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本文导读

工作负载伸缩原理

更新时间:2024-12-27 GMT+08:00
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CCE支持多种工作负载伸缩方式,策略对比如下:
表1 弹性伸缩策略对比

伸缩策略

HPA策略

CronHPA策略

CustomedHPA策略

VPA策略

AHPA策略

策略介绍

Kubernetes中实现POD水平自动伸缩的功能,即Horizontal Pod Autoscaling

基于HPA策略的增强能力,主要面向应用资源使用率存在周期性变化的场景。

CCE自研的弹性伸缩增强能力,可实现基于指标触发或定时触发弹性伸缩。

Kubernetes中实现POD垂直自动伸缩的功能,即Vertical Pod Autoscaling。

AHPA策略即Advanced Horizontal Pod Autoscaling,可以根据历史数据提前进行扩缩容动作。

策略规则

基于指标(CPU利用率、内存利用率),对无状态工作负载的副本数进行弹性扩缩容。

基于周期(每天、每周、每月或每年的具体时间点),对无状态工作负载的副本数进行弹性扩缩容。

基于指标(CPU利用率、内存利用率)或周期(每天、每周、每月或每年的具体时间点),对无状态工作负载的副本数进行弹性扩缩容。

基于容器资源(CPU、内存)历史使用情况,对工作负载的资源申请量进行扩缩容。

基于容器资源(CPU、内存)历史使用情况进行预测,提前对工作负载副本数进行弹性扩缩容。

主要功能

在Kubernetes社区HPA功能的基础上,增加了应用级别的冷却时间窗和扩缩容阈值等功能。

CronHPA提供HPA对象的兼容能力,您可以同时使用CronHPA与HPA。

  • CronHPA与HPA策略共同使用:CronHPA作用于HPA策略之上,用于定时调整HPA策略的实例数范围。
  • CronHPA策略单独使用:CronHPA 直接定时调整工作负载的Pod实例数。

指标触发

  • 支持按照当前实例数的百分比进行扩缩容。
  • 支持设置一次扩缩容的最小步长,可分步分级扩缩容。
  • 支持按照实际指标值执行不同的扩缩容动作。

周期触发

支持选择天、周、月或年的具体时间点或周期作为触发时间

根据CPU、内存历史使用情况自动计算建议值,并调整Pod资源申请量。

根据业务历史指标,识别工作负载弹性周期并对未来波动进行预测,提前进行扩缩容动作,解决原生HPA的滞后问题。

使用方式

创建HPA策略

创建CronHPA定时策略

创建CustomedHPA策略

创建VPA策略

创建AHPA策略

HPA工作原理

HPA(Horizontal Pod Autoscaler)是用来控制Pod水平伸缩的控制器,HPA周期性检查Pod的度量数据,计算满足HPA资源所配置的目标数值所需的副本数量,进而调整目标资源(如Deployment)的replicas字段。

想要做到自动弹性伸缩,先决条件就是能感知到各种运行数据,例如集群节点、Pod、容器的CPU、内存使用率等等。而这些数据的监控能力Kubernetes也没有自己实现,而是通过其他项目来扩展Kubernetes的能力,Kubernetes提供PrometheusMetrics Server插件来实现该能力:

  • Prometheus是一套开源的系统监控报警框架,能够采集丰富的Metrics(度量数据),目前已经基本是Kubernetes的标准监控方案。
  • Metrics Server是Kubernetes集群范围资源使用数据的聚合器。Metrics Server从kubelet公开的Summary API中采集度量数据,能够收集包括了Pod、Node、容器、Service等主要Kubernetes核心资源的度量数据,且对外提供一套标准的API。

使用HPA(Horizontal Pod Autoscaler)配合Metrics Server可以实现基于CPU和内存的自动弹性伸缩,再配合Prometheus还可以实现自定义监控指标的自动弹性伸缩。

HPA主要流程如图1所示。

图1 HPA流程图

HPA的核心有如下2个部分:

  • 监控数据来源

    最早社区只提供基于CPU和Mem的HPA,随着应用越来越多搬迁到K8s上以及Prometheus的发展,开发者已经不满足于CPU和Memory,开发者需要应用自身的业务指标,或者是一些接入层的监控信息,例如:Load Balancer的QPS、网站的实时在线人数等。社区经过思考之后,定义了一套标准的Metrics API,通过聚合API对外提供服务。

    • metrics.k8s.io: 主要提供Pod和Node的CPU和Memory相关的监控指标。
    • custom.metrics.k8s.io: 主要提供Kubernetes Object相关的自定义监控指标。
    • external.metrics.k8s.io:指标来源外部,与任何的Kubernetes资源的指标无关。
  • 扩缩容决策算法

    HPA controller根据当前指标和期望指标来计算缩放比例,计算公式如下:

    期望实例数 = 向上取整[当前实例数 * ( 当前的指标值 / 目标值 )]

    例如当前的指标值是200m,目标值是100m,那么按照公式计算期望的实例数就会翻倍。那么在实际过程中,可能会遇到实例数值反复伸缩,导致集群震荡。为了保证稳定性,HPA controller从以下几个方面进行优化:

    • 冷却时间:在1.11版本以及之前的版本,社区引入了horizontal-pod-autoscaler-downscale-stabilization-window和horizontal-pod-autoScaler-upscale-stabilization-window这两个启动参数代表缩容冷却时间和扩容冷却时间,这样保证在冷却时间内,跳过扩缩容。1.14版本之后引入延迟队列,保存一段时间内每一次检测的决策建议,然后根据当前所有有效的决策建议来进行决策,从而保证期望的副本数尽量少地发生变更,保证稳定性。
    • 忍受度:可以看成一个缓冲区,当实例变化范围在忍受范围之内的话,保持原有的实例数不变。

      首先定义ratio = 当前的指标值 / 目标值

      当|ratio – 1.0| <= 忍受度时,则会忽略,跳过scale。

      当|ratio – 1.0| > 忍受度时, 就会根据之前的公式计算期望值。

      当前社区版本中默认值为0.1。

HPA是基于指标阈值进行伸缩的,常见的指标主要是 CPU、内存,也可以通过自定义指标,例如QPS、连接数等进行伸缩。但是存在一个问题:基于指标的伸缩存在一定的时延,这个时延主要包含:采集时延(分钟级) + 判断时延(分钟级) + 伸缩时延(分钟级)。这个分钟级的时延,可能会导致应用CPU飚高,响应时间变慢。为了解决这个问题,CCE提供了定时策略,对于一些有周期性变化的应用,提前扩容资源,而业务低谷时,定时回收资源。

VPA工作原理

VPA主要包含三个组件:

  • VPA Recommender:根据历史数据给出Pod资源调整建议。
  • VPA Updater:对比建议值和当前值,不一致时重建Pod。
  • VPA Admission Controller:在Pod重建时将Pod的资源申请量修改为建议值。
图2 VPA工作流程

VPA生效的主要流程如下:

  1. 首先VPA Recommender组件会根据Pod的资源使用情况历史数据计算出Pod资源调整建议值。
  2. 然后VPA Updater对比Pod资源当前值与VPA建议值是否一致,如果需要调整则重建Pod。
  3. Pod发生重建时,VPA Admission Controller会进行拦截,并将VPA建议值调整为Pod的资源申请值。
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