Horizontal Pod Autoscaler演练

Horizontal Pod Autoscaler 可以根据CPU利用率自动伸缩 replication controller、deployment 或者 replica set 中的Pod数量（也可以基于其他应用程序提供的度量指标，目前这一功能处于 beta 版本）。

本文将引导您了解如何为 php-apache 服务器配置和使用 Horizontal Pod Autoscaler。更多 Horizontal Pod Autoscaler 的信息请参阅 Horizontal Pod Autoscaler user guide。

准备开始

本文示例需要一个1.2或者更高版本的可运行的 Kubernetes 集群以及 kubectl。 metrics-server 也需要部署到集群中，它可以通过 resource metrics API 对外提供度量数据，Horizontal Pod Autoscaler 正是根据此 API 来获取度量数据，部署方法请参考 metrics-server 。如果你正在使用GCE，按照 getting started on GCE guide 操作，metrics-server 会默认启动。

如果需要为 Horizontal Pod Autoscaler 指定多种资源度量指标，您的 Kubernetes 集群以及 kubectl 至少需要达到1.6版本。此外，如果要使用自定义度量指标，您的Kubernetes 集群还必须能够与提供这些自定义指标的API服务器通信。最后，如果要使用与 Kubernetes 对象无关的度量指标，则 Kubernetes 集群版本至少需要达到1.10版本，同样，需要保证集群能够与提供这些外部指标的API服务器通信。更多详细信息，请参阅Horizontal Pod Autoscaler user guide。

第一步：运行 php-apache 服务器并暴露服务

为了演示 Horizontal Pod Autoscaler，我们将使用一个基于 php-apache 镜像的定制 Docker 镜像。 Dockerfile 内容如下：

FROM php:5-apache
ADD index.php /var/www/html/index.php
RUN chmod a+rx index.php

它定义一个 index.php 页面来执行一些 CPU 密集型计算：

<?php
  $x = 0.0001;
  for ($i = 0; $i <= 1000000; $i++) {
    $x += sqrt($x);
  }
  echo "OK!";
?>

首先，我们先启动一个 deployment 来运行这个镜像并暴露一个服务:

kubectl run php-apache --image=k8s.gcr.io/hpa-example --requests=cpu=200m --expose --port=80

service/php-apache created
deployment.apps/php-apache created

创建 Horizontal Pod Autoscaler

现在，php-apache服务器已经运行，我们将通过 kubectl autoscale 命令创建 Horizontal Pod Autoscaler。以下命令将创建一个 Horizontal Pod Autoscaler 用于控制我们上一步骤中创建的 deployment，使 Pod 的副本数量在维持在1到10之间。大致来说，HPA 将通过增加或者减少 Pod 副本的数量（通过 Deployment ）以保持所有 Pod 的平均CPU利用率在50%以内（由于每个 Pod 通过 kubectl run 申请了200 milli-cores CPU，所以50%的 CPU 利用率意味着平均 CPU 利用率为100 milli-cores）。相关算法的详情请参阅here。

kubectl autoscale deployment php-apache --cpu-percent=50 --min=1 --max=10

horizontalpodautoscaler.autoscaling/php-apache autoscaled

我们可以通过以下命令查看 autoscaler 的状态：

kubectl get hpa

NAME         REFERENCE                     TARGET    MINPODS   MAXPODS   REPLICAS   AGE
php-apache   Deployment/php-apache/scale   0% / 50%  1         10        1          18s

请注意在上面的命令输出中，当前的CPU利用率是0%，这是由于我们尚未发送任何请求到服务器（CURRENT 列显示了相应 deployment 所控制的所有 Pod 的平均 CPU 利用率）。

增加负载

现在，我们将看到 autoscaler 如何对增加负载作出反应。我们将启动一个容器，并通过一个循环向 php-apache 服务器发送无限的查询请求（请在另一个终端中运行以下命令）：

kubectl run -i --tty load-generator --image=busybox /bin/sh

Hit enter for command prompt

while true; do wget -q -O- http://php-apache; done

在几分钟时间内，通过以下命令，我们可以看到CPU负载升高了：

kubectl get hpa

NAME         REFERENCE                     TARGET      CURRENT   MINPODS   MAXPODS   REPLICAS   AGE
php-apache   Deployment/php-apache/scale   305% / 50%  305%      1         10        1          3m

这时，由于请求增多，CPU利用率已经升至305%。可以看到，deployment 的副本数量已经增长到了7：

kubectl get deployment php-apache

NAME         DESIRED   CURRENT   UP-TO-DATE   AVAILABLE   AGE
php-apache   7         7         7            7           19m

注意： 有时最终副本的数量可能需要几分钟才能稳定下来。由于环境的差异，不同环境中最终的副本数量可能与本示例中的数量不同。

停止负载

我们将通过停止负载来结束我们的示例。

在我们创建 busybox 容器的终端中，输入<Ctrl> + C来终止负载的产生。

然后我们可以再次查看负载状态（等待几分钟时间）：

kubectl get hpa

NAME         REFERENCE                     TARGET       MINPODS   MAXPODS   REPLICAS   AGE
php-apache   Deployment/php-apache/scale   0% / 50%     1         10        1          11m

kubectl get deployment php-apache

NAME         DESIRED   CURRENT   UP-TO-DATE   AVAILABLE   AGE
php-apache   1         1         1            1           27m

这时，CPU利用率已经降到0，所以 HPA 将自动缩减副本数量至1。

注意： 自动伸缩完成副本数量的改变可能需要几分钟的时间。

基于多项度量指标和自定义度量指标自动伸缩

利用autoscaling/v2beta2API版本，您可以在自动伸缩 php-apache 这个 Deployment 时引入其他度量指标。

首先，获取autoscaling/v2beta2格式的 HorizontalPodAutoscaler 的YAML文件：

kubectl get hpa.v2beta2.autoscaling -o yaml > /tmp/hpa-v2.yaml

在编辑器中打开/tmp/hpa-v2.yaml：

apiVersion: autoscaling/v2beta2
kind: HorizontalPodAutoscaler
metadata:
  name: php-apache
spec:
  scaleTargetRef:
    apiVersion: apps/v1
    kind: Deployment
    name: php-apache
  minReplicas: 1
  maxReplicas: 10
  metrics:
  - type: Resource
    resource:
      name: cpu
      target:
        type: Utilization
        averageUtilization: 50
status:
  observedGeneration: 1
  lastScaleTime: <some-time>
  currentReplicas: 1
  desiredReplicas: 1
  currentMetrics:
  - type: Resource
    resource:
      name: cpu
      current:
        averageUtilization: 0
        averageValue: 0

需要注意的是，targetCPUUtilizationPercentage 字段已经被名为 metrics 的数组所取代。 CPU利用率这个度量指标是一个resource metric(资源度量指标)，因为它表示容器上指定资源的百分比。除CPU外，您还可以指定其他资源度量指标。默认情况下，目前唯一支持的其他资源度量指标为内存。只要metrics.k8s.io API存在，这些资源度量指标就是可用的，并且他们不会在不同的Kubernetes集群中改变名称。

您还可以指定资源度量指标使用绝对数值，而不是百分比，你需要将target类型AverageUtilization替换成AverageValue，同时将target.averageUtilization替换成target.averageValue并设定相应的值。

还有两种其他类型的度量指标，他们被认为是custom metrics（自定义度量指标）：即 Pod 度量指标和对象度量指标（pod metrics and object metrics）。这些度量指标可能具有特定于集群的名称，并且需要更高级的集群监控设置。

第一种可选的度量指标类型是 Pod 度量指标。这些指标从某一方面描述了Pod，在不同Pod之间进行平均，并通过与一个目标值比对来确定副本的数量。它们的工作方式与资源度量指标非常相像，差别是它们仅支持target 类型为AverageValue。

Pod 度量指标通过如下代码块定义：

type: Pods
pods:
  metric:
    name: packets-per-second
  target:
    type: AverageValue
    averageValue: 1k

第二种可选的度量指标类型是对象度量指标。相对于描述 Pod，这些度量指标用于描述一个在相同名字空间(namespace)中的其他对象。请注意这些度量指标用于描述这些对象，并非从对象中获取。对象度量指标支持的target类型包括Value和AverageValue。如果是Value类型，target值将直接与API返回的度量指标比较，而AverageValue类型，API返回的度量指标将按照 Pod 数量拆分，然后再与target值比较。下面的 YAML 文件展示了一个表示requests-per-second的度量指标。

type: Object
object:
  metric:
    name: requests-per-second
  describedObject:
    apiVersion: networking.k8s.io/v1beta1
    kind: Ingress
    name: main-route
  target:
    type: Value
    value: 2k

如果您指定了多个上述类型的度量指标，HorizontalPodAutoscaler 将会依次考量各个指标。 HorizontalPodAutoscaler 将会计算每一个指标所提议的副本数量，然后最终选择一个最高值。

比如，如果您的监控系统能够提供网络流量数据，您可以通过kubectl edit命令将上述 Horizontal Pod Autoscaler 的定义更改为：

apiVersion: autoscaling/v2beta1
kind: HorizontalPodAutoscaler
metadata:
  name: php-apache
spec:
  scaleTargetRef:
    apiVersion: apps/v1
    kind: Deployment
    name: php-apache
  minReplicas: 1
  maxReplicas: 10
  metrics:
  - type: Resource
    resource:
      name: cpu
      target:
        type: AverageUtilization
        averageUtilization: 50
  - type: Pods
    pods:
      metric:
        name: packets-per-second
      targetAverageValue: 1k
  - type: Object
    object:
      metric:
        name: requests-per-second
      describedObject:
        apiVersion: networking.k8s.io/v1beta1
        kind: Ingress
        name: main-route
      target:
        kind: Value
        value: 10k
status:
  observedGeneration: 1
  lastScaleTime: <some-time>
  currentReplicas: 1
  desiredReplicas: 1
  currentMetrics:
  - type: Resource
    resource:
      name: cpu
    current:
      averageUtilization: 0
      averageValue: 0
  - type: Object
    object:
      metric:
        name: requests-per-second
      describedObject:
        apiVersion: networking.k8s.io/v1beta1
        kind: Ingress
        name: main-route
      current:
        value: 10k

然后，您的 HorizontalPodAutoscaler 将会尝试确保每个Pod的CPU利用率在50%以内，每秒能够服务1000个数据包请求，并确保所有在Ingress后的Pod每秒能够服务的请求总数达到10000个。

多个度量指标下伸缩

许多度量管道允许您通过名称或附加的_labels_来描述度量指标。对于所有非资源类型度量指标(pod、object和后面将介绍的external)，，可以额外指定一个标签选择器。例如，如果你希望收集包含verb标签的http_requests度量指标，你可以在 GET 请求中指定需要的度量指标，如下所示：

type: Object
object:
  metric:
    name: `http_requests`
    selector: `verb=GET`

这个选择器使用与 Kubernetes 标签选择器相同的语法。如果名称和标签选择器匹配到多个系列，监测管道会决定如何将多个系列合并成单个值。选择器是附加的，它不会选择目标以外的对象（类型为Pods的目标和类型为Object的目标）。

基于Kubernetes以外的度量指标伸缩

运行在 Kubernetes 上的应用程序可能需要基于与 Kubernetes 集群中的任何对象没有明显关系的度量指标进行自动伸缩，例如那些描述不在 Kubernetes 任何 namespaces 服务的度量指标。

使用外部的度量指标，需要了解你使用的监控系统，相关的设置与使用自定义试题指标类似。 External metrics 可以使用你的监控系统的任何指标来自动伸缩你的集群。你只需要在metric块中提供name 和 selector，同时将类型由Object改为External。如果metricSelector匹配到多个度量指标，HorizontalPodAutoscaler 将会把它们加和。 External metrics 同时支持Value和AverageValue类型，这与Object类型的度量指标相同。

例如，如果你的应用程序处理主机上的消息队列，为了让每30个任务有1个worker，你可以将下面的内容添加到 HorizontalPodAutoscaler 的配置中。

- type: External
  external:
    metric:
      name: queue_messages_ready
      selector: "queue=worker_tasks"
    target:
      type: AverageValue
      averageValue: 30

如果可能，还是推荐 custom metric 而不是 external metrics，因为这便于让系统管理员加固 custom metrics API。而 external metrics API 可以允许访问所有的度量指标，当暴露这些服务时，系统管理员需要仔细考虑这个问题。

附录：Horizontal Pod Autoscaler状态条件

当使用autoscaling/v2beta2格式的 HorizontalPodAutoscaler 时，您将可以看到 Kubernetes 为 HorizongtalPodAutoscaler 设置的状态条件（status conditions）。这些状态条件可以显示当前 HorizontalPodAutoscaler 是否能够执行伸缩以及是否受到一定的限制。

status.conditions字段展示了这些状态条件。可以通过kubectl describe hpa命令查看当前影响 HorizontalPodAutoscaler 的各种状态条件信息：

kubectl describe hpa cm-test

Name:                           cm-test
Namespace:                      prom
Labels:                         <none>
Annotations:                    <none>
CreationTimestamp:              Fri, 16 Jun 2017 18:09:22 +0000
Reference:                      ReplicationController/cm-test
Metrics:                        ( current / target )
  "http_requests" on pods:      66m / 500m
Min replicas:                   1
Max replicas:                   4
ReplicationController pods:     1 current / 1 desired
Conditions:
  Type                  Status  Reason                  Message
  ----                  ------  ------                  -------
  AbleToScale           True    ReadyForNewScale        the last scale time was sufficiently old as to warrant a new scale
  ScalingActive         True    ValidMetricFound        the HPA was able to successfully calculate a replica count from pods metric http_requests
  ScalingLimited        False   DesiredWithinRange      the desired replica count is within the acceptable range
Events:

对于上面展示的这个 HorizontalPodAutoscaler，我们可以看出有若干状态条件处于健康状态。首先，AbleToScale 表明 HPA 是否可以获取和更新伸缩信息，以及是否存在阻止伸缩的各种回退条件。其次，ScalingActive 表明HPA是否被启用（即目标的副本数量不为零）以及是否能够完成伸缩计算。当这一状态为 False 时，通常表明获取度量指标存在问题。最后一个条件 ScalingLimitted 表明所需伸缩的值被 HorizontalPodAutoscaler 所定义的最大或者最小值所限制（即已经达到最大或者最小伸缩值）。这通常表明您可能需要调整 HorizontalPodAutoscaler 所定义的最大或者最小副本数量的限制了。

附录：Quantities

HorizontalPodAutoscaler 和 metrics api 中的所有的度量指标使用 Kubernetes 中称为 quantity （）殊整数表示。例如，数量10500m用十进制表示为10.5。如果可能的话，metrics api 将返回没有后缀的整数，否则返回以千分单位的数量。这意味着您可能会看到您的度量指标在1和1500m之间波动，或者在十进制记数法中的1和1.5。更多信息，请参阅度量术语

附录：其他可能的情况

使用YAML文件创建 autoscaler

除了使用 kubectl autoscale 命令，也可以文件创建 HorizontalPodAutoscaler ：

`application/hpa/php-apache.yaml`
`apiVersion: autoscaling/v1 kind: HorizontalPodAutoscaler metadata: name: php-apache spec: scaleTargetRef: apiVersion: apps/v1 kind: Deployment name: php-apache minReplicas: 1 maxReplicas: 10 targetCPUUtilizationPercentage: 50`

application/hpa/php-apache.yaml Copy application/hpa/php-apache.yaml to clipboard

apiVersion: autoscaling/v1
kind: HorizontalPodAutoscaler
metadata:
  name: php-apache
spec:
  scaleTargetRef:
    apiVersion: apps/v1
    kind: Deployment
    name: php-apache
  minReplicas: 1
  maxReplicas: 10
  targetCPUUtilizationPercentage: 50

使用如下命令创建 autoscaler：

kubectl create -f https://k8s.io/examples/application/hpa/php-apache.yaml

horizontalpodautoscaler.autoscaling/php-apache created

Black lives matter.

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