基于GPU指标实现AHPA弹性预测_容器服务 Kubernetes 版 ACK(ACK)-阿里云帮助中心

AHPA可以根据从Prometheus Adapter获取到的GPU利用率数据，结合历史负载趋势和预测算法，提前预估未来的GPU资源需求，并自动调整Pod副本数量或者GPU资源分配，确保在GPU资源紧张前完成扩容操作，而在资源闲置时及时缩容，从而达到节省成本和提高集群效率的目标。

前提条件

已创建托管GPU集群。具体操作，请参见创建GPU集群。
已安装AHPA组件，并配置相关指标源。具体操作，请参见AHPA概述。
已开启Prometheus监控，且Prometheus监控中至少已收集7天应用历史数据（GPU）。具体操作，请参见阿里云Prometheus监控。

原理介绍

在高性能计算领域，尤其是深度学习模型训练、推理等对GPU资源高度依赖的场景中，通过精细化管理和动态调整GPU资源能够有效提升资源利用率并降低成本。容器服务 Kubernetes 版支持基于GPU指标进行弹性伸缩。您可以利用Prometheus采集GPU的实时利用率和显存使用情况等关键指标。然后通过Prometheus Adapter将这些指标转换为Kubernetes可识别的metrics格式，并与AHPA集成。AHPA可以根据从Prometheus Adapter获取到的GPU利用率数据，结合历史负载趋势和预测算法，提前预估未来的GPU资源需求，并自动调整Pod副本数量或者GPU资源分配，确保在GPU资源紧张前完成扩容操作，而在资源闲置时及时缩容，从而达到节省成本和提高集群效率的目标。

步骤一：部署Metrics Adapter

获取HTTP API的内网地址。
1. 登录ARMS控制台。
2. 在左侧导航栏选择Prometheus监控 > 实例列表，进入可观测监控 Prometheus 版的实例列表页面。
3. 在实例列表页面顶部，选择容器服务K8s集群所在的地域。
4. 单击目标Prometheus实例名称，然后在左侧导航栏单击设置，获取HTTP API地址下的内网地址。
部署ack-alibaba-cloud-metrics-adapter。
1. 登录容器服务管理控制台，在左侧导航栏选择市场 > 应用市场。
2. 在应用市场页面单击应用目录页签，搜索并单击ack-alibaba-cloud-metrics-adapter。
3. 在ack-alibaba-cloud-metrics-adapter页面，单击右上角的一键部署。
4. 在基本信息配置向导中，选择集群和命名空间，然后单击下一步。
5. 在参数配置配置向导中，选择Chart版本，在参数区域将步骤1获取的HTTP API内网地址配置为prometheus.url的值，然后单击确定。

步骤二：基于GPU指标实现AHPA弹性预测

本文通过在GPU上部署一个模型推理服务，然后对其进行持续请求访问，根据GPU利用率进行AHPA弹性预测。

部署推理服务。

执行以下命令，部署推理服务。

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cat <<EOF | kubectl create -f -
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: bert-intent-detection
spec:
  replicas: 1
  selector:
    matchLabels:
      app: bert-intent-detection
  template:
    metadata:
      labels:
        app: bert-intent-detection
    spec:
      containers:
      - name: bert-container
        image: registry.cn-hangzhou.aliyuncs.com/ai-samples/bert-intent-detection:1.0.1
        ports:
        - containerPort: 80
        resources:
          limits:
            cpu: "1"
            memory: 2G
            nvidia.com/gpu: "1"
          requests:
            cpu: 200m
            memory: 500M
            nvidia.com/gpu: "1"
---
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: bert-intent-detection-svc
  labels:
    app: bert-intent-detection
spec:
  selector:
    app: bert-intent-detection
  ports:
  - protocol: TCP
    name: http
    port: 80
    targetPort: 80
  type: LoadBalancer
EOF

执行以下命令，查看Pod状态。

kubectl get pods -o wide

预期输出：

NAME                                    READY   STATUS    RESTARTS   AGE     IP           NODE                        NOMINATED NODE   READINESS GATES
bert-intent-detection-7b486f6bf-f****   1/1     Running   0          3m24s   10.15.1.17   cn-beijing.192.168.94.107   <none>           <none>

执行以下命令，调用推理服务，验证部署是否成功。

您可以通过kubectl get svc bert-intent-detection-svc命令获取GPU节点的IP地址，替换如下命令中的47.95.XX.XX。

curl -v  "http://47.95.XX.XX/predict?query=Music"

预期输出：

*   Trying 47.95.XX.XX...
* TCP_NODELAY set
* Connected to 47.95.XX.XX (47.95.XX.XX) port 80 (#0)
> GET /predict?query=Music HTTP/1.1
> Host: 47.95.XX.XX
> User-Agent: curl/7.64.1
> Accept: */*
>
* HTTP 1.0, assume close after body
< HTTP/1.0 200 OK
< Content-Type: text/html; charset=utf-8
< Content-Length: 9
< Server: Werkzeug/1.0.1 Python/3.6.9
< Date: Wed, 16 Feb 2022 03:52:11 GMT
<
* Closing connection 0
PlayMusic #意图识别结果。

当HTTP请求返回状态码200和意图识别结果，说明推理服务部署成功。

配置AHPA。

本文以GPU利用率为例，当Pod的GPU利用率大于20%时，触发扩容。

配置AHPA指标源。

使用以下内容，创建application-intelligence.yaml文件。

prometheusUrl用于设置阿里云Prometheus的访问地址，值为步骤1获取的内网地址。

apiVersion: v1
kind: ConfigMap
metadata:
  name: application-intelligence
  namespace: kube-system
data:
  prometheusUrl: "http://cn-shanghai-intranet.arms.aliyuncs.com:9090/api/v1/prometheus/da9d7dece901db4c9fc7f5b*******/1581204543170*****/c54417d182c6d430fb062ec364e****/cn-shanghai"

执行以下命令，部署application-intelligence。
```
kubectl apply -f application-intelligence.yaml
```

部署AHPA。

使用以下内容，创建fib-gpu.yaml文件。

此处设置为observer观察模式，关于参数的更多信息，请参见参数说明。

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apiVersion: autoscaling.alibabacloud.com/v1beta1
kind: AdvancedHorizontalPodAutoscaler
metadata:
  name: fib-gpu
  namespace: default
spec:
  metrics:
  - resource:
      name: gpu
      target:
        averageUtilization: 20
        type: Utilization
    type: Resource
  minReplicas: 0
  maxReplicas: 100
  prediction:
    quantile: 95
    scaleUpForward: 180
  scaleStrategy: observer
  scaleTargetRef:
    apiVersion: apps/v1
    kind: Deployment
    name: bert-intent-detection
  instanceBounds:
  - startTime: "2021-12-16 00:00:00"
    endTime: "2022-12-16 00:00:00"
    bounds:
    - cron: "* 0-8 ? * MON-FRI"
      maxReplicas: 50
      minReplicas: 4
    - cron: "* 9-15 ? * MON-FRI"
      maxReplicas: 50
      minReplicas: 10
    - cron: "* 16-23 ? * MON-FRI"
      maxReplicas: 50
      minReplicas: 12

执行以下命令，部署AHPA。
```
kubectl apply -f fib-gpu.yaml
```

执行以下命令，查看AHPA状态。

kubectl get ahpa

预期输出：

NAME             STRATEGY   REFERENCE               METRIC   TARGET(%)   CURRENT(%)   DESIREDPODS   REPLICAS   MINPODS   MAXPODS   AGE
fib-gpu          observer   bert-intent-detection   gpu      20          0          0            1          10        50        6d19h

由预期输出得到，CURRENT(%)为0，TARGET(%)为20。说明当前GPU利用率是0%，当GPU利用率超过20%时触发弹性扩容。

测试推理服务弹性伸缩。

执行以下命令，对推理服务进行访问。

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apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: fib-loader
  namespace: default
spec:
  progressDeadlineSeconds: 600
  replicas: 1
  revisionHistoryLimit: 10
  selector:
    matchLabels:
      app: fib-loader
  strategy:
    rollingUpdate:
      maxSurge: 25%
      maxUnavailable: 25%
    type: RollingUpdate
  template:
    metadata:
      creationTimestamp: null
      labels:
        app: fib-loader
    spec:
      containers:
      - args:
        - -c
        - |
          /ko-app/fib-loader --service-url="http://bert-intent-detection-svc.${NAMESPACE}/predict?query=Music" --save-path=/tmp/fib-loader-chart.html
        command:
        - sh
        env:
        - name: NAMESPACE
          valueFrom:
            fieldRef:
              apiVersion: v1
              fieldPath: metadata.namespace
        image: registry.cn-huhehaote.aliyuncs.com/kubeway/knative-sample-fib-loader:20201126-110434
        imagePullPolicy: IfNotPresent
        name: loader
        ports:
        - containerPort: 8090
          name: chart
          protocol: TCP
        resources:
          limits:
            cpu: "8"
            memory: 16000Mi
          requests:
            cpu: "2"
            memory: 4000Mi

访问过程中，执行以下命令，查看AHPA的状态。

kubectl get ahpa

预期输出：

NAME             STRATEGY   REFERENCE               METRIC   TARGET(%)   CURRENT(%)   DESIREDPODS   REPLICAS   MINPODS   MAXPODS   AGE
fib-gpu          observer   bert-intent-detection   gpu      20          189          10            4          10        50        6d19h

由预期输出得到，当前GPU利用率 CURRENT(%)已超过TARGET(%)的值，触发弹性伸缩，期望的Pod数DESIREDPODS为10。

执行以下命令，查看预测效果趋势。
```
kubectl get --raw '/apis/metrics.alibabacloud.com/v1beta1/namespaces/default/predictionsobserver/fib-gpu'|jq -r '.content' |base64 -d > observer.html
```
基于历史7天的GPU指标数据预测的GPU趋势示例结果如下：
- Predict GPU Resource Observer：蓝色表示实际的GPU使用量，绿色表示AHPA预测出来的GPU使用量。绿色曲线大部分均大于蓝色，表明预测的GPU容量相对充足。
- Predict POD Oberserver：蓝色表示使用实际的扩缩容Pod数，绿色表示AHPA预测出来的扩缩容Pod数，绿色曲线大部分均小于蓝色，表明预测的Pod数量更少。您可以将弹性伸缩模式设置为auto，以预测的Pod数进行设置，为您节省更多的Pod资源，避免资源的浪费。
通过预测结果表明，弹性预测趋势符合预期。若经过观察后，符合预期，您可以将弹性伸缩模式设置为auto，由AHPA负责扩缩容。

前提条件

原理介绍

步骤一：部署Metrics Adapter

步骤二：基于GPU指标实现AHPA弹性预测

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