Kubernetes彈性伸縮全場景解讀（五） - 定時伸縮元件釋出與開源

火鍋小仙女發表於2019-05-07
元件

前言

容器技術的發展讓軟體交付和運維變得更加標準化、輕量化、自動化。這使得動態調整負載的容量變成一件非常簡單的事情。在kubernetes中，通常只需要修改對應的replicas數目即可完成。當負載的容量調整變得如此簡單後，我們再回過頭來看下應用的資源畫像。對於大部分網際網路的線上應用而言，負載的峰谷分佈是存在一定規律的。例如下圖是一個典型web應用的負載曲線。從每天早上8點開始，負載開始飆高，在中午12點到14點之間，負載會回落；14點到18點會迎來第二個高峰；在18點之後負載會逐漸回落到最低點。



資源的波峰和波谷之間相差3~4倍左右的容量，低負載的時間會維持8個小時左右。如果使用純靜態的容量規劃方式進行應用管理與部署，我們可以計算得出資源浪費比為25% (計算方式:1 - (1*8+4*16)/4*24 = 0.25 )。而當波峰和波谷之間的差別到達10倍的時候，資源浪費比就會飆升至57%(計算方式:1 - (1*8+10*16)/10*24 = 0.57 )。

那麼當我們面對這麼多的資源浪費時，是否可以透過彈性的方式來解決呢？標準的HPA是基於指標閾值進行伸縮的，常見的指標主要是CPU、記憶體，當然也可以透過自定義指標例如QPS、連線數等進行伸縮。但是這裡存在一個問題，因為基於資源的伸縮存在一定的時延，這個時延主要包含：採集時延(分鐘級) + 判斷時延(分鐘級) + 伸縮時延(分鐘級)。而對於上圖中，我們可以發現負載的峰值毛刺還是非常尖銳的，這有可能會由於HPA分鐘級別的伸縮時延造成負載數目無法及時變化，短時間內應用的整體負載飆高，響應時間變慢。特別是對於一些遊戲業務而言，由於負載過高帶來的業務抖動會造成玩家非常差的體驗。

為了解決這個場景，阿里雲容器服務提供了 kube-cronhpa-controller ，專門應對資源畫像存在週期性的場景。開發者可以根據資源畫像的週期性規律，定義time schedule，提前擴容好資源，而在波谷到來後定時回收資源。底層再結合 cluster-autoscaler 的節點伸縮能力，提供資源成本的節約。

使用方式

cronhpa 是基於CRD的方式開發的controller，使用 cronhpa 的方式非常簡單，整體的使用習慣也儘可能的和HPA保持一致。 程式碼倉庫地址

1. 安裝CRD 

kubectl apply -f config/crds/autoscaling_v1beta1_cronhorizontalpodautoscaler.yaml

2. 安裝RBAC授權 

# create ClusterRole 
kubectl apply -f config/rbac/rbac_role.yaml
# create ClusterRolebinding and ServiceAccount 
kubectl apply -f config/rbac/rbac_role_binding.yaml

3. 部署 kubernetes-cronhpa-controller 

kubectl apply -f config/deploy/deploy.yaml

4. 驗證 kubernetes-cronhpa-controller 安裝狀態 

kubectl get deploy kubernetes-cronhpa-controller -n kube-system -o wide 
kubernetes-cronhpa-controller git:(master)  kubectl get deploy kubernetes-cronhpa-controller -n kube-system
NAME                            DESIRED   CURRENT   UP-TO-DATE   AVAILABLE   AGE
kubernetes-cronhpa-controller   1         1         1            1           49s

執行一個cronhpa的demo

安裝了 kubernetes-cronhpa-controller 後，我們可以透過一個簡單的demo進行功能的驗證。在部署前，我們先看下一個標準的cronhpa的定義。 

apiVersion: autoscaling.alibabacloud.com/v1beta1
kind: CronHorizontalPodAutoscaler
metadata:
  labels:
    controller-tools.k8s.io: "1.0"
  name: cronhpa-sample
  namespace: default 
spec:
   scaleTargetRef:
      apiVersion: apps/v1beta2
      kind: Deployment
      name: nginx-deployment-basic
   jobs:
   - name: "scale-down"
     schedule: "30 */1 * * * *"
     targetSize: 1
   - name: "scale-up"
     schedule: "0 */1 * * * *"
     targetSize: 3

其中 scaleTargetRef 欄位負責描述伸縮的物件， jobs 中定義了擴充套件的 crontab 定時任務。在這個例子中，設定的是每分鐘的第0秒擴容到3個Pod，每分鐘的第30s縮容到1個Pod。如果執行正常，我們可以在30s內看到負載數目的兩次變化。

1. 部署demo應用與cronhpa的配置 

kubectl apply -f examples/deployment_cronhpa.yaml

2. 檢查demo應用副本數目 

kubectl get deploy nginx-deployment-basic 
kubernetes-cronhpa-controller git:(master)  kubectl get deploy nginx-deployment-basic
NAME                     DESIRED   CURRENT   UP-TO-DATE   AVAILABLE   AGE
nginx-deployment-basic   2         2         2            2           9s

3. 檢視cronhpa的狀態 ，確認cronhpa的job已提交 

kubectl describe cronhpa cronhpa-sample 
Name:         cronhpa-sample
Namespace:    default
Labels:       controller-tools.k8s.io=1.0
Annotations:  kubectl.kubernetes.io/last-applied-configuration:
                {"apiVersion":"autoscaling.alibabacloud.com/v1beta1","kind":"CronHorizontalPodAutoscaler","metadata":{"annotations":{},"labels":{"controll...
API Version:  autoscaling.alibabacloud.com/v1beta1
Kind:         CronHorizontalPodAutoscaler
Metadata:
  Creation Timestamp:  2019-04-14T10:42:38Z
  Generation:          1
  Resource Version:    4017247
  Self Link:           /apis/autoscaling.alibabacloud.com/v1beta1/namespaces/default/cronhorizontalpodautoscalers/cronhpa-sample
  UID:                 05e41c95-5ea2-11e9-8ce6-00163e12e274
Spec:
  Jobs:
    Name:         scale-down
    Schedule:     30 */1 * * * *
    Target Size:  1
    Name:         scale-up
    Schedule:     0 */1 * * * *
    Target Size:  3
  Scale Target Ref:
    API Version:  apps/v1beta2
    Kind:         Deployment
    Name:         nginx-deployment-basic
Status:
  Conditions:
    Job Id:           38e79271-9a42-4131-9acd-1f5bfab38802
    Last Probe Time:  2019-04-14T10:43:02Z
    Message:
    Name:             scale-down
    Schedule:         30 */1 * * * *
    State:            Submitted
    Job Id:           a7db95b6-396a-4753-91d5-23c2e73819ac
    Last Probe Time:  2019-04-14T10:43:02Z
    Message:
    Name:             scale-up
    Schedule:         0 */1 * * * *
    State:            Submitted
Events:               <none>

4. 等待一段時間，檢視cronhpa的執行狀態。 

kubernetes-cronhpa-controller git:(master) kubectl describe cronhpa cronhpa-sample
Name:         cronhpa-sample
Namespace:    default
Labels:       controller-tools.k8s.io=1.0
Annotations:  kubectl.kubernetes.io/last-applied-configuration:
                {"apiVersion":"autoscaling.alibabacloud.com/v1beta1","kind":"CronHorizontalPodAutoscaler","metadata":{"annotations":{},"labels":{"controll...
API Version:  autoscaling.alibabacloud.com/v1beta1
Kind:         CronHorizontalPodAutoscaler
Metadata:
  Creation Timestamp:  2019-04-15T06:41:44Z
  Generation:          1
  Resource Version:    15673230
  Self Link:           /apis/autoscaling.alibabacloud.com/v1beta1/namespaces/default/cronhorizontalpodautoscalers/cronhpa-sample
  UID:                 88ea51e0-5f49-11e9-bd0b-00163e30eb10
Spec:
  Jobs:
    Name:         scale-down
    Schedule:     30 */1 * * * *
    Target Size:  1
    Name:         scale-up
    Schedule:     0 */1 * * * *
    Target Size:  3
  Scale Target Ref:
    API Version:  apps/v1beta2
    Kind:         Deployment
    Name:         nginx-deployment-basic
Status:
  Conditions:
    Job Id:           84818af0-3293-43e8-8ba6-6fd3ad2c35a4
    Last Probe Time:  2019-04-15T06:42:30Z
    Message:          cron hpa job scale-down executed successfully
    Name:             scale-down
    Schedule:         30 */1 * * * *
    State:            Succeed
    Job Id:           f8579f11-b129-4e72-b35f-c0bdd32583b3
    Last Probe Time:  2019-04-15T06:42:20Z
    Message:
    Name:             scale-up
    Schedule:         0 */1 * * * *
    State:            Submitted
Events:
  Type    Reason   Age   From                            Message
  ----    ------   ----  ----                            -------
  Normal  Succeed  5s    cron-horizontal-pod-autoscaler  cron hpa job scale-down executed successfully

此時可以在event中發現負載的定時伸縮已經生效。

最後

kubernetes-cronhpa-controller 可以很好的解決擁有周期性資源畫像的負載彈性，結合底層的 cluster-autoscaler 可以降低大量的資源成本。目前 kubernetes-cronhpa-controller 已經 正式開源 ，更詳細的用法與文件請查閱程式碼倉庫的文件，歡迎開發者提交issue與pr。


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