本教程介绍如何快速开发基于Kubeflow Pipelines的机器学习工作流。

可体验到

  • 在Kubernetes中创建共享存储
  • 基于Kubeflow Pipelines的机器学习工作流

前置知识

  • Kubernetes Volume
  • 创建NAS存储
  • 了解Python语言
  • 手写数字识别训练

前提条件

在开始之前您需要先在Kubernetes集群上部署Kubeflow Pipelines服务，请参见在阿里云容器服务上部署Kubeflow Pipelines服务。

步骤一：创建共享存储

  1. 登录NAS控制台，在集群所在可用区下创建一个文件系统。
  2. 在NFS Server中创建/data目录。

    其中NFS_SERVER_IP请替换成真实NAS服务器地址。 

    mkdir -p /nfs
mount -t nfs -o vers=4.0 NFS_SERVER_IP:/ /nfs
mkdir -p /data
umount /nfs
  3. 创建Persistent Volume。 
    vim nfs-pvc.yaml

    新增以下内容：

    其中NFS_SERVER_IP请替换成真实NAS服务器地址。 

    apiVersion: v1
kind: PersistentVolume
metadata:
  name: user-susan
  labels:
    user-susan: pipelines
spec:
  persistentVolumeReclaimPolicy: Retain
  capacity:
    storage: 10Gi
  accessModes:
  - ReadWriteMany
  nfs:
    server: NFS_SERVER_IP
    path: "/data"
    执行创建命令： 
    kubectl create -f nfs-pv.yaml
  4. 创建Persistent Volume Claim。 
    vim nfs-pvc.yaml

    新增以下内容：

    apiVersion: v1
kind: PersistentVolumeClaim
metadata:
  name: user-susan
  namespace: kubeflow
  annotations:
    description: "this is the mnist demo"
    owner: Tom
spec:
  accessModes:
    - ReadWriteMany
  resources:
    requests:
       storage: 5Gi
  selector:
    matchLabels:
	user-susan: pipelines
    执行创建命令： 
    kubectl create -f nfs-pvc.yaml

步骤二：开发Pipeline

由于Kubeflow Pipelines提供的例子都是依赖于Google的存储服务，这导致国内的用户无法真正体验Pipelines的能力。阿里云容器服务团队提供了训练MNIST模型的例子，方便您在阿里云上使用和学习Kubeflow Pipelines。

分为以下三步：

  1. 下载数据。
  2. 利用TensorFlow进行模型训练。
  3. 模型导出。

在Kubeflow Pipelines中可以用Python代码描述了这样一个流程，完整代码可以请参见standalone_pipeline.py。

Kubeflow Pipelines会将上面的代码转化成一个有向无环图（DAG），其中的每一个节点就是Component（组件），而Component（组件）之间的连线代表它们之间的依赖关系。从Pipelines UI可以看到DAG图： DAG

下面将解读以下主要部分代码：

  1. 首先看一下函数定义部分： 
    @dsl.pipeline(
  name='pipeline to run jobs',
  description='shows how to run pipeline jobs.'
)
def sample_pipeline(learning_rate='0.01',
    dropout='0.9',
    model_version='1',
    commit='f097575656f927d86d99dd64931042e1a9003cb2'):
  """A pipeline for end to end machine learning workflow."""
  data=["user-susan:/training"]
     gpus=1

    @dsl.pipeline是表示工作流的装饰器，这个装饰器中需要定义两个属性，分别是name和description。

    入口方法sample_pipeline中定义了4个参数learning_rate，dropout，model_version和commit，分别可以在训练和模型导出阶段使用。

  2. 函数中第一步是数据准备工作，这里我们提供了arena.standalone_job_op的Python API。
    • name：工作流中步骤的名称。
    • image：要使用的容器镜像。
    • data：要使用的数据以及其对应到容器内部的挂载目录，这里的data是一个数组格式，例如data=["user-susan:/training"]，表示可以挂载到多个数据，user-susan是之前创建的Persistent Volume Claim，而/training为容器内部的挂载目录。 
    prepare_data = arena.standalone_job_op(
    name="prepare-data",
    image="byrnedo/alpine-curl",
    data=data,
    command="mkdir -p /training/dataset/mnist && \
  cd /training/dataset/mnist && \
  curl -O https://code.aliyun.com/xiaozhou/tensorflow-sample-code/raw/master/data/t10k-images-idx3-ubyte.gz && \
  curl -O https://code.aliyun.com/xiaozhou/tensorflow-sample-code/raw/master/data/t10k-labels-idx1-ubyte.gz && \
  curl -O https://code.aliyun.com/xiaozhou/tensorflow-sample-code/raw/master/data/train-images-idx3-ubyte.gz && \
  curl -O https://code.aliyun.com/xiaozhou/tensorflow-sample-code/raw/master/data/train-labels-idx1-ubyte.gz")

    上述步骤实际上是从指定地址利用curl下载数据到分布式存储对应的目录/training/dataset/mnist，这里的/training为分布式存储的根目录，类似根mount点，而/training/dataset/mnist是子目录。

  3. 第二步是利用下载到分布式存储的数据，并通过git指定固定commit id下载代码，并进行模型训练。 
    train = arena.standalone_job_op(
    name="train",
    image="tensorflow/tensorflow:1.11.0-gpu-py3",
    sync_source="https://code.aliyun.com/xiaozhou/tensorflow-sample-code.git",
    env=["GIT_SYNC_REV=%s" % (commit)],
    gpus=gpus,
    data=data,
    command='''
    echo %s;python code/tensorflow-sample-code/tfjob/docker/mnist/main.py \
    --max_steps 500 --data_dir /training/dataset/mnist \
    --log_dir /training/output/mnist  --learning_rate %s \
    --dropout %s''' % (prepare_data.output, learning_rate, dropout),
metrics=["Train-accuracy:PERCENTAGE"])

    可以看到这个步骤比数据准备要相对复杂一点，除了第一步骤中的name，image, data和command之外，在模型训练步骤中，还需要指定：

    • 获取代码的方式：从可重现实验的角度来看，对于运行试验代码的追本溯源，是非常重要的一环。可以在API调用时指定sync_source的git代码源，同时通过设定env中GIT_SYNC_REV指定训练代码的commit id。
    • gpu：默认为0，就是不使用GPU；如果为大于0的整数值，就代表该步骤需要这个数量的GPU数。
    • metrics：同样是从可重现和可比较的实验目的出发，用户可以将需要的一系列指标导出，并且通过Pipelines UI上直观的显示和比较。具体使用方法分为两步。
      1. 在调用API时以数组的形式指定要收集指标的metrics、name和指标的展示格式PERCENTAGE或者是RAW，例如metrics=["Train-accuracy:PERCENTAGE"]。
      2. 由于Pipelines默认会从stdout日志中收集指标，您需要在真正运行的模型代码中输出{metrics name}={value}或者{metrics name}:{value}，可以参考具体样例代码。

    在本步骤中指定了和prepare_data相同的data参数["user-susan:/training"]，就可以在训练代码中读到对应的数据，例如--data_dir /training/dataset/mnist。由于该步骤依赖于prepare_data，可以在方法中通过指定prepare_data.output表示两个步骤的依赖关系。

  4. 最后export_model是基于train训练产生的checkpoint，生成训练模型： 
    export_model = arena.standalone_job_op(
    name="export-model",
    image="tensorflow/tensorflow:1.11.0-py3",
    sync_source="https://code.aliyun.com/xiaozhou/tensorflow-sample-code.git",
    env=["GIT_SYNC_REV=%s" % (commit)],
    data=data,
    command="echo %s;python code/tensorflow-sample-code/tfjob/docker/mnist/export_model.py --model_version=%s --checkpoint_path=/training/output/mnist /training/output/models" % (train.output, model_version))

    export_model和第二步train类似，它只是从git同步模型导出代码并且利用共享目录/training/output/mnist中的checkpoint执行模型导出。

步骤三：提交Pipeline

您可以在自己的Kubernetes内将前面开发工作流的Python DSL提交到Kubeflow Pipelines服务中，提交代码如下所示： 
 KFP_SERVICE="ml-pipeline.kubeflow.svc.cluster.local:8888"
  import kfp.compiler as compiler
  compiler.Compiler().compile(sample_pipeline, __file__ + '.tar.gz')
  client = kfp.Client(host=KFP_SERVICE)
  try:
    experiment_id = client.get_experiment(experiment_name=EXPERIMENT_NAME).id
  except:
    experiment_id = client.create_experiment(EXPERIMENT_NAME).id
  run = client.run_pipeline(experiment_id, RUN_ID, __file__ + '.tar.gz',
                            params={'learning_rate':learning_rate,
                                     'dropout':dropout,
                                    'model_version':model_version,
                                    'commit':commit})

上述代码中：

  • 利用compiler.compile将Python代码编译成执行引擎（Argo）识别的DAG配置文件。
  • 通过Kubeflow Pipeline的客户端创建或者找到已有的实验，并且提交之前编译出的DAG配置文件。

下面介绍如何在Kubernetes内执行提交代码：

  1. 在集群内准备一个python3的环境，并且安装Kubeflow Pipelines SDK。 
    kubectl create job pipeline-client --namespace kubeflow --image python:3 -- sleep infinity
kubectl  exec -it -n kubeflow $(kubectl get po -l job-name=pipeline-client -n kubeflow | grep -v NAME| awk '{print $1}') bash
  2. 登录到Python3的环境后，执行如下命令，连续提交两个不同参数的任务。 
    pip3 install http://kubeflow.oss-cn-beijing.aliyuncs.com/kfp/0.1.14/kfp.tar.gz --upgrade
pip3 install http://kubeflow.oss-cn-beijing.aliyuncs.com/kfp-arena/kfp-arena-0.4.tar.gz --upgrade
curl -O https://raw.githubusercontent.com/cheyang/pipelines/update_standalone_sample/samples/arena-samples/standalonejob/standalone_pipeline.py
python3 standalone_pipeline.py --learning_rate 0.0001 --dropout 0.8 --model_version 2
python3 standalone_pipeline.py --learning_rate 0.0005 --dropout 0.8 --model_version 3

步骤四：查看运行结果

登录到Kubeflow Pipelines的UI： https://{pipeline地址}/pipeline/#/experiments， 例如 
https://192.168.285.171/pipeline/#/experiments
EXP

单击Compare runs按钮，可以比较两个实验的输入，花费的时间和精度等一系列指标。让实验可追溯是让实验可重现的第一步；而利用Kubeflow Pipelines本身的实验管理能力则是开启实验可重现的第一步。

compare