Analytics Zoo Cluster Serving自动扩展分布式推理

作者： Jiaming Song, Dongjie Shi, Gong, Qiyuan, Lei Xia, Wei Du, Jason Dai

随着深度学习项目从实验到生产的发展，越来越多的应用需要对深度学习模型进行大规模和实时的分布式推理服务。虽然已经有一些工具可用于相关任务（如模型优化、服务、集群调度、工作流管理等等），但对于许多深度学习的工程师和科学家来说，开发和部署能够透明地扩展到大型集群的分布式推理工作流仍然是一个具有挑战性的过程。

为了应对这一挑战，我们在Analytics Zoo 0.7.0版本中发布了Cluster Serving的支持。Analytics Zoo Cluster Serving是一个轻量级、分布式、实时的模型服务解决方案，支持多种深度学习模型（例如TensorFlow*、PyTorch*、Caffe*、BigDL和OpenVINO™的模型）。它提供了一个简单的pub/sub API（发布/订阅），用户可以轻松地将他们的推理请求发送到输入队列（使用一个简单的Python API）。然后，Cluster Serving将使用分布式流框架（如Apache Spark* Streaming、Apache Flink*等等）在大型集群中进行实时模型推理和自动扩展规模。Analytics Zoo Cluster Serving的总体架构如图1所示。

图1   Analytics Zoo Cluster Serving 解决方案总体框架

Cluster Serving的工作原理

你可以按照下面的三个简单步骤使用Cluster Serving解决方案（如图2所示）。

图2   使用Analytics  Zoo Cluster Serving解决方案的步骤

1、 在本地节点安装和准备Cluster Serving环境

• 将已经完成训练的模型复制到本地节点。当前支持的模型包括TensorFlow、PyTorch、Caffe、BigDL和OpenVINO的模型。
• 在本地节点上安装Analytics Zoo（例如使用单个pip Install命令即可完成）
• 在本地节点上配置集群服务器，包括模型的文件路径和集群地址（如Apache Hadoop*YARN集群、Spark集群、Kubernetes*集群等）

请注意这一点，Cluster Serving解决方案只需要部署在本地节点上，集群（YARN或者Kubernetes）并不需要做任何改动。

2、 启动Cluster Serving服务

通过在本地节点上运行startup script脚本启动Cluster Serving服务，例如：

start-cluster-serving.sh 

在后台，Cluster Serving将自动部署训练好的模型，并以分布式的方式跨集群服务于模型推理请求。您可以使用TensorBoard*监测其运行时状态（例如推理吞吐量）。

3、 分布式实时（流式）推理

Cluster Serving提供了一个简单的pub/sub API（发布/订阅），你可以使用这个简单的Python API将推理请求轻松地发送到输入队列（当前使用的是Redis* Streams），例如：

input = InputQueue()
input.enqueue_image(id, image)

然后，Cluster Serving将从Redis* Streams读取请求，使用Spark Streaming或Flink跨集群运行分布式实时推理，并通过Redis返回结果。最后，您可以再次使用这个简单的Python API获得推理结果，例如：

output = OutputQueue()
results = output.dequeue()

快速入门示例

你也可以通过运行Analytics Zoo 0.7.0版本中提供的快速入门示例来尝试使用Cluster Serving。快速入门示例包含了使用Cluster Serving运行分布式推理流程所需的所有组件，首次使用它的用户能够在几分钟内启动并运行。快速入门示例包含：

• 一个Analytics Zoo Cluster Serving的Docker Image （已安装所有依赖）
• 一个示例配置文件
• 一个训练好的TensorFlow模型，以及推理样本数据
• 一个示例Python客户端程序

按照下面的步骤运行快速入门示例。有关详细说明，请参阅Analytics Zoo Cluster Serving编程指南。

1、 启动 Analytics Zoo docker

#docker run -itd --name cluster-serving --net=host intelanalytics/zoo-cluster-serving:0.7. bash

2、 登录container并转到我们准备好的工作目录

#docker exec -it cluster-serving bash
#cd cluster-serving

3、 在container内启动Cluster Serving

#cluster-serving-start

4、 运行Python客户端程序，开始推理

#python quick_start.py

以下推理结果应该出现在你本地终端显示上：

image: fish1.jpeg, classification-result: class: 's prob: 0.9974158
image: cat1.jpeg, classification-result: class: 287's prob: 0.52377725
image: dog1.jpeg, classification-result: class: 's prob: 0.9226527

如果你希望构建和部署定制的Cluster Serving流程，可以从修改快速入门示例中提供的示例配置文件和示例Python程序开始。下面是这些文件的大致结构，仅供参考。有关更多详细信息，请参阅 Cluster Serving编程指南。

配置文件（config.yaml）如下所示：

## Analytics Zoo Cluster Serving Config Example
model:
  # model path must be set
  path: /opt/work/model
data:
  # default, localhost:
  src:
  # default, ,,
  image_shape:
params:
  # default,
  batch_size:
  # default,
  top_n:
spark:
  # default, local[*], change this to spark://, yarn, k8s:// etc if you want to run on cluster
  master: local[*]
  # default, 4g
  driver_memory:
  # default, 1g
  executor_memory:
  # default,
  num_executors:
  # default,
  executor_cores:
  # default,
  total_executor_cores:

Python程序（quick_start.py）如下所示：

from zoo.serving.client import InputQueue, OutputQueue
import os
import cv2
import json
import time

if __name__ == "__main__":
    input_api = InputQueue()
    base_path = "../../test/zoo/resources/serving_quick_start"
    if not base_path:
        raise EOFError("You have to set your image path")
    output_api = OutputQueue()
    output_api.dequeue()
    path = os.listdir(base_path)
    for p in path:
        if not p.endswith("jpeg"):
            continue
        img = cv2.imread(os.path.join(base_path, p))
        img = cv2.resize(img, (224, 224))
        input_api.enqueue_image(p, img)
    time.sleep(5)
    # get all results and dequeue
    result = output_api.dequeue()
    for k in result.keys():
        output = "image: " + k + ", classification-result:"
        tmp_dict = json.loads(result[k])
        for class_idx in tmp_dict.keys():
            output += "class: " + class_idx + "'s prob: " + tmp_dict[class_idx]
        print(output)

结论

我们很高兴与您分享Analytics Zoo 0.7.0版本中提供的这种新的群集模型服务支持，并希望此解决方案有助于简化您的分布式推理工作流并提高您的工作效率。我们很乐意在GitHub和邮件列表上听到您的问题和反馈。我们将持续对Analytics Zoo进行开发工作，构建统一数据分析和人工智能平台，敬请期待更多关于Analytics Zoo的信息。