HPA - k8s自动伸缩机制

一、HPA是什么

自动缩容扩容

举例：淘宝双11并发量大导致服务挂了，加3台之后恢复运行。双11过后这3台机器就浪费了。

可以在11:50创建一个job一次性计划任务，瞬间创建百台机器，但有延时。

二、部署 HPA

HPA（Horizontal Pod Autoscaling）Pod 水平自动伸缩，Kubernetes 有一个 HPA 的资源，HPA 可以根据 CPU 利用率自动伸缩一个 Replication Controller、Deployment 或者Replica Set 中的 Pod 数量。

metrics-server：收集node、pod资源使用情况的信息

超过阈值，扩容；低于阈值自动缩容

（1）HPA 基于 Master 上的 kube-controller-manager 服务启动参数 horizontal-pod-autoscaler-sync-period 定义的时长（默认为30秒），周期性的检测 Pod 的 CPU 使用率。

（2）HPA 与之前的 RC、Deployment 一样，也属于一种 Kubernetes 资源对象。通过追踪分析 RC 控制的所有目标 Pod 的负载变化情况，来确定是否需要针对性地调整目标Pod的副本数，这是HPA的实现原理。

（3）metrics-server 也需要部署到集群中， 它可以通过 resource metrics API 对外提供度量数据。

部署 metrics-server

●metrics-server：是kubernetes集群资源使用情况的聚合器，收集数据给kubernetes集群内使用，如kubectl、hpa、scheduler等。

//在所有 Node 节点上传 metrics-server.tar 镜像包到 /opt 目录
cd /opt/
docker load -i metrics-server.tar

//使用 helm install 安装 metrics-server
mkdir /opt/metrics
cd /opt/metrics

helm repo remove stable

helm repo add stable https://charts.helm.sh/stable
或
helm repo add stable http://mirror.azure.cn/kubernetes/charts

helm repo update

helm pull stable/metrics-server

vim metrics-server.yaml
args:
- --logtostderr
- --kubelet-insecure-tls          #tls证书
- --kubelet-preferred-address-types=InternalIP
image:
  repository: k8s.gcr.io/metrics-server-amd64
  tag: v0.3.2
  
  
//使用 helm install 安装 metrics-server
helm install metrics-server stable/metrics-server -n kube-system -f metrics-server.yaml

kubectl get pods -n kube-system | grep metrics-server

#需要多等一会儿
kubectl top node     #cup和内存资源

kubectl top pods --all-namespaces      #命名空间下pod使用的cpu、内存资源

部署 HPA

//在所有节点上传 hpa-example.tar 镜像文件到 /opt 目录
hpa-example.tar 是谷歌基于 PHP 语言开发的用于测试 HPA 的镜像，其中包含了一些可以运行 CPU 密集计算任务的代码。

cd /opt
docker load -i hpa-example.tar

docker images | grep hpa-example
gcr.io/google_containers/hpa-example          latest          4ca4c13a6d7c   5 years ago     481MB

//创建用于测试的 Pod 资源，并设置请求资源为 cpu=200m（豪核）
vim hpa-pod.yaml
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  labels:
    run: php-apache
  name: php-apache
spec:
  replicas: 1
  selector:
    matchLabels:
      run: php-apache
  template:
    metadata:
      labels:
        run: php-apache
    spec:
      containers:
      - image: gcr.io/google_containers/hpa-example
        name: php-apache
        imagePullPolicy: IfNotPresent
        ports:
        - containerPort: 80
        resources:
          requests:
            cpu: 200m
---
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: php-apache
spec:
  ports:
  - port: 80
    protocol: TCP
    targetPort: 80
  selector:
    run: php-apache
    
    
kubectl apply -f hpa-pod.yaml

kubectl get pods
NAME                          READY   STATUS    RESTARTS   AGE
php-apache-799f99c985-5j5b4   1/1     Running   0          26s
        

//使用 kubectl autoscale 命令创建 HPA 控制器，设置 cpu 负载阈值为请求资源的 50%，指定最少负载节点数量为 1 个，最大负载节点数量为 10 个（超过50%变成10个）
kubectl autoscale deployment php-apache --cpu-percent=50 --min=1 --max=10

//需要等一会儿，才能获取到指标信息 TARGETS（metrics-server收集数据需要时间）
kubectl get hpa
NAME         REFERENCE               TARGETS   MINPODS   MAXPODS   REPLICAS   AGE
php-apache   Deployment/php-apache   0%/50%    1         10        1          8m27s

kubectl top pods
NAME                          CPU(cores)   MEMORY(bytes)   
php-apache-799f99c985-5j5b4   0m           11Mi            

//创建一个测试客户端容器
kubectl run -it load-generator --image=busybox /bin/sh

//增加负载
# while true; do wget -q -O- http://php-apache.default.svc.cluster.local; done

//打开一个新的窗口，查看负载节点数目
kubectl get hpa -w
NAME         REFERENCE               TARGETS   MINPODS   MAXPODS   REPLICAS   AGE
php-apache   Deployment/php-apache   39%/50%   1         10        1          13m
php-apache   Deployment/php-apache   54%/50%   1         10        1          13m
php-apache   Deployment/php-apache   342%/50%   1         10        1          14m
php-apache   Deployment/php-apache   315%/50%   1         10        4          14m
php-apache   Deployment/php-apache   315%/50%   1         10        7          14m
php-apache   Deployment/php-apache   315%/50%   1         10        7          14m
php-apache   Deployment/php-apache   68%/50%    1         10        7          15m
php-apache   Deployment/php-apache   62%/50%    1         10        7          15m
php-apache   Deployment/php-apache   67%/50%    1         10        7          15m
php-apache   Deployment/php-apache   67%/50%    1         10        10         15m
php-apache   Deployment/php-apache   56%/50%    1         10        10         16m
php-apache   Deployment/php-apache   52%/50%    1         10        10         16m
php-apache   Deployment/php-apache   45%/50%    1         10        10         16m
php-apache   Deployment/php-apache   34%/50%    1         10        10         16m

#以上可以看到经过压测，负载节点数量最大上升到 10 个，并且 cpu 负载也随之下降。

//如果 cpu 性能较好导致负载节点上升不到 10 个，可再创建一个测试客户端同时测试：
kubectl run -i --tty load-generator1 --image=busybox /bin/sh
# while true; do wget -q -O- http://php-apache.default.svc.cluster.local; done

//查看 Pod 状态，也发现已经创建了 10 个 Pod 资源
kubectl get pods
NAME                             READY   STATUS    RESTARTS   AGE
load-generator-7d549cd44-xq5rv   1/1     Running   0          6m34s
php-apache-799f99c985-5j5b4      1/1     Running   0          20m
php-apache-799f99c985-6zn9n      1/1     Running   0          3m12s
php-apache-799f99c985-8rnqz      1/1     Running   0          101s
php-apache-799f99c985-lgth4      1/1     Running   0          2m57s
php-apache-799f99c985-nhtzv      1/1     Running   0          101s
php-apache-799f99c985-nssrp      1/1     Running   0          2m57s
php-apache-799f99c985-nx4hn      1/1     Running   0          3m12s
php-apache-799f99c985-p7h4w      1/1     Running   0          2m57s
php-apache-799f99c985-rmb9t      1/1     Running   0          3m12s
php-apache-799f99c985-xwj5p      1/1     Running   0          101s

STATUS 出现 Pending 可能是1、资源不足（内存、cpu）；2、node节点问题

#HPA 扩容的时候，负载节点数量上升速度会比较快；但回收的时候，负载节点数量下降速度会比较慢。（类似四次挥手，防止负载点上还有业务正在进行）
原因是防止在业务高峰期时因为网络波动等原因的场景下，如果回收策略比较积极的话，K8S集群可能会认为访问流量变小而快速收缩负载节点数量，而仅剩的负载节点又承受不了高负载的压力导致崩溃，从而影响业务。

三、资源限制 - Pod（cgroup）

Kubernetes对资源的限制实际上是通过cgroup来控制的，cgroup是容器的一组用来控制内核如何运行进程的相关属性集合。针对内存、CPU 和各种设备都有对应的 cgroup。
默认情况下，Pod 运行没有 CPU 和内存的限额。这意味着系统中的任何 Pod 将能够像执行该 Pod 所在的节点一样， 消耗足够多的 CPU 和内存。一般会针对某些应用的 pod 资源进行资源限制，这个资源限制是通过 resources 的 requests 和 limits 来实现。requests 为创建 Pod 时初始要分配的资源，limits 为 Pod 最高请求的资源值。

示例：
spec:
  containers:
  - image: xxxx
    imagePullPolicy: IfNotPresent
    name: auth
    ports:
    - containerPort: 8080
      protocol: TCP
    resources:
      limits:
        cpu: "2"
        memory: 1Gi
      requests:
        cpu: 250m
        memory: 250Mi

//资源限制 - 命名空间
1.计算资源配额
apiVersion: v1
kind: ResourceQuota        #使用 ResourceQuota 资源类型
metadata:
  name: compute-resources
  namespace: spark-cluster  #指定命令空间
spec:
  hard:
    pods: "20"    #设置 Pod 数量最大值
    requests.cpu: "2"
    requests.memory: 1Gi
    limits.cpu: "4"
    limits.memory: 2Gi

2.配置对象数量配额限制
apiVersion: v1
kind: ResourceQuota
metadata:
  name: object-counts
  namespace: spark-cluster
spec:
  hard:
    configmaps: "10"
    persistentvolumeclaims: "4"        #设置 pvc 数量最大值
    replicationcontrollers: "20"    #设置 rc 数量最大值
    secrets: "10"
    services: "10"
    services.loadbalancers: "2"

#如果Pod没有设置requests和limits，则会使用当前命名空间的最大资源；如果命名空间也没设置，则会使用集群的最大资源。
K8S 会根据 limits 限制 Pod 使用资源，当内存超过 limits 时 cgruops 会触发 OOM。

这里就需要创建 LimitRange 资源来设置 Pod 或其中的 Container 能够使用资源的最大默认值
apiVersion: v1
kind: LimitRange     #使用 LimitRange 资源类型
metadata:
  name: mem-limit-range
  namespace: test    #可以给指定的 namespace 增加一个资源限制
spec:
  limits:
  - default:         #default 即 limit 的值
      memory: 512Mi
      cpu: 500m
    defaultRequest:   #defaultRequest 即 request 的值
      memory: 256Mi
      cpu: 100m
    type: Container  #类型支持 Container、Pod、PVC