kubernetes之HPA详细介绍

一.HPA说明

HPA(Horizontal Pod Autoscaler)是kubernetes的一种资源对象，能够根据某些指标对在statefulset、replicacontroller、replicaset等集合中的pod数量进行动态伸缩，使运行在上面的服务对指标的变化有一定的自适应能力。

HPA目前支持四种类型的指标，分别是Resource、Object、External、Pods。其中在稳定版本autoscaling/v1只支持对CPU指标的动态伸缩，在测试版本autoscaling/v2beta2中支持memory和自定义指标的动态伸缩，并以annotation的方式工作在autoscaling/v1版本中。

注意：Pod的自动缩放不适用于无法缩放的对象。

HPA的API有三个版本：

[root@k8s001 ~]# kubectl api-versions | grep autoscal
autoscaling/v1
autoscaling/v2beta1
autoscaling/v2beta2

• autoscaling/v1：只支持基于CPU指标的缩放。
• autoscaling/v2beta1：支持Resource Metrics（资源指标，如pod的CPU）和Custom Metrics（自定义指标）的缩放。
• autoscaling/v2beta2：支持Resource Metrics（资源指标，如pod的CPU）和Custom Metrics（自定义指标）和ExternalMetrics（额外指标）的缩放。
  
  参考链接：https://v1-17.docs.kubernetes.io/zh/docs/tasks/run-application/horizontal-pod-autoscale/

二.度量指标详细说明

下面，基于具体的示例进行说明：

apiVersion: autoscaling/v2beta2
kind: HorizontalPodAutoscaler
metadata:
  name: php-apache
  namespace: default
spec:
  # HPA的伸缩对象描述，HPA会动态修改该对象的pod数量
  scaleTargetRef:
    apiVersion: apps/v1
    kind: Deployment
    name: php-apache
  # HPA的最小pod数量和最大pod数量
  minReplicas: 1
  maxReplicas: 10
  # 监控的指标数组，支持多种类型的指标共存
  metrics:
  # Object类型的指标
  - type: Object
    object:
      metric:
        # 指标名称
        name: requests-per-second
      # 监控指标的对象描述，指标数据来源于该对象
      describedObject:
        apiVersion: networking.k8s.io/v1beta1
        kind: Ingress
        name: main-route
      # Value类型的目标值，Object类型的指标只支持Value和AverageValue类型的目标值
      target:
        type: Value
        value: 10k
  # Resource类型的指标
  - type: Resource
    resource:
      name: cpu
      # Utilization类型的目标值，Resource类型的指标只支持Utilization和AverageValue类型的目标值
      target:
        type: Utilization
        averageUtilization: 50
  # Pods类型的指标
  - type: Pods
    pods:
      metric:
        name: packets-per-second
      # AverageValue类型的目标值，Pods指标类型下只支持AverageValue类型的目标值
      target:
        type: AverageValue
        averageValue: 1k
  # External类型的指标
  - type: External
    external:
      metric:
        name: queue_messages_ready
        # 该字段与第三方的指标标签相关联
        selector:
          matchLabels:
            env: "stage"
            app: "myapp"
      # External指标类型下只支持Value和AverageValue类型的目标值
      target:
        type: AverageValue
        averageValue: 30

• metrics中target字段：target总共有3种类型：Utilization、Value、AverageValue。
  • Utilization：表示平均使用率
  • Value：表示实际值
  • AverageValue：表示平均值
• metrics中type字段：type字段总共有4种类型：Object、Pods、Resource、External。
  • Object：这里指的是指定kubernetes内部对象的指标，数据需要第三方adapter提供，只提供Value和AverageValue类型的目标值。
  • Pods：这里指的是伸缩对象(stagefulSet、replicaController、replicaSet)底下的Pods的指标，数据需要第三方的adapter提供，并且只运行AverageValue类型的目标值。
  • Resource：这里指的是当前伸缩对象下的pod的cpu和memory指标，只支持Utilization和AverageValue类型的目标值。
  • External：这里指的是kubernetes外部的指标，数据需要第三方的adapter提供，只支持Value和AverageValue类型的目标值。

三.HPA动态伸缩原理

HPA在kubernetes中也由一个controller控制，controller会间隔循环HPA，检查每个HPA中监控的指标是否触发伸缩条件，默认的间隔时间为15s。一旦触发伸缩条件，controller会向kubernetes发送请求，修改伸缩对象（statefulSet、replicaController、replicaSet）子对象scale中控制pod数量的字段。kubernetess响应请求，修改scale结构体，然后会刷新一次伸缩对象的pod数量。伸缩对象被修改后，自然会通过list/watch机制增加或减少pod数量，达到动态伸缩的目的。

• 对于每个pod的资源指标(如CPU)，控制器从资源指标API中获取每一个HorizontalPodAutoscaler指定的pod的指标，如果设置了目标使用率，控制器会获取每个Pod中的容器资源使用情况，并计算资源使用率。如果使用原始值，将直接使用原始数据，进而计算出目标副本数。这里注意的是，如果Pod某些容器不支持资源采集，那么该控制器将不会使用该pod的CPU使用率。
• 如果pod使用自定义指标，控制器机制与资源指标类型，区别在于自定义的指标只适用原始值，而不是利用率。
• 如果pod使用的对象指标和外部指标(每个指标描述一个对象信息)，这个指标将直接跟目标指标设定值相比较，并生成一个上述的缩放比例。在最新的autoscaling/v2beta2版本API中，这个指标也可以根据pod数量平分后再进行计算。通常情况，控制器从一系列的聚合API(metrics.k8s.io，custom.metrics.k8s.io和external.metrics.k8s.io)中获取指标数据。metrics.k8s.io API通常由metrics-server(这里需要额外启动)提供。

四.HPA伸缩流程

HPA的主要伸缩流程如下：

1）判断当前Pod数量是否在HPA设定的Pod数量空间中，如果不在，过小返回最小值，过大返回最大值，结束伸缩。

2）判断指标的类型，并向api server发送对应的请求，拿到设定的监控指标。一般来说指标会从下面系列聚合API中获取(metrics.k8s.io，custom.metrics.k8s.io和external.metrics.k8s.io)。其中metrics.k8s.io一般由kubernetes自带的metrics-server来提供，主要是cpu、memory使用率指标。另外两种需要第三方的adapter来提供。custom.metrics.k8s.io提供的自定义指标数据，一般与kubernetes集群有关，比如跟特定的pod相关。external.metrics.k8s.io同样提供自定义指标数据，但一般与kubernetes集群无关，许多知名的第三方监控平台提供了adapter实现上述api(如prometheus)，可以将监控和adapter一同部署在kubenetes集群中提供服务。甚至能够替换原来的metrics-server来提供上述三类api指标，达到深度定制监控数据的目标。

3）根据获取的指标，使用相关的算法计算出一个伸缩系数，并乘以当前pod数量以获得期望的pod数量。这里系数是指标的期望值与目前值的比值，如果大于1表示扩容，小于1表示缩容。指数数值有平均值(AverageValue)、平均使用率(Utilization)、裸值(Value)三种类型* * 每种类型的数值都有对应的算法。注意下面事项：如果系数有小数点，统一进一；系数如果未达到某个容忍值，HPA认为变化太小，会忽略这次变化，容忍值默认为0.1。

• 这里HPA扩容算法比较保守，如果出现获取不到指标的情况，扩容时算最小值，缩容时算最大值。如果需要计算平均值，出现pod没准备好的情况，我们保守地假设尚未就绪的pods消耗了试题指标的0%，从而进一步降低了伸缩的幅度。
• 一个HPA支持多个指标的监控，HPA会循环获取所有的指标，并计算期望的pod数量，并从期望结果中获得最大的pod数量作为最终的伸缩的pod数量。一个伸缩对象在k8s中允许对应多个HPA，但是只是k8s不会报错而已，事实上HPA彼此不知道自己监控的是同一个伸缩对象，在这个伸缩对象中的pod会被多个HPA无意义地来回修改pod数量，给系统增加消耗，如果想要指定多个监控指标，可以如上述所说，在一个HPA中添加多个监控指标。
  
  4）检查最终pod数量是否在HPA设定的pod数量范围的区间，如果超过最大值或不足最小值都会修改为最大值或者最小值。然后会向kubernetes发出请求，修改伸缩对象的子对象scale的pod数量，结束一个HPA的检查，获取下一个HPA，完成一个伸缩流程。

五.HPA适用场景

HPA适用流量波动较大，机器资源紧张，服务数量多的业务场景。

六.部署测试

这里为了演示HPA，使用一个基于php-apache镜像来定制Docker镜像，Dockerfile内容如下：

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

其中，index.php页面执行一些CPU密集型计算

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

6.1 构建Docker

# 构建docker镜像
docker build -t hpa-php:test -f Dockerfile.php .
# 保存docker镜像成tar
docker save hpa-php:test -o php.tar
# 导入docker镜像到各个节点
docker load -i php.tar

6.2 创建php的yaml文件

[root@k8s001 php]# cat php.yaml
---
apiVersion: extensions/v1beta1
kind: Deployment
metadata:
  name: php
spec:
  selector:
    matchLabels:
      run: php
  replicas: 1
  template:
    metadata:
      labels:
        run: php
    spec:
      containers:
      - name: php
        image: hpa-php:test
        imagePullPolicy: IfNotPresent
        ports:
        - containerPort: 80
        resources:
          limits:
            cpu: 400m
          requests:
            cpu: 200m

---
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: php
  labels:
    run: php
spec:
  ports:
  - port: 80
  selector:
    run: php
# 部署php服务
[root@k8s001 php]# kubectl apply -f php.yaml
# 查看php服务是否部署成功
[root@k8s001 php]# kubectl get pod
NAME                                         READY   STATUS      RESTARTS   AGE
php-58b79cd964-gxcnc                         1/1     Running     0          56s

6.3 创建HPA

由上面可见，php服务正在运行。我们使用kubectl autoscale创建自动缩放器。实现对php的deployment创建的pod的自动扩缩容。下面的命令会创建一个HPA，HPA将会根据CPU资源指标进行增加或者减少副本数：

# 给deployment创建HPA
[root@k8s001 php]# kubectl autoscale deployment php --cpu-percent=50 --min=1 --max=10

说明：这里我们让副本数维持到1-10个，所有的Pod的平均CPU使用率维持在50%(这里我们运行时pod请求的cpu为200m核，说明平均CPU使用为100m核)

# 查看HPA创建的详情
[root@k8s001 php]# kubectl get hpa
NAME   REFERENCE        TARGETS   MINPODS   MAXPODS   REPLICAS   AGE
php    Deployment/php   0%/50%    1         10        1          29s

说明：这里由于我们没有给服务器增加负载，CPU当前消耗为0(TARGET列显示了由相应deployment控制的所有Pod的平均值)。

6.4 对php进行压测

说明：这里是针对CPU进行压测。

# 这里启动一个容器，并将无限查询循环发送php服务
kubectl run v1 -it --image=busybox /bin/sh
# 登录到容器，执行以下操作
/ # while true; do wget -q -O- http://php.default.svc.cluster.local; done

等待一分钟左右，我们查看HPA的负载情况：

[root@k8s001 php]# kubectl get hpa
NAME   REFERENCE        TARGETS    MINPODS   MAXPODS   REPLICAS   AGE
php    Deployment/php   264%/50%   1         10        1          16m

上面可以看到，CPU消耗已经达到264％，每个pod的目标cpu使用率是50%，因此php这个deployment创建的pod副本数将调整为6个副本，为什么是6个副本，因为264/50=5.28

[root@k8s001 php]# kubectl get pod
NAME                                         READY   STATUS      RESTARTS   AGE
php-58b79cd964-7p9nj                         1/1     Running     0          41s
php-58b79cd964-gxcnc                         1/1     Running     0          24m
php-58b79cd964-hcnnv                         1/1     Running     0          56s
php-58b79cd964-krmgd                         1/1     Running     0          56s
php-58b79cd964-pngqw                         1/1     Running     0          56s
php-58b79cd964-s86h5                         1/1     Running     0          41s
[root@k8s001 php]# kubectl get deployment php
NAME   READY   UP-TO-DATE   AVAILABLE   AGE
php    6/6     6            6           25m

说明： 这里需要几分钟来稳定副本数。因为负载情况不同，因此最终副本数可能会有差异。

6.5 停止对php服务压测，查看HPA是否会对php缩容

这里我们停止向php这个服务发送查询请求，在busybox镜像创建容器的终端中，通过Ctrl+C中断while进程，几分钟后查看结果：

# 此时CPU利用率已经降到0，所以HPA将自动缩减副本数量至1。
[root@k8s001 php]# kubectl get hpa -w
NAME  REFERENCE        TARGETS   MINPODS   MAXPODS   REPLICAS   AGE
php   Deployment/php   0%/50%    1         10        6          25m
php   Deployment/php   0%/50%    1         10        6          25m
php   Deployment/php   0%/50%    1         10        3          26m
php   Deployment/php   0%/50%    1         10        3          26m
php   Deployment/php   0%/50%    1         10        1          27m
# 查看deployment数
[root@k8s001 php]# kubectl get deployment php
NAME   READY   UP-TO-DATE   AVAILABLE   AGE
php    1/1     1            1           36m

注意：这里自动缩容需要几分钟。

同理，基于内存的缩容也可以参考此示例进行。这里我们就不进行演示说明了。