023.掌握Pod-Pod扩容和缩容

一 Pod的扩容和缩容

Kubernetes对Pod的扩缩容操作提供了手动和自动两种模式，手动模式通过执行kubectl scale命令或通过RESTful API对一个Deployment/RC进行Pod副本数量的设置。自动模式则需要用户根据某个性能指标或者自定义业务指标，并指定Pod副本数量的范围，系统将自动在这个范围内根据性能指标的变化进行调整。

1.1 手动缩容和扩容

  1 [root@uk8s-m-01 study]# vi nginx-deployment.yaml

  2 apiVersion: apps/v1beta1

  3 kind: Deployment

  4 metadata:

  5   name: nginx-deployment

  6 spec:

  7   replicas: 3

  8   template:

  9     metadata:

 10       labels:

 11         app: nginx

 12     spec:

 13       containers:

 14       - name: nginx

 15         image: nginx:1.7.9

 16         ports:

 17         - containerPort: 80

  1 [root@uk8s-m-01 study]# kubectl create -f nginx-deployment.yaml

  2 [root@uk8s-m-01 study]# kubectl scale deployment nginx-deployment --replicas=5	#扩容至5个

  3 [root@uk8s-m-01 study]# kubectl get pods	                                	#查看扩容后的Pod

  1 [root@uk8s-m-01 study]# kubectl scale deployment nginx-deployment --replicas=2	#缩容至2个

  2 [root@uk8s-m-01 study]# kubectl get pods

1.2 自动扩容机制

Kubernetes使用Horizontal Pod Autoscaler（HPA）的控制器实现基于CPU使用率进行自动Pod扩缩容的功能。HPA控制器基于Master的kube-controller-manager服务启动参数--horizontal-pod-autoscaler-sync-period定义的探测周期（默认值为15s），周期性地监测目标Pod的资源性能指标，并与HPA资源对象中的扩缩容条件进行对比，在满足条件时对Pod副本数量进行调整。

HPA原理

Kubernetes中的某个Metrics Server（Heapster或自定义MetricsServer）持续采集所有Pod副本的指标数据。HPA控制器通过Metrics Server的API（Heapster的API或聚合API）获取这些数据，基于用户定义的扩缩容规则进行计算，得到目标Pod副本数量。

当目标Pod副本数量与当前副本数量不同时，HPA控制器就向Pod的副本控制器（Deployment、RC或ReplicaSet）发起scale操作，调整Pod的副本数量，完成扩缩容操作。

HPA指标类型

Master的kube-controller-manager服务持续监测目标Pod的某种性能指标，以计算是否需要调整副本数量。目前Kubernetes支持的指标类型如下：

Pod资源使用率：Pod级别的性能指标，通常是一个比率值，例如CPU使用率。

Pod自定义指标：Pod级别的性能指标，通常是一个数值，例如接收的请求数量。

Object自定义指标或外部自定义指标：通常是一个数值，需要容器应用以某种方式提供，例如通过HTTP URL“/metrics”提供，或者使用外部服务提供的指标采集URL。

Metrics Server将采集到的Pod性能指标数据通过聚合API（Aggregated API）如metrics.k8s.io、 custom.metrics.k8s.io和external.metrics.k8s.io提供给HPA控制器进行查询。

扩缩容算法

Autoscaler控制器从聚合API获取到Pod性能指标数据之后，基于下面的算法计算出目标Pod副本数量，与当前运行的Pod副本数量进行对比，决定是否需要进行扩缩容操作：

desiredReplicas = ceil[currentReplicas * ( currentMetricValue / desiredMetricValue )]

即当前副本数 x（当前指标值/期望的指标值），将结果向上取整。

释义：以CPU请求数量为例，如果用户设置的期望指标值为100m，当前实际使用的指标值为200m，则计算得到期望的Pod副本数量应为两个（200/100=2）。如果设置的期望指标值为50m，计算结果为0.5，则向上取整值为1，得到目标Pod副本数量应为1个。

注意：当计算结果与1非常接近时，可以设置一个容忍度让系统不做扩缩容操作。容忍度通过kube-controller-manager服务的启动参数--horizontalpod-autoscaler-tolerance进行设置，默认值为0.1（即10%），表示基于上述算法得到的结果在[-10%-+10%]区间内，即[0.9-1.1]，控制器都不会进行扩缩容操作。

也可以将期望指标值（desiredMetricValue）设置为指标的平均值类型，例如targetAverageValue或targetAverageUtilization，此时当前指标值（currentMetricValue）的算法为所有Pod副本当前指标值的总和除以Pod副本数量得到的平均值。

此外，存在几种Pod异常的如下情况：

Pod正在被删除（设置了删除时间戳）：将不会计入目标Pod副本数量。
Pod的当前指标值无法获得：本次探测不会将这个Pod纳入目标Pod副本数量，后续的探测会被重新纳入计算范围。
如果指标类型是CPU使用率，则对于正在启动但是还未达到Ready状态的Pod，也暂时不会纳入目标副本数量范围。

提示：可以通过kubecontroller-manager服务的启动参数--horizontal-pod-autoscaler-initialreadiness-delay设置首次探测Pod是否Ready的延时时间，默认值为30s。

另一个启动参数--horizontal-pod-autoscaler-cpuinitialization-period设置首次采集Pod的CPU使用率的延时时间。

当存在缺失指标的Pod时，系统将更保守地重新计算平均值。系统会假设这些Pod在需要缩容（Scale Down）时消耗了期望指标值的100%，在需要扩容（Scale Up）时消耗了期望指标值的0%，这样可以抑制潜在的扩缩容操作。

此外，如果存在未达到Ready状态的Pod，并且系统原本会在不考虑缺失指标或NotReady的Pod情况下进行扩展，则系统仍然会保守地假设这些Pod消耗期望指标值的0%，从而进一步抑制扩容操作。如果在HorizontalPodAutoscaler中设置了多个指标，系统就会对每个指标都执行上面的算法，在全部结果中以期望副本数的最大值为最终结果。如果这些指标中的任意一个都无法转换为期望的副本数（例如无法获取指标的值），系统就会跳过扩缩容操作。

最后，在HPA控制器执行扩缩容操作之前，系统会记录扩缩容建议信息（Scale Recommendation）。控制器会在操作时间窗口（时间范围可以配置）中考虑所有的建议信息，并从中选择得分最高的建议。这个值可通过kube-controller-manager服务的启动参数--horizontal-podautoscaler-downscale-stabilization-window进行配置，默认值为5min。这个配置可以让系统更为平滑地进行缩容操作，从而消除短时间内指标值快速波动产生的影响。

1.3 HorizontalPodAutoscaler

Kubernetes将HorizontalPodAutoscaler资源对象提供给用户来定义扩缩容的规则。

HorizontalPodAutoscaler资源对象处于Kubernetes的API组“autoscaling”中，目前包括v1和v2两个版本。其中autoscaling/v1仅支持基于CPU使用率的自动扩缩容， autoscaling/v2则用于支持基于任意指标的自动扩缩容配置，包括基于资源使用率、 Pod指标、其他指标等类型的指标数据。

示例1：基于autoscaling/v1版本的HorizontalPodAutoscaler配置，仅可以设置CPU使用率。

  1 [root@uk8s-m-01 study]# vi php-apache-autoscaling-v1.yaml

  2 apiVersion: autoscaling/v1

  3 kind: HorizontalPodAutoscaler

  4 metadata:

  5   name: php-apache

  6 spec:

  7   scaleTargetRef:

  8     apiVersion: apps/v1

  9     kind: Deployment

 10     name: php-apache

 11   minReplicas: 1

 12   maxReplicas: 10

 13   targetCPUUtilizationPercentage: 50

释义：

scaleTargetRef：目标作用对象，可以是Deployment、ReplicationController或ReplicaSet。

targetCPUUtilizationPercentage：期望每个Pod的CPU使用率都为50%，该使用率基于Pod设置的CPU Request值进行计算，例如该值为200m，那么系统将维持Pod的实际CPU使用值为100m。

minReplicas和maxReplicas：Pod副本数量的最小值和最大值，系统将在这个范围内进行自动扩缩容操作，并维持每个Pod的CPU使用率为50%。

为了使用autoscaling/v1版本的HorizontalPodAutoscaler，需要预先安装Heapster组件或Metrics Server，用于采集Pod的CPU使用率。

示例2：基于autoscaling/v2beta2的HorizontalPodAutoscaler配置。

  1 [root@uk8s-m-01 study]# vi php-apache-autoscaling-v2.yaml

  2 apiVersion: autoscaling/v2beta2

  3 kind: HorizontalPodAutoscaler

  4 metadata:

  5   name: php-apache

  6 spec:

  7   scaleTargetRef:

  8     apiVersion: apps/v1

  9     kind: Deployment

 10     name: php-apache

 11   minReplicas: 1

 12   maxReplicas: 10

 13   metrics:

 14   - type: Resource

 15     resource:

 16       name: cpu

 17       target:

 18         type: Utilization

 19         averageUtilization: 50

释义：

scaleTargetRef：目标作用对象，可以是Deployment、ReplicationController或ReplicaSet。

minReplicas和maxReplicas：Pod副本数量的最小值和最大值，系统将在这个范围内进行自动扩缩容操作，并维持每个Pod的CPU使用率为50%。

metrics：目标指标值。在metrics中通过参数type定义指标的类型；通过参数target定义相应的指标目标值，系统将在指标数据达到目标值时（考虑容忍度的区间）触发扩缩容操作。

metrics中的type（指标类型）设置为以下几种：

Resource：基于资源的指标值，可以设置的资源为CPU和内存。
Pods：基于Pod的指标，系统将对全部Pod副本的指标值进行平均值计算。
Object：基于某种资源对象（如Ingress）的指标或应用系统的任意自定义指标。

Resource类型的指标可以设置CPU和内存。对于CPU使用率，在target参数中设置averageUtilization定义目标平均CPU使用率。对于内存资源，在target参数中设置AverageValue定义目标平均内存使用值。指标数据可以通过API“metrics.k8s.io”进行查询，要求预先启动Metrics Server服务。

Pods类型和Object类型都属于自定义指标类型，指标的数据通常需要搭建自定义Metrics Server和监控工具进行采集和处理。指标数据可以通过API“custom.metrics.k8s.io”进行查询，要求预先启动自定义Metrics Server服务。

类型为Pods的指标数据来源于Pod对象本身，其target指标类型只能使用AverageValue，示例：

  1  metrics:

  2   - type: Pods

  3     pods:

  4       metrics:

  5         name: packets-per-second

  6       target:

  7         type: AverageValue

  8         averageValue: 1k