Kubernetes笔记（四）：详解Namespace与资源限制ResourceQuota，LimitRange

前面我们对K8s的基本组件与概念有了个大致的印象，并且基于K8s实现了一个初步的CI/CD流程，但对里面涉及的各个对象（如Namespace, Pod, Deployment, Service, Ingress, PVC等）及各对象的管理可能还缺乏深入的理解与实践，接下来的文章就让我们一起深入K8s的各组件内部来一探究竟吧。下图是基于个人的理解梳理的一个K8s结构图，示例了各个组件（只包含了主要组件）如何协同。

后续几篇文章围绕该图涉及组件进行整理介绍，本文主要探究Namespace及与Namespace管理相关的资源限制ResourceQuota/LimitRange部分。

Namespace

理解

Namespace即命名空间，主要有两个方面的作用：

1. 资源隔离：可为不同的团队/用户（或项目）提供虚拟的集群空间，共享同一个Kubernetes集群的资源。比如可以为团队A创建一个Namespace ns-a，团队A的项目都部署运行在 ns-a 中，团队B创建另一个Namespace ns-b，其项目都部署运行在 ns-b 中，或者为开发、测试、生产环境创建不同的Namespace，以做到彼此之间相互隔离，互不影响。我们可以使用 ResourceQuota 与 Resource LimitRange 来指定与限制 各个namesapce的资源分配与使用
2. 权限控制：可以指定某个namespace哪些用户可以访问，哪些用户不能访问

Kubernetes 安装成功后，默认会创建三个namespace：

• default：默认的namespace，如果创建Kubernetes对象时不指定 metadata.namespace，该对象将在default namespace下创建
• kube-system：Kubernetes系统创建的对象放在此namespace下，我们前面说的kube-apiserver，etcd，kube-proxy等都在该namespace下
• kube-public：顾名思义，共享的namespace，所有用户对该namespace都是可读的。主要是为集群做预留，一般都不在该namespace下创建对象

实践

1.查看namesapce

kubectl get namespaces
kubectl get namesapce
kubectl get ns               # 三个操作等效
kubectl get ns --show-labels # 显示namespace的label

使用namesapces,namesapce,ns都是可以的。如下列出了当前集群中的所有namespace

[root@kmaster ~]# kubectl get ns
NAME                   STATUS   AGE
default                Active   34d
develop                Active   17d
ingress-nginx          Active   33d
kube-node-lease        Active   34d
kube-public            Active   34d
kube-system            Active   34d
kubernetes-dashboard   Active   31d
pre-release            Active   17d

可以使用 kubectl describe 命令来查看某个namespace的概要信息，如

[root@kmaster ~]# kubectl describe ns default
Name:         default
Labels:       <none>
Annotations:  <none>
Status:       Active

No resource quota.

No resource limits.

2.创建namespace

有两种方式：通过yaml定义文件创建或直接使用命令创建。

# 方式1. 通过yaml定义文件创建
[root@kmaster ~]# vim test-namespace.yaml
apiVersion: v1
kind: Namespace
metadata:
  name: test     # namespace的名称
  labels:
    name: ns-test
[root@kmaster ~]# kubectl create -f ./test-namespace.yaml  

# 方式2. 直接使用命令创建
[root@kmaster ~]# kubectl create ns test

3.在namesapce中创建对象

# 1. 在yaml中通过metadata.namesapce 指定
[root@kmaster ~]# kubectl get deploy my-nginx -o yaml
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  labels:
    run: my-nginx
  name: my-nginx
  namespace: test  # 指定namespace
spec:
  ...
# 2. 在命令中通过 -n 或 --namesapce 指定
[root@kmaster ~]# kubectl run dev-nginx --image=nginx:latest --replicas=3 -n test

4.设定kubectl namesapce上下文

kubectl上下文即集群、namespace、用户的组合，设定kubectl上下文，即可以以上下文指定的用户，在上下文指定的集群与namespace中进行操作管理。查看当前集群kubectl上下文

# 查看当前kubectl上下文
[root@kmaster ~]# kubectl config view
apiVersion: v1
clusters:
- cluster:
    certificate-authority-data: DATA+OMITTED
    server: https://192.168.40.111:6443
  name: kubernetes
contexts:
- context:
    cluster: kubernetes
    user: kubernetes-admin
  name: kubernetes-admin@kubernetes
current-context: kubernetes-admin@kubernetes
kind: Config
preferences: {}
users:
- name: kubernetes-admin
  user:
    client-certificate-data: REDACTED
    client-key-data: REDACTED

可见当前上下文为kubernetes-admin@kubernetes (current-context: kubernetes-admin@kubernetes)。

创建一个kubectl上下文

[root@kmaster ~]# kubectl config set-context test --namespace=test --cluster=kubernetes --user=kubernetes-admin
Context "test" created.

再次执行 kubectl config view 将可以看到上面创建的test上下文。

切换上下文

# 设置当前上下文
[root@kmaster ~]# kubectl config use-context test
Switched to context "test".
# 查看当前所在的上下文
[root@kmaster ~]# kubectl config current-context
test

指定了上下文，后续操作都在该上下文对应的namespace中进行，不需要再显式指定namespace。在上下文中创建对象

# 在当前上下文中创建对象
[root@kmaster ~]# kubectl run my-nginx --image=nginx:latest --replicas=2
kubectl run --generator=deployment/apps.v1 is DEPRECATED and will be removed in a future version. Use kubectl run --generator=run-pod/v1 or kubectl create instead.
deployment.apps/my-nginx created
# 查看创建的对象，不需要指定namespace
[root@kmaster ~]# kubectl get deploy
NAME       READY   UP-TO-DATE   AVAILABLE   AGE
my-nginx   2/2     2            2           25m
[root@kmaster ~]# kubectl get pod
NAME                        READY   STATUS    RESTARTS   AGE
my-nginx-667764d77b-ldb78   1/1     Running   0          24m
my-nginx-667764d77b-wpgxw   1/1     Running   0          24m

删除上下文

[root@kmaster ~]# kubectl config delete-context test
deleted context test from /root/.kube/config

也可以使用如下命令直接切换默认的namespace

# 将默认namespace设置为test
[root@kmaster ~]# kubectl config set-context --current --namespace=test

5.删除namesapce

可以使用 kubectl delete ns <namespace名称> 来删除一个namesapce，该操作会删除namespace中的所有内容。

[root@kmaster ~]# kubectl delete ns test

Resource Quota

Resource Quota即资源配额，限定单个namespace中可使用集群资源的总量，包括两个维度：

1. 限定某个对象类型（如Pod）可创建对象的总数；
2. 限定某个对象类型可消耗的计算资源（CPU、内存）与存储资源（存储卷声明）总数

如果在 namespace 中为计算资源 CPU 和内存设定了 ResourceQuota，用户在创建对象（Pod、Service等）时，必须指定 requests 和 limits；如果在创建或更新对象时申请的资源与 namespace 的 ResourceQuota 冲突，则 apiserver 会返回 HTTP 状态码 403，以及对应的错误提示信息。当集群中总的容量小于各个 namespace 资源配额的总和时，可能会发生资源争夺，此时 Kubernetes 将按照先到先得的方式分配资源。

对象数量限制

声明格式为： count/<resource>.<group>， 如下列出各类对象的声明格式

count/persistentvolumeclaims 
count/services
count/secrets
count/configmaps
count/replicationcontrollers
count/deployments.apps
count/replicasets.apps
count/statefulsets.apps
count/jobs.batch
count/cronjobs.batch
count/deployments.extensions

计算资源限制

定义CPU、内存请求（requests）、限制（limits）使用的总量，包括

• limits.cpu：namespace中，所有非终止状态的 Pod 的 CPU 限制 resources.limits.cpu 总和不能超过该值
• limits.memory：namespace中，所有非终止状态的 Pod 的内存限制 resources.limits.memory 总和不能超过该值
• requests.cpu：namespace中，所有非终止状态的 Pod 的 CPU 请求 resources.requrest.cpu 总和不能超过该值
• requests.memory：namespace中，所有非终止状态的 Pod 的 CPU 请求 resources.requests.memory 总和不能超过该值

存储资源限制

定义存储卷声明请求的存储总量或创建存储卷声明数量的限制，包括

• requests.storage：namespace中，所有存储卷声明（PersistentVolumeClaim）请求的存储总量不能超过该值
• persistentvolumeclaims：namespace中，可以创建的存储卷声明的总数不能超过该值
• <storage-class-name>.storageclass.storage.k8s.io/requests.storage：namespace中，所有与指定存储类（StorageClass）关联的存储卷声明请求的存储总量不能超过该值
• <storage-class-name>.storageclass.storage.k8s.io/persistentvolumeclaims：namespace中，所有与指定存储类关联的存储卷声明的总数不能超过该值

除此之外，还可以对本地临时存储资源进行限制定义

• requests.ephemeral-storage：namespace中，所有 Pod 的本地临时存储（local ephemeral storage）请求的总和不能超过该值
• limits.ephemeral-storage：namespace中，所有 Pod 的本地临时存储限定的总和不能超过此值

实践

查看是否开启 Resource Quota 支持，默认一般是开启的。如果没有，可在启动 apiserver 时为参数 --enable-admission-plugins 添加 ResourceQuota 配置项。

1.创建ResourceQuota

# 创建namespace
[root@kmaster ~]# kubectl create namespace test
# 编辑ResourceQuota定义文档
[root@kmaster ~]# vim quota-test.yaml
apiVersion: v1
kind: ResourceQuota
metadata:
  name: quota-test
  namespace: test
spec:
  hard:
    requests.cpu: "2"
    requests.memory: 2Gi
    limits.cpu: "4"
    limits.memory: 4Gi
    requests.nvidia.com/gpu: 4
    pods: "3"
    services: "6"
# 创建ResourceQuota
[root@kmaster ~]# kubectl apply -f quota-test.yaml
# 查看
[root@kmaster ~]# kubectl get quota -n test
NAME         CREATED AT
quota-test   2020-05-26T10:31:10Z
[root@kmaster ~]# kubectl describe quota quota-test -n test
Name:                    quota-test
Namespace:               test
Resource                 Used  Hard
--------                 ----  ----
limits.cpu               0     4
limits.memory            0     4Gi
pods                     0     3
requests.cpu             0     2
requests.memory          0     2Gi
requests.nvidia.com/gpu  0     4
services                 0     6

或者使用kubectl命令，如

[root@kmaster ~]# kubectl create quota quota-test --hard=count/deployments.extensions=2,count/replicasets.extensions=4,count/pods=3,count/secrets=4 --namespace=test

我们在namespace test中创建了一个ResourceQuota，限制CPU、内存请求为2、2GB，限制CPU、内存限定使用为4、4GB，限制Pod个数为3 等。

我们来尝试创建一个如下定义的Deployment来测试一下，

# 创建一个测试deploy
[root@kmaster ~]# vim quota-test-deploy.yaml
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: quota-test-deploy
spec:
 selector:
    matchLabels:
      purpose: quota-test
 replicas: 3
 template:
   metadata:
     labels:
       purpose: quota-test
   spec:
     containers:
     - name: quota-test
       image: nginx
       resources:
         limits:
           memory: "2Gi"
           cpu: "1"
         requests:
           memory: "500Mi"
           cpu: "500m"
[root@kmaster ~]# kubectl apply -f quota-test-deploy.yaml -n test
# 查看pod
[root@kmaster ~]# kubectl get pod -n test
NAME                                 READY   STATUS    RESTARTS   AGE
quota-test-deploy-6b89fdc686-2dthq   1/1     Running   0          3m54s
quota-test-deploy-6b89fdc686-9m2qw   1/1     Running   0          3m54s
# 查看deploy状态
[root@kmaster ~]# kubectl get deploy quota-test-deploy -n test -o yaml
  message: 'pods "quota-test-deploy-6b89fdc686-rmktq" is forbidden: exceeded quota:
        quota-test, requested: limits.memory=2Gi, used: limits.memory=4Gi, limited:
        limits.memory=4Gi'

replicas: 3定义创建三个Pod副本，但只成功创建了两个Pod，在deploy的status部分（最后一条命令结果），我们可以看到message提示第三个Pod创建时被拒绝，因为内存已达到限定。我们也可以将limits.memory调整为1Gi，将replicas调整为4，来验证对Pod个数的限制。可看到最终只起了三个Pod，status部分message提示 pods "quota-test-deploy-9dc54f95c-gzqw7" is forbidden: exceeded quota:quota-test, requested: pods=1, used: pods=3, limited: pods=3。

Resource Limit Range

理解

Resource Quota 是对namespace中总体的资源使用进行限制，Resource Limit Range 则是对具体某个Pod或容器的资源使用进行限制。默认情况下，namespace中Pod或容器的资源消耗是不受限制的，这就可能导致某个容器应用内存泄露耗尽资源影响其它应用的情况。Limit Range可以用来限定namespace内Pod（或容器）可以消耗资源的数量。

使用LimitRange对象，我们可以：

1. 限制namespace中每个Pod或容器的最小与最大计算资源
2. 限制namespace中每个Pod或容器计算资源request、limit之间的比例
3. 限制namespace中每个存储卷声明（PersistentVolumeClaim）可使用的最小与最大存储空间
4. 设置namespace中容器默认计算资源的request、limit，并在运行时自动注入到容器中

如果创建或更新对象（Pod、容器、PersistentVolumeClaim）对资源的请求与LimitRange相冲突，apiserver会返回HTTP状态码403，以及相应的错误提示信息；如果namespace中定义了LimitRange 来限定CPU与内存等计算资源的使用，则用户创建Pod、容器时，必须指定CPU或内存的request与limit，否则将被系统拒绝；当namespace总的limit小于其中Pod、容器的limit之和时，将发生资源争夺，Pod或者容器将不能创建，但不影响已经创建的Pod或容器。

实践

创建一个测试namespace test-limitrange，

# 创建测试namespace
[root@kmaster ~]# kubectl create namespace test-limitrange
# 切换默认的namespace
[root@kmaster ~]# kubectl config set-context --current --namespace=test-limitrange

创建LimitRange定义文件 lr-test.yaml

apiVersion: v1
kind: LimitRange
metadata:
  name: lr-test
spec:
  limits:
  - type: Container       #资源类型
    max:
      cpu: "1"            #限定最大CPU
      memory: "1Gi"       #限定最大内存
    min:
      cpu: "100m"         #限定最小CPU
      memory: "100Mi"     #限定最小内存
    default:
      cpu: "900m"         #默认CPU限定
      memory: "800Mi"     #默认内存限定
    defaultRequest:
      cpu: "200m"         #默认CPU请求
      memory: "200Mi"     #默认内存请求
    maxLimitRequestRatio:
      cpu: 2              #限定CPU limit/request比值最大为2  
      memory: 1.5         #限定内存limit/request比值最大为1.5
  - type: Pod
    max:
      cpu: "2"            #限定Pod最大CPU
      memory: "2Gi"       #限定Pod最大内存
  - type: PersistentVolumeClaim
    max:
      storage: 2Gi        #限定PVC最大的requests.storage
    min:
      storage: 1Gi        #限定PVC最小的requests.storage

该文件定义了在namespace test-limitrange 中，容器、Pod、PVC的资源限制，在该namesapce中，只有满足如下条件，对象才能创建成功

• 容器的resources.limits部分CPU必须在100m-1之间，内存必须在100Mi-1Gi之间，否则创建失败
• 容器的resources.limits部分CPU与resources.requests部分CPU的比值最大为2，memory比值最大为1.5，否则创建失败
• Pod内所有容器的resources.limits部分CPU总和最大为2，内存总和最大为2Gi，否则创建失败
• PVC的resources.requests.storage最大为2Gi，最小为1Gi，否则创建失败

如果容器定义了resources.requests没有定义resources.limits，则LimitRange中的default部分将作为limit注入到容器中；如果容器定义了resources.limits却没有定义resources.requests，则将requests值也设置为limits的值；如果容器两者都没有定义，则使用LimitRange中default作为limits，defaultRequest作为requests值

创建与查看LimitRange，

# 创建LimitRange
[root@kmaster ~]# kubectl apply -f lr-test.yaml
# 查看
[root@kmaster ~]# kubectl describe limits lr-test
Name:                  lr-test
Namespace:             test-limitrange
Type                   Resource  Min    Max  Default Request  Default Limit  Max Limit/Request Ratio
----                   --------  ---    ---  ---------------  -------------  -----------------------
Container              cpu       100m   1    200m             900m           2
Container              memory    100Mi  1Gi  200Mi            800Mi          1500m
Pod                    cpu       -      2    -                -              -
Pod                    memory    -      2Gi  -                -              -
PersistentVolumeClaim  storage   1Gi    2Gi  -                -              -

我们可以创建不同配置的容器或Pod对象来验证，出于篇幅不再列出验证步骤。

总结

本文对K8s的Namespace及针对Namespace的资源限制管理ResourceQuota，LimitRange进行了较为深入的探索，其中ResourceQuota对整个Namespace的资源使用情况进行限制，LimitRange则对单个的Pod或容器的资源使用进行限制。Namespace的权限控制可基于RBAC来实现，后续再单独进行梳理介绍。

原文地址：http://blog.jboost.cn/k8s4-namespace.html

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2. Kubernetes笔记（二）：了解k8s的基本组件与概念
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作者：雨歌，一枚仍在学习路上的IT老兵
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