先发制人遇事不慌：Kubernetes集群主动扩展

当集群资源不足时，Cluster Autoscaler会提供新节点并将其加入集群。使用Kubernetes时你可能会注意到，创建节点并将其加入集群的过程可能需要花费数分钟。在这段时间里，应用程序很容易被连接淹没，因为已经无法进一步扩展了。

如何消除如此长的等待时间？

主动扩展（Proactive scaling），或者：

理解集群Autoscaler的工作原理并最大限度提升其效用；
使用Kubernetes scheduler为节点分配另一个Pod；以及
主动配置工作节点，以改善扩展效果。

注意：本文涉及的所有代码都已发布至LearnK8s GitHub。

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Cluster Autoscaler如何在Kubernetes中生效

Cluster Autoscaler在触发自动扩展时并不检查内存或CPU的可用数，而是会对事件作出反应，检查所有不可调度的Pod。当调度器找不到能容纳某个Pod的节点时，我们就说这个Pod是不可调度的。

我们可以这样创建一个集群来测试看看。

bash
$ linode-cli lke cluster-create \
 --label learnk8s \
 --region eu-west \
 --k8s_version 1.23 \
 --node_pools.count 1 \
 --node_pools.type g6-standard-2 \
 --node_pools.autoscaler.enabled enabled \
 --node_pools.autoscaler.max 10 \
 --node_pools.autoscaler.min 1 \
$ linode-cli lke kubeconfig-view "insert cluster id here" --text | tail +2 | base64 -d > kubeconfig

请留意下列细节：

每个节点有4GB内存和2个vCPU（例如“g6-standard-2”实例）
集群中只有一个节点，并且
Cluster autoscaler被配置为从1个节点扩展至10个节点

我们可以用下列命令验证安装已成功完成：

bash
$ kubectl get pods -A --kubeconfig=kubeconfig

用环境变量导出kubeconfig文件通常是一种很方便的做法，为此我们可以运行：

bash
$ export KUBECONFIG=${PWD}/kubeconfig
$ kubectl get pods

部署应用程序

让我们部署一个需要1GB内存和250m* CPU的应用程序。

注意：m = 内核的千分之一容量，因此250m = CPU的25%容量。

yaml
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
 name: podinfo
spec:
 replicas: 1
 selector:
   matchLabels:
     app: podinfo
 template:
   metadata:
     labels:
       app: podinfo
   spec:
     containers:
       - name: podinfo
         image: stefanprodan/podinfo
         ports:
           - containerPort: 9898
         resources:
           requests:
             memory: 1G
             cpu: 250m

用下列命令将资源提交至集群：

bash
$ kubectl apply -f podinfo.yaml

随后很快会发现一些情况。首先，三个Pod几乎会立即开始运行，另有一个Pod处于“未决”状态。

随后很快：

几分钟后，Autoscaler创建了一个额外的Pod，并且
第四个Pod会被部署到一个新节点中。

第四个Pod为何没有部署到第一个节点中？让我们一起看看已分配的资源。

Kubernetes节点中资源的分配

Kubernetes集群中部署的Pod会消耗内存、CPU以及存储资源。而且在同一个节点上，操作系统和Kubelet也需要消耗内存和CPU。

在Kubernetes工作节点上，内存和CPU会被拆分为：

运行操作系统和系统守护进程（如SSH、Systemd等）所需的资源。
运行Kubernetes代理程序（如Kubelet、容器运行时以及节点故障检测程序等）所需的资源。
可用于Pod的资源。
为排空阈值（Eviction threshold）保留的资源。

如果集群运行了DaemonSet（如kube-proxy），那么可用内存和CPU数量还将进一步减少。

那么我们不妨降低需求，以确保能将所有Pod都放入同一个节点中：

yaml
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
 name: podinfo
spec:
 replicas: 4
 selector:
   matchLabels:
     app: podinfo
 template:
   metadata:
     labels:
       app: podinfo
   spec:
     containers:
       - name: podinfo
         image: stefanprodan/podinfo
         ports:
           - containerPort: 9898
         resources:
           requests:
             memory: 0.8G # <- lower memory
             cpu: 200m    # <- lower CPU

我们可以使用下列命令修改这个部署：

bash
$ kubectl apply -f podinfo.yaml

选择恰当数量的CPU和内存以优化实例的运行，这是个充满挑战的工作。Learnk8s计算器工具可以帮助我们更快速地完成这项工作。

一个问题解决了，但是创建新节点花费的时间呢？

迟早我们会需要四个以上的副本，我们是否真的需要等待好几分钟，随后才能创建新的Pod？

简单来说：是的！Linode必须从头开始创建和配置新虚拟机，随后将其连接到集群。这个过程经常会超过两分钟。

但其实还有替代方案：我们可以在需要时主动创建已经配置好的节点。

例如：我们可以配置让Autoscaler始终准备好一个备用节点。当Pod被部署到备用节点后，Autoscaler可以主动创建另一个备用节点。然而Autoscaler并没有内置这样的功能，但我们可以很容易地重新创建。

我们可以创建一个请求数与节点资源相等的Pod：

yaml
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: 900m
             memory: 3.8G

用下列命令将资源提交至集群：

bash

kubectl apply -f placeholder.yaml

这个Pod完全不执行任何操作。

该节点的作用只是确保节点能够被充分使用起来。

随后还需要确保当工作负载需要扩展时，这个占位Pod能够被快速清除。为此我们可以使用Priority Class。

yaml
apiVersion: scheduling.k8s.io/v1
kind: PriorityClass
metadata:
 name: overprovisioning
value: -1
globalDefault: false
description: "Priority class used by overprovisioning."
---
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
 name: overprovisioning
spec:
 replicas: 1
 selector:
   matchLabels:
     run: overprovisioning
 template:
   metadata:
     labels:
       run: overprovisioning
   spec:
     priorityClassName: overprovisioning # <--
     containers:
       - name: pause
         image: k8s.gcr.io/pause
         resources:
           requests:
             cpu: 900m
             memory: 3.8G

用下列命令将其提交至集群：

bash
kubectl apply -f placeholder.yaml

至此，配置工作已全部完成。

我们可能需要等待一会让Autoscaler创建节点，随后我们将有两个节点：

一个包含四个Pod的节点
一个包含一个占位Pod的节点

如果将部署扩展为5个副本会怎样？是否要等待Autoscaler创建另一个新节点？

用下列命令测试看看吧：

bash
kubectl scale deployment/podinfo --replicas=5

我们将会看到：

第五个Pod会立即创建出来，并在10秒内变为“正在运行”的状态。
占位Pod会被清除，以便为第五个Pod腾出空间。

随后：

Cluster autoscaler会注意到未决的占位Pod并配置一个新的节点。
占位Pod会被部署到新创建的节点中。

在可以有更多节点时，为何又要主动创建出一个节点？

我们可以将占位Pod扩展到多个副本，每个副本都会预配置一个Kubernetes节点，准备接受标准工作负载。然而这些节点虽然是闲置的，但它们产生的费用依然会计入云服务账单。因此一定要慎重，不要创建太多节点。

将Cluster Autoscaler与Horizontal Pod Autoscaler配合使用

为理解这项技术的含义，我们可以将Cluster autoscaler和Horizontal Pod Autoscaler（HPA）结合在一起来看。HPA可用于提高部署中的副本数量。

随着应用程序收到越来越多流量，我们可以让Autoscaler调整处理请求的副本数量。当Pod耗尽所有可用资源后，会触发Cluster autoscaler新建一个节点，这样HPA就可以继续创建更多副本。

可以这样新建一个集群来测试上述效果：

bash
$ linode-cli lke cluster-create \
 --label learnk8s-hpa \
 --region eu-west \
 --k8s_version 1.23 \
 --node_pools.count 1 \
 --node_pools.type g6-standard-2 \
 --node_pools.autoscaler.enabled enabled \
 --node_pools.autoscaler.max 10 \
 --node_pools.autoscaler.min 3 \
$ linode-cli lke kubeconfig-view "insert cluster id here" --text | tail +2 | base64 -d > kubeconfig-hpa

用下列命令验证安装过程已成功完成：

bash
$ kubectl get pods -A --kubeconfig=kubeconfig-hpa

使用环境变量导出kubeconfig文件是一种方便的做法，为此我们可以运行：

bash
$ export KUBECONFIG=${PWD}/kubeconfig-hpa
$ kubectl get pods

接下来使用Helm安装Prometheus并查看该部署的相关指标。我们可以在官网上了解安装Helm的详细方法。

bash
$ helm repo add prometheus-community https://prometheus-community.github.io/helm-charts
$ helm install prometheus prometheus-community/prometheus

Kubernetes为HPA提供了一个控制器，借此可以动态增减副本数量。然而HPA也有一些局限性：

无法拆箱即用。需要安装Metrics Server来汇总并暴露出指标。
PromQL查询无法做到拆箱即用。

好在我们可以使用KEDA，它通过一些实用功能（包括从Prometheus读取指标）扩展了HPA控制器的用法。KEDA是一种Autoscaler，可适用于下列三个组件：

Scaler
Metrics Adapter
Controller

我们可以通过Helm安装KEDA：

bash
$ helm repo add kedacore https://kedacore.github.io/charts
$ helm install keda kedacore/keda

安装好Prometheus和KEDA之后，来创建一个部署吧。

在这个实验中，我们将使用一个每秒可以处理固定数量请求的应用。每个Pod每秒最多可以处理十个请求，如果Pod收到第11个请求，会将请求挂起，稍后再处理。

yaml
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
 name: podinfo
spec:
 replicas: 4
 selector:
   matchLabels:
     app: podinfo
 template:
   metadata:
     labels:
       app: podinfo
     annotations:
       prometheus.io/scrape: "true"
   spec:
     containers:
       - name: podinfo
         image: learnk8s/rate-limiter:1.0.0
         imagePullPolicy: Always
         args: ["/app/index.js", "10"]
         ports:
           - containerPort: 8080
         resources:
           requests:
             memory: 0.9G
---
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
 name: podinfo
spec:
 ports:
   - port: 80
     targetPort: 8080
 selector:
   app: podinfo

使用下列命令将资源提交至集群：

bash
$ kubectl apply -f rate-limiter.yaml

为了生成一些流量，我们可以使用Locust。下列YAML定义将创建一个分布式负载测试集群：

yaml
apiVersion: v1
kind: ConfigMap
metadata:
 name: locust-script
data:
 locustfile.py: |-
   from locust import HttpUser, task, between
   class QuickstartUser(HttpUser):
       @task
       def hello_world(self):
           self.client.get("/", headers={"Host": "example.com"})
---
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
 name: locust
spec:
 selector:
   matchLabels:
     app: locust-primary
 template:
   metadata:
     labels:
       app: locust-primary
   spec:
     containers:
       - name: locust
         image: locustio/locust
         args: ["--master"]
         ports:
           - containerPort: 5557
             name: comm
           - containerPort: 5558
             name: comm-plus-1
           - containerPort: 8089
             name: web-ui
         volumeMounts:
           - mountPath: /home/locust
             name: locust-script
     volumes:
       - name: locust-script
         configMap:
           name: locust-script
---
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
 name: locust
spec:
 ports:
   - port: 5557
     name: communication
   - port: 5558
     name: communication-plus-1
   - port: 80
     targetPort: 8089
     name: web-ui
 selector:
   app: locust-primary
 type: LoadBalancer
---
apiVersion: apps/v1
kind: DaemonSet
metadata:
 name: locust
spec:
 selector:
   matchLabels:
     app: locust-worker
 template:
   metadata:
     labels:
       app: locust-worker
   spec:
     containers:
       - name: locust
         image: locustio/locust
         args: ["--worker", "--master-host=locust"]
         volumeMounts:
           - mountPath: /home/locust
             name: locust-script
     volumes:
       - name: locust-script
         configMap:
           name: locust-script

运行下列命令将其提交至集群：

bash
$ kubectl locust.yaml

Locust会读取下列locustfile.py文件，该文件存储在一个ConfigMap中：

py
from locust import HttpUser, task, between
class QuickstartUser(HttpUser):
   @task
   def hello_world(self):
       self.client.get("/")

该文件并没有什么特别的作用，只是向一个URL发出请求。若要连接至Locust仪表板，我们需要提供其负载均衡器的IP地址。为此可使用下列命令获取地址：

bash
$ kubectl get service locust -o jsonpath='{.status.loadBalancer.ingress[0].ip}'

随后打开浏览器并访问该IP地址即可。

此外还需要注意一个问题：Horizontal Pod Autoscaler。KEDA autoscaler会用一个名为ScaledObject的特殊对象来封装Horizontal Autoscaler。

yaml
apiVersion: keda.sh/v1alpha1
kind: ScaledObject
metadata:
name: podinfo
spec:
scaleTargetRef:
  kind: Deployment
  name: podinfo
minReplicaCount: 1
maxReplicaCount: 30
cooldownPeriod: 30
pollingInterval: 1
triggers:
- type: prometheus
  metadata:
    serverAddress: http://prometheus-server
    metricName: connections_active_keda
    query: |
      sum(increase(http_requests_total{app="podinfo"}[60s]))
    threshold: "480" # 8rps * 60s

KEDA可以连接由Prometheus收集的指标，并将其发送给Kubernetes。最后，它还将使用这些指标创建一个Horizontal Pod Autoscaler (HPA)。

我们可以用下列命令手工检查HPA：

bash
$ kubectl get hpa
$ kubectl describe hpa keda-hpa-podinfo

并使用下列命令提交该对象：

bash
$ kubectl apply -f scaled-object.yaml

接下来可以测试扩展效果了。请在Locust仪表板中用下列设置启动一项实验：

Number of users：300
Spawn rate：0.4
Host：http://podinfo

可以看到，副本的数量增加了！

效果不错，但有个问题不知道你是否注意到。

当该部署扩展到8个Pod后，需要等待几分钟，随后才能在新节点中创建新的Pod。在这段时间里，每秒处理的请求数量也不再增加了，因为当前的8个副本每个都只能处理10个请求。

让我们试试看收缩容量并重复该实验：

bash
kubectl scale deployment/podinfo --replicas=4 # or wait for the autoscaler to remove pods

这次，我们将用一个占位Pod实现超量配置（Overprovision）：

yaml
apiVersion: scheduling.k8s.io/v1
kind: PriorityClass
metadata:
 name: overprovisioning
value: -1
globalDefault: false
description: "Priority class used by overprovisioning."
---
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
 name: overprovisioning
spec:
 replicas: 1
 selector:
   matchLabels:
     run: overprovisioning
 template:
   metadata:
     labels:
       run: overprovisioning
   spec:
     priorityClassName: overprovisioning
     containers:
       - name: pause
         image: k8s.gcr.io/pause
         resources:
           requests:
             cpu: 900m
             memory: 3.9G

运行下列命令将其提交至集群：

bash
kubectl apply -f placeholder.yaml

打开Locust仪表板并用下列设置重复实验：

Number of users：300
Spawn rate：0.4
Host：http://podinfo

这一次，新节点将在后台创建，每秒请求数量将持续增减，不会原地踏步。很棒！

总结

本文介绍了下列内容：

Cluster autoscaler并不追踪CPU或内存用量，而是会监控未决的Pod。
我们可以用可用内存和CPU的总量来创建一个Pod，从而主动配置Kubernetes节点。
Kubernetes节点会为Kubelet、操作系统以及排空阈值保留一定的资源。
我们可以结合使用Prometheus和KEDA，从而通过PromQL查询扩展自己的Pod。

这篇文章的内容感觉还行吧？有没有想要立即在Linode平台上亲自尝试一下？别忘了，现在注册可以免费获得价值100美元的使用额度，快点自己动手体验本文介绍的功能和服务吧↓↓↓

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Kevin586 2024-07-29 17:09

真降低成本还是得换go，java太吃内存了

我有我可以 2024-07-09 11:40

喷子们之所以喷，其本质是为自己的阴暗和自卑找理由罢了。

CloudShi83 2024-07-06 17:13

感谢祖师爷赏饭吃，给你磕一个

279778325 2024-08-16 16:22

好不容易有个国产开发平台，没有鼓励只有贬低，就算宣传夸大怎么了？那么较真干什么？遍地都是夸大的广告宣传怎么不一个一个去找厂家？批判的同时想想自己能搞一个吗？为什么加上国产俩字就非要这么较真？

开源博客 2024-09-16 16:31

如何访问海外？

小蚊酱 2024-09-17 21:56

某搜索反向操作，把快照取消了

天

天1天1天 2024-09-14 16:56

文章写的也没错，至于是不是steam的功劳，也无所谓，反正能玩了。

浪_客 2024-09-15 12:54

继续用vm吧，ensp不让用新版vbox😂

开源博客 2024-09-16 16:44

可以看成Google将网页缓存数据外包，说明网页缓存数据没价值了吗？

zb79463626 2024-09-15 12:07

纯血鸿蒙不再是用android改的了，DevEco什么时候也纯血脱离Eclipse啊？😄

开源博客 2024-09-16 16:41

wayland有什么计划？

平波 2024-07-07 16:54

吃完就砸锅，好像那个啥纯血，吃完了，就想把小米，oppo、vivo的锅咂了；😂

烈冰 2024-07-22 08:41

不如说国内90%的电脑都没安装CrowdStrike软件

bastetwang 2024-09-17 15:52

主要问题可能在于，我如果要高效，我可能会直接用undertow,verx，如果要功能和第三方，我可能直接用spring boot，当然祝愿solon做得越来越好。

大后锋 2024-07-10 14:03

然后交警找责任方，打过去是牛逼高大上的生成式AI的客服

liming0101 2024-09-10 09:09

什么纳吉东西，还碰瓷黑神话

RustDesk 2024-09-16 11:20

惨淡

高排量低炭烧 2024-09-14 23:34

牛逼🤬

平波 2024-09-17 19:24

这段时间一直在用SSH-REMOTE感觉远程服务器，很占内存啊，一下子标到16G；卡得不行；🐌

平波 2024-09-14 19:01

你了做过为为的项目啊；😂

fastfail 2024-09-15 08:37

捞钱捞到手抽筋

Yanlongli 2024-07-11 17:28

降低了视觉复杂性，增高了操作复杂性。

0day 2024-07-21 11:52

一个流氓也配谈安全？

songdragon 2024-08-14 13:11

这个对比的条件还存在好几个问题。 1. solon使用的是smart-http，spring使用的是undertow 2. solon启动本身的自动配置少于spring 这两点就决定了对比的维度不同，性能更好的原因大概率是web服务器、应用配置依赖导致的。如果要拉齐，需要使用同样的web服务器，spring应用排除掉所有的自动配置，只保留web必须的，才能说明框架的性能差距。现在这个结果，无法说明solon本身性能好。