Kubernetes 的自动伸缩你用对了吗？

本文翻译自 learnk8s 的 [Architecting Kubernetes clusters — choosing the best autoscaling strategy]，有增删部分内容。

TL;DR: 在默认设置下，扩展 Kubernetes 集群中的 pod 和节点可能需要几分钟时间。了解如何调整集群节点的大小、配置水平和集群自动缩放器以及过度配置集群以加快扩展速度。

自动扩展器

在 Kubernetes 中，常说的“自用扩展”有：

• [HPA：Pod 水平缩放器]
• [VPA：Pod 垂直缩放器]
• [CA：集群自动缩放器]
  不同类型的自动缩放器，使用的场景不一样。

HPA

HPA 定期检查内存和 CPU 等指标，自动调整 Deployment 中的副本数，比如流量变化：

VPA

有些时候无法通过增加 Pod 数来扩容，比如数据库。这时候可以通过 VPA 增加 Pod 的大小，比如调整 Pod 的 CPU 和内存：

CA

当集群资源不足时，CA 会自动配置新的计算资源并添加到集群中：

自动缩放 Pod 出错时

比如一个应用需要 1.5 GB 内存和 0.25 个 vCPU。一个 8GB 和 2 个 vCPU 的节点，可以容纳 4 个这样的 Pod，完美！

做如下配置：

1. HPA：每增加 10 个并发，增加一个副本。即 40 个并发的时候，自动扩展到 4 个副本。（这里使用自定义指标，比如来自 Ingress Controller 的 QPS）
2. CA：在资源不足的时候，增加计算节点。

当并发达到 30 的时候，系统是下面这样。完美！HPA 工作正常，CA 没工作。

当增加到 40 个并发的时候，系统是下面的情况：

1. HPA 增加了一个 Pod
2. Pod 挂起
3. CA 增加了一个节点

为什么 Pod 没有部署成功？

节点上的操作系统进程和 kubelet 也会消耗一部分资源，8G 和 2 vCPU 并不是全都可以提供给 Pod 用的。并且还有一个驱逐阈值：在节点系统剩余资源达到阈值时，会驱逐 Pod，避免 OOM 的发生。

当然上面的这些都是[可配置]的。

那为什么在创建该 Pod 之前，CA 没有增加新的节点呢？

CA 如何工作？

CA 在触发自动缩放时，不会查看可用的内存或 CPU。

CA 是面向事件工作的，并每 10 秒检查一次是否存在不可调度（Pending）的 Pod。

当调度器无法找到可以容纳 Pod 的节点时，这个 Pod 是不可调度的。

此时，CA 开始创建新节点：CA 扫描集群并检查是否有不可调度的 Pod。

当集群有多种节点池，CA 会通过选择下面的一种策略：

• random：默认的扩展器，随机选择一种节点池
• most-pods：能够调度最多 Pod 的节点池
• least-waste：选择扩展后，资源空闲最少的节点池
• price：选择成本最低的节点池
• priority：选择用户分配的具有最高优先级的节点池

确定类型后，CA 会调用相关 API 来创建资源。（云厂商会实现 API，比如 AWS 添加 EC2；Azure 添加 Virtual Machine；阿里云增加 ECS；GCP 增加 Compute Engine）

计算资源就绪后，就会进行[节点的初始化]

注意，这里需要一定的耗时，通常比较慢。

探索 Pod 自动缩放的前置时间

四个因素：

1. HPA 的响应耗时
2. CA 的响应耗时
3. 节点的初始化耗时
4. Pod 的创建时间

默认情况下，[kubelet 每 10 秒抓取一次 Pod 的 CPU 和内存占用情况]。

[每分钟，Metrics Server 会将聚合的指标开放]给 Kubernetes API 的其他组件使用。

[CA 每 10 秒排查不可调度的 Pod。]

• 少于 100 个节点，且每个节点最多 30 个 Pod，时间不超过 30s。平均延迟大约 5s。
• 100 到 1000个节点，不超过 60s。平均延迟大约 15s。

节点的配置时间，取决于云服务商。通常在 3~5 分钟。

容器运行时创建 Pod：启动容器的几毫秒和下载镜像的几秒钟。如果不做镜像缓存，几秒到 1 分钟不等，取决于层的大小和梳理。

对于小规模的集群，最坏的情况是 6 分 30 秒。对于 100 个以上节点规模的集群，可能高达 7 分钟。

HPA delay:          1m30s +
CA delay:           0m30s +
Cloud provider:     4m    +
Container runtime:  0m30s +
=========================
Total               6m30s

突发情况，比如流量激增，你是否愿意等这 7 分钟？

这 7 分钟，如何优化压缩？

• HPA 的刷新时间，默认 15 秒，通过 --horizontal-pod-autoscaler-sync-period 标志控制。
• Metrics Server 的指标抓取时间，默认 60 秒，通过 metric-resolution 控制。
• CA 的扫描间隔，默认 10 秒，通过 scan-interval 控制。
• 节点上缓存镜像，比如 [kube-fledged]等工具。

即使调小了上述设置，依然会受云服务商的时间限制。

那么，如何解决？

两种尝试：

1. 尽量避免被动创建新节点
2. 主动创建新节点

为 Kubernetes 选择最佳规格的节点

这会对扩展策略产生巨大影响。

这样的场景

应用程序需要 1GB 内存和 0.1 vCPU；有一个 4GB 内存和 1 个 vCPU 的节点。

排除操作系统、kubelet 和阈值保留空间后，有 2.5GB 内存和 0.7 个 vCPU 可用。

最多只能容纳 2 个 Pod，扩展副本时最长耗时 7 分钟（HPA、CA、云服务商的资源配置耗时）

假如节点的规格是 64GB 内存和 16 个 vCPU，可用的资源为 58.32GB 和 15.8 个 vCPU。

这个节点可以托管 58 个 Pod。只有扩容第 59 个副本时，才需要创建新的节点。

这样触发 CA 的机会更少。

选择大规格的节点，还有另外一个好处：资源的利用率会更高。

节点上可以容纳的 Pod 数量，决定了效率的峰值。

物极必反！更大的实例，并不是一个好的选择：

1. 爆炸半径（Blast radius）：节点故障时，少节点的集群和多节点的集群，前者影响更大。
2. 自动缩放的成本效益低：增加一个大容量的节点，其利用率会比较低（调度过去的 Pod 数少）

即使选择了正确规格的节点，配置新的计算单元时，延迟仍然存在。怎么解决？

能否提前创建节点？

为集群过度配置节点

即为集群增加备用节点，可以：

1. 创建一个节点，并留空 （比如 SchedulingDisabled）
2. 一旦空节点中有了一个 Pod，马上创建新的空节点

这种会产生额外的成本，但是效率会提升。

CA 并不支持此功能 – 总是保留一个空节点。

但是，可以伪造。创建一个只占用资源，不使用资源的 Pod 占用整个 Node 节点。

一旦有了真正的 Pod，驱逐占位的 Pod。

待后台完成新的节点配置后，将“占位” Pod 再次占用整个节点。

这个“占位”的 Pod 可以通过永久休眠来实现空间的保留。

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: overprovisioning
spec:
  replicas: 1
  selector:
    matchLabels:
      run: overprovisioning
  template:
    metadata:
      labels:
        run: overprovisioning
    spec:
      containers:
        - name: pause
          image: k8s.gcr.io/pause
          resources:
            requests:
              cpu: '1739m'
              memory: '5.9G'

使用[优先级和抢占]，来实现创建真正的 Pod 后驱逐“占位”的 Pod。

使用 PodPriorityClass 在配置 Pod 优先级：

apiVersion: scheduling.k8s.io/v1beta1
kind: PriorityClass
metadata:
  name: overprovisioning
value: -1 #默认的是 0，这个表示比默认的低
globalDefault: false
description: 'Priority class used by overprovisioning.'

为“占位” Pod 配置优先级：

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: overprovisioning
spec:
  replicas: 1
  selector:
    matchLabels:
      run: overprovisioning
  template:
    metadata:
      labels:
        run: overprovisioning
    spec:
      priorityClassName: overprovisioning #HERE
      containers:
        - name: reserve-resources
          image: k8s.gcr.io/pause
          resources:
            requests:
              cpu: '1739m'
              memory: '5.9G'

已经做完过度配置，应用程序是否需要优化？

为 Pod 选择正确的内存和 CPU 请求

Kubernetes 是根据 Pod 的内存和 CPU 请求，为其分配节点。

如果 Pod 的资源请求配置不正确，可能会过晚（或过早）触发自动缩放器。

这样一个场景：

• 应用程序平均负载下消耗 512MB 内存和 0.25 个 vCPU。
• 高峰时，消耗 4GB 内存 和 1 个 vCPU。（即资源限制，Limit）

有三种请求的配置选择：

1. 远低于平均使用量
2. 匹配平均使用量
3. 尽量接近限制

第一种的问题在于超卖严重，过度使用节点。kubelet 负载高，稳定性差。

第三种，会造成资源的利用率低，浪费资源。这种通常被称为 [QoS：Quality of Service class]中的 Guaranteed 级别，Pod 不会被终止和驱逐。

如何在稳定性和资源使用率间做权衡？

这就是 [QoS：Quality of Service class]中的 Burstable 级别，即 Pod 偶尔会使用更多的内存和 CPU。

1. 如果节点中有可用资源，应用程序会在返回基线（baseline）前使用这些资源。
2. 如果资源不足，Pod 将竞争资源（CPU），kubelet 也有可能尝试驱逐 Pod（内存）。

在 Guaranteed 和 Burstable 之前如何做选择？取决于：

1. 想尽量减少 Pod 的重新调度和驱逐，应该是用 Guaranteed。
2. 如果想充分利用资源时，使用 Burstable。比如弹性较大的服务，Web 或者 REST 服务。

如何做出正确的配置？

应该分析应用程序，并测算空闲、负载和峰值时的内存和 CPU 消耗。

甚至可以通过部署 VPA 来自动调整。

如何进行集群缩容？

每 10 秒，当请求（request）利用率低于 50%时，CA 才会决定删除节点。

CA 会汇总同一个节点上的所有 Pod 的 CPU 和内存请求。小于节点容量的一半，就会考虑对当前节点进行缩减。

需要注意的是，CA 不考虑实际的 CPU 和内存使用或者限制（limit），只看请求（request）。

移除节点之前，CA 会：

1. [检查 Pod]确保可以调度到其他节点上。
2. [检查节点]，避免节点被过早的销毁，比如两个节点的请求都低于 50%。

检查都通过之后，才会删除节点。

为什么不根据内存或 CPU 进行自动缩放？

基于内存和 CPU 的自动缩放器，不关心 pod。

比如配置缩放器在节点的 CPU 达到总量的 80%，就自动增加节点。

当你创建 3 个副本的 Deployment，3 个节点的 CPU 达到了 85%。这时会创建一个节点，但你并不需要第 4 个副本，新的节点就空闲了。

不建议使用这种类型的自动缩放器。

总结

定义和实施成功的扩展策略，需要掌握以下几点：

• 节点的可分配资源。
• 微调 Metrics Server、HPA 和 CA 的刷新间隔。
• 设计集群和节点的规格。
• 缓存容器镜像到节点。
• 应用程序的基准测试和分析。

配合适当的监控工具，可以反复测试扩展策略并调整集群的缩放速度和成本。