Kubernetes 中 Pod 弹性伸缩详解与使用

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腾讯云容器服务团队

修改于 2017-09-07 03:09:49

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Kubernetes HPA(Horizontal Pod Autoscaling)Pod水平自动伸缩，通过此功能，只需简单的配置，集群便可以利用监控指标（cpu使用率等）自动的扩容或者缩容服务中Pod数量，当业务需求增加时，系统将为您无缝地自动增加适量容器，提高系统稳定性。本文将详细讲解HPA的核心设计原理和基于Hepaster的使用方法。

1. HPA概览

HPA在kubernetes中被设计为一个controller，可以简单的使用kubectl autoscale命令来创建。HPA Controller默认30秒轮询一次，查询指定的resource中（Deployment,RC）的资源使用率，并且与创建时设定的值和指标做对比，从而实现自动伸缩的功能。

当你创建了HPA后，HPA会从Heapster或者用户自定义的RESTClient获取定义的资源中每一个pod利用率或原始值（取决于指定的目标类型）的平均值，然后和HPA中定义的指标进行对比，同时计算出需要伸缩的具体值并进行操作。
当Pod没有设置request时，HPA不会工作。
目前，HPA可以从两种取到获取数据:
- Heapster(稳定版本，仅支持CPU使用率，在使用腾讯云容器服务时，需要手动安装)。
- 自定义的监控(alpha版本，不推荐用于生产环境) 。
当需要从自定义的监控中获取数据时，只能设置绝对值，无法设置使用率。
现在只支持Replication Controller, Deployment or Replica Set的扩缩容。

2. 自动伸缩算法

HPA Controller会通过调整副本数量使得CPU使用率尽量向期望值靠近，而且不是完全相等．另外，官方考虑到自动扩展的决策可能需要一段时间才会生效：例如当pod所需要的CPU负荷过大，从而在创建一个新pod的过程中，系统的CPU使用量可能会同样在有一个攀升的过程。所以，在每一次作出决策后的一段时间内，将不再进行扩展决策。对于扩容而言，这个时间段为3分钟，缩容为5分钟。
HPA Controller中有一个tolerance（容忍力）的概念，它允许一定范围内的使用量的不稳定，现在默认为0.1，这也是出于维护系统稳定性的考虑。例如，设定HPA调度策略为cpu使用率高于50%触发扩容，那么只有当使用率大于55%或者小于45%才会触发伸缩活动，HPA会尽力把Pod的使用率控制在这个范围之间。
具体的每次扩容或者缩容的多少Pod的算法为： Ceil(前采集到的使用率 / 用户自定义的使用率) * Pod数量)
每次最大扩容pod数量不会超过当前副本数量的2倍

3. HPA YAML文件详解

下面是一个标准的基于heapster的HPA YAML文件，同时也补充了关键字段的含义

apiVersion: autoscaling/v1
kind: HorizontalPodAutoscaler
metadata:
  creationTimestamp: 2017-06-29T08:04:08Z
  name: nginxtest
  namespace: default
  resourceVersion: "951016361"
  selfLink: /apis/autoscaling/v1/namespaces/default/horizontalpodautoscalers/nginxtest
  uid: 86febb63-5ca1-11e7-aaef-5254004e79a3
spec:
  maxReplicas: 5 //资源最大副本数
  minReplicas: 1 //资源最小副本数
  scaleTargetRef:
    apiVersion: extensions/v1beta1
    kind: Deployment //需要伸缩的资源类型
    name: nginxtest  //需要伸缩的资源名称
  targetCPUUtilizationPercentage: 50 //触发伸缩的cpu使用率
status:
  currentCPUUtilizationPercentage: 48 //当前资源下pod的cpu使用率
  currentReplicas: 1 //当前的副本数
  desiredReplicas: 2 //期望的副本数
  lastScaleTime: 2017-07-03T06:32:19Z

4. 如何使用

在上文的介绍中我们知道，HPA Controller有两种途径获取监控数据：Heapster和自定义监控，由于自定义监控一直处于alpha阶段，所以本文这次主要介绍在腾讯云容器服务中使用基于Heapster的HPA方法。
腾讯云容器服务没有默认安装Heapster，所以如果需要使用HPA需要手动安装。
此方法中需要使用kubectl命令操作集群，集群apiservice地址，账号和证书相关信息暂时可以提工单申请，相关功能的产品化方案已经在设计中。

4.1 创建Heapster

创建Heapster ServiceAccount

apiVersion: v1
kind: ServiceAccount
metadata:
  name: heapster
  namespace: kube-system
  labels:
    kubernetes.io/cluster-service: "true"
    addonmanager.kubernetes.io/mode: Reconcile

创建Heapster deployment

apiVersion: extensions/v1beta1
kind: Deployment
metadata:
  name: heapster-v1.4.0-beta.0
  namespace: kube-system
  labels:
    k8s-app: heapster
    kubernetes.io/cluster-service: "true"
    addonmanager.kubernetes.io/mode: Reconcile
    version: v1.4.0-beta.0
spec:
  replicas: 1
  selector:
    matchLabels:
      k8s-app: heapster
      version: v1.4.0-beta.0
  template:
    metadata:
      labels:
        k8s-app: heapster
        version: v1.4.0-beta.0
      annotations:
        scheduler.alpha.kubernetes.io/critical-pod: ''
    spec:
      containers:
        - image: ccr.ccs.tencentyun.com/library/heapster-amd64:v1.4.0-beta.0
          name: heapster
          livenessProbe:
            httpGet:
              path: /healthz
              port: 8082
              scheme: HTTP
            initialDelaySeconds: 180
            timeoutSeconds: 5
          command:
            - /heapster
            - --source=kubernetes.summary_api:''
        - image: ccr.ccs.tencentyun.com/library/addon-resizer:1.7
          name: heapster-nanny
          resources:
            limits:
              cpu: 50m
              memory: 90Mi
            requests:
              cpu: 50m
              memory: 90Mi
          command:
            - /pod_nanny
            - --cpu=80m
            - --extra-cpu=0.5m
            - --memory=140Mi
            - --extra-memory=4Mi
            - --threshold=5
            - --deployment=heapster-v1.4.0-beta.0
            - --container=heapster
            - --poll-period=300000
            - --estimator=exponential
      serviceAccountName: heapster

创建Heapster Service

kind: Service
apiVersion: v1
metadata: 
  name: heapster
  namespace: kube-system
  labels: 
    kubernetes.io/cluster-service: "true"
    addonmanager.kubernetes.io/mode: Reconcile
    kubernetes.io/name: "Heapster"
spec: 
  ports: 
    - port: 80
      targetPort: 8082
  selector: 
    k8s-app: heapster

保存上述的文件，并使用 kubectl create -f FileName.yaml创建，当创建完成后，可以使用kubectl get 查看

$ kubectl get deployment heapster-v1.4.0-beta.0 -n=kube-system
NAME                     DESIRED   CURRENT   UP-TO-DATE   AVAILABLE   AGE
heapster-v1.4.0-beta.0   1         1         1            1           1m

$ kubectl get svc heapster -n=kube-system
NAME       CLUSTER-IP       EXTERNAL-IP   PORT(S)   AGE
heapster   172.16.255.119   <none>        80/TCP    4d

4.2 创建服务

创建一个用于测试的服务，可以选择从控制台创建，实例数量设置为1

4.3 创建HPA

现在，我们要创建一个HPA，可以使用如下命令

$ kubectl autoscale deployment nginxtest --cpu-percent=10 --min=1 --max=10
deployment "nginxtest" autoscaled

$ kubectl get hpa                                                         
NAME        REFERENCE              TARGET    CURRENT   MINPODS   MAXPODS   AGE
nginxtest   Deployment/nginxtest   10%       0%        1         10        13s

此命令创建了一个关联资源nginxtest的HPA，最小的pod副本数为1，最大为10。HPA会根据设定的cpu使用率（10%）动态的增加或者减少pod数量，此地方用于测试，所以设定的伸缩阈值会比较小。

4.4 测试

4.4.1 增大负载

我们来创建一个busybox，并且循环访问上面创建的服务。

$ kubectl run -i --tty load-generator --image=busybox /bin/sh
If you don't see a command prompt, try pressing enter.
/ # while true; do wget -q -O- http://172.16.255.60:4000; done

下图可以看到，HPA已经开始工作。

$ kubectl get hpa
NAME        REFERENCE              TARGET    CURRENT   MINPODS   MAXPODS   AGE
nginxtest   Deployment/nginxtest   10%       29%        1         10        27m

同时我们查看相关资源nginxtest的副本数量，副本数量已经从原来的1变成了3。

$ kubectl get deployment nginxtest
NAME        DESIRED   CURRENT   UP-TO-DATE   AVAILABLE   AGE
nginxtest   3         3         3            3           4d

同时再次查看HPA，由于副本数量的增加，使用率也保持在了10%左右。

$ kubectl get hpa
NAME        REFERENCE              TARGET    CURRENT   MINPODS   MAXPODS   AGE
nginxtest   Deployment/nginxtest   10%       9%        1         10        35m

4.4.2 减小负载

我们关掉刚才的busbox并等待一段时间。

$ kubectl get hpa     
NAME        REFERENCE              TARGET    CURRENT   MINPODS   MAXPODS   AGE
nginxtest   Deployment/nginxtest   10%       0%        1         10        48m

$ kubectl get deployment nginxtest
NAME        DESIRED   CURRENT   UP-TO-DATE   AVAILABLE   AGE
nginxtest   1         1         1            1           4d