grafana仪表板观测相应的指标。下面的代码示例：

cat << EOF | kubectl create -f - apiVersion: v1 kind: Pod metadata:   name: dcgmproftester spec:   restartPolicy: OnFailure   containers:   - name: dcgmproftester11     image: nvidia/samples:dcgmproftester-2.0.10-cuda11.0-ubuntu18.04     args: ["--no-dcgm-validation", "-t 1004", "-d 120"]     resources:       limits:          nvidia.com/gpu: 1     securityContext:       capabilities:          add: ["SYS_ADMIN"] EOF

可以看到dcgmproftester pod健康运行，随后指标显示在Grafana仪表板上。GPU利用率(GrActive)已经达到了98%的利用率峰值，可能还会发现其他有趣的指标，比如功率或GPU内存。

$ kubectl get pods -ANAMESPACE     NAME                                                              READY   STATUS    RESTARTS   AGE...default       dcgmproftester                                                    1/1     Running   0          6s

DCGM最近增加了一些设备级指标。其中包括细粒度的GPU利用率指标，可以监控SM占用率和Tensor Core利用率。有关更多信息，可以查看DCGM用户指南中的Profiling Metrics。

下图显示了 Prometheus获取的由dcgm-exporter 提供的监控指标。

您可以自定义Grafana仪表板，以包含DCGM的其他指标。在这种情况下，通过编辑 repo 上提供的 Grafana JSON 文件将 Tensor Core 利用率添加到仪表板中，也可以使用Grafana的Web界面进行编辑。

下面的仪表板包括Tensor Core利用率。重新启动dcgmproftester容器后，你可以看到T4上的Tensor Core已经达到了约87%的利用率。

通过将GPU指标作为自定义指标和Prometheus Adapter，可以使用Horizontal Pod Autoscaler根据GPU利用率或其他指标来扩展Pod数量。

二、参考资料

1. https://developer.nvidia.com/blog/monitoring-gpus-in-kubernetes-with-dcgm/#