【腾讯云原生降本增效大讲堂】Kubernetes云上资源的分析与优化

嘉宾 | 胡启明

出品 | CSDN云原生

2022年6月30日，中国信通院、腾讯云、FinOps产业标准工作组联合发起的《原动力x云原生正发声降本增效大讲堂》系列直播活动第2讲如期举行，腾讯云容器技术专家胡启明分享了Kubernetes云上资源的分析与优化。

胡启明是开源项目Crane的Founder和负责人，专注Kubernetes云原生领域8年，负责专有云容器产品、云原生应用平台的研发和管理，是Kubernetes、Dapr、KubeEdge等多个开源项目的Contributor。本文整理自胡启明的分享。

Kubernetes云上资源管理

Kubernetes资源模型：Request和Limit

Request代表Kubernetes应用声明它希望获得的最小的资源使用量。
Limit代表Kubernetes应用声明它希望获得的最大的资源使用量。

Kubernetes的调度器，会根据Request的申请量去调度应用到Kubernetes的节点上。

资源预留带来的资源浪费

关于Request的模型，用户设置时存在一个问题：用户的开发者不一定对业务线上运行情况完全感知。例如：不知道业务在线上运行时需要多少CPU和内存，以及业务洪峰的场景下资源使用量会上涨的维度。因此，基于这些问题，在业务开发、运维在配置Request时，开发者会选择保守策略，常把配置设高。

同时，也带来另一个问题：资源浪费比较显著。如下图所示，应用的Request声明了4个核，但实际使用不超过2个核。这都是由于保守、业务运行不了解带来的资源浪费。

资源紧缺带来的资源浪费

CPU是可压缩资源。当CPU紧缺时，实际用量可以超过CPU总量，此时会出现资源的争抢，导致应用处理程序速度变慢。

内存是不可压缩资源，如果业务运行中超过了上限，就会呈现下图的情况。

如上图所示，Kubernetes中的节点上部署了两个容器，它们在处理业务都有规律：

在晚上，业务的使用量会降低，白天高峰期业务容量就会偏高；
昼夜规律比较相似，相似的业务部署在了同一个节点上；
业务高峰期，容器的内存用量会达到它的Limit值，但由于调度应用是根据Request完成的，会导致在业务高峰期节点上内存被耗尽。

资源被耗尽时候，会发生什么事？

如果节点的内存耗尽，Kubernetes会按顺序驱逐容器，排序规则是容器实际内存使用超出Request的用量。如果去驱逐用量大于Request的东西，业务就会发生损伤，因为它的容器被Kill，并且这时候往往是处在于业务的高峰期，使业务受到损伤。
如果容器内所有的进程分配的内存超过了内存Limit，节点上的OOM Killer会立刻Kill 这些进程。这种场景下，业务的使用也会受到损伤，用户也会感知。这导致了应用开发者或者SRE去配置资源时会采取保守策略，以保证业务稳定性和正确性，这加剧了云上资源浪费。

大量资源无法使用导致资源浪费

当业务上了Kubernetes等云原生平台后，它的资源的用量和与使用率会偏低。下图显示资源总量很大，但实际使用量却很低，导致大量资源的使用浪费。

Kubernetes弹性伸缩

HPA工作原理

HPA工作原理如下图所示。

在云上，用户通过Service+Load Balance，请求到一个Deployment，Deployment里有几个Pod。为了让Deployment+Pod在用户流量增大时自动扩容，在流量减少时自动缩容，达到按需计费，于是创建了HPA。

HPA会让用户设置最小的副本数和最大的副本数，并且用户设置目标的CPU使用率。根据目标使用率，在最小副本数和最大副本数之间做自动弹性伸缩。

HPA在社区发展了已有3~4年，版本目前达到v2，功能比较完善。社区的HPA不但支持基于K8s内置的CPU和Memory指标，还提供了丰富的扩展能力customer metric、External metric的外部指标，让用户可以通过外部的监控指标来对业务做弹性。

最常见的基于Prometheus的adapter，让用户基于Prometheus的metric自动做弹性。社区有一个开源产品叫KEDA，它专注于通过Event Driven的方式让业务做弹性。本质是使用了HPA，把一些基于Kafka、MQ数据的event去做弹性的输入，通过external metric的方式让HPA去做水平弹性。

HPA原生能力不足

社区的HPA也有局限性，主要在两个方面。

在业务流量的洪峰来临时来不及扩容。例如：用户MQ的connection会提升，随着message数量会增加，CPU的用量会提升，但如果资源洪峰已经来临时，再去扩就常常会发现来不及。一方面原因是Event Driven，洪峰来临再去弹，另外一方面的原因是容器化的业务启动速度赶不上流量来的速度。由于业务系统慢，导致很多业务没办法使用社区的HPA。
流量抖动。在下图的“深V”时间点内，如果使用HPA将导致HPA的副本剧烈抖动。虽然HPA里有个behavior的功能可以减少抖动，但调大behavior减少抖动时，HPA的弹性会变得迟钝，导致弹性效果不理想。

VPA工作原理和局限性

VPA工作原理如下。

首先，用户会创建一个VPA的对象，它会有VPA的Recommend，便于定期获取VPA里面的弹性配置。同时，Recommend也会去从ApiServer拿到整个集群中的状态信息。通过VPA的算法，根据这两个信息计算出用户应用推荐配置CPU和memory的数量。最后，根据资源配置推荐信息更新到VPA上去。
还有一个组件叫做VPA Updater，它会去获取弹性配置，并且感知到配置后，需要把Pod重建，配置它才能生效。因此，VPA Updater会对Pod做Eviction。众所周知，当Pod做Eviction时，它会自动创建新的Pod来替代它，新的Pod的创建请求会被VPA Admission plugin给拦截，拦截之后它会把VPA上面的弹性配置更新到Pod Spec，新建的Pod就会使用VPA推荐的资源配置。

在现实中，VPA的落地场景其实不多，因为VPA有其局限性：业务很难接受随时重建的Pod。

例如一个业务正在接受一个用户的数据处理，这时Pod重建了，用户的业务使用就会受损， Pod 重建无法通知到业务，并且一定会对业务造成影响，导致很多时候在生产环境很难使用VPA。

基于Crane的Kubernetes的资源分析与优化

Crane是腾讯的一个基于Kubernetes的开源项目，全称是Cloud Resource Analytics and Economics，译为“云上资源的分析和降本”。

Crane是基于FinOps的理论来去编排设计的能力模型，从下往上看分为五层：

Understand Fully Loaded Costs：多维度业务成本分摊表、标签管理、分期账单、预算和配额管理等。
Enable Real Time Decision Making：资源利用率报表、异常识别、识别资源浪费等。
Benchmark Performance：趋势和变化分析、评分和PKI、内部评比、跨供应商评分对比等。
Optimize Usage：支持的资源优化的能力，比如资源回收再分配、Request推荐、基于预测的智能弹性、机型推荐等。
Optimize Rate：提供计费方面的能力，比如计费方式推荐、抵用券支持等。

云上资源的分析和优化

下图展示的是Kubernetes云上资源的分析和优化的能力。

Kubernetes里有个重要的概念，叫做Infrastructure as Code。Kubernetes上所有资源都是可以通过YAML配置的方式来去声明，例如Deployment、Job、PV、SVC、node、CPU，都可以用通过一段YAML配置来去声明。Crane提供了一套分析推荐的插件能力，去分析Kubernetes中的云资源。

同时，输入的一方面是云资源，另一方面是Kubernetes的观测数据，例如Deployment对应CPU的使用率，内存的使用率，都是观测数据。

“云资源+观测数据+分析算法”作为一个输入，再加上资源推荐的插件，能给用户推荐优化的建议。比如，资源推荐的插件会根据用户的应用配置、实际使用量、推荐算法，得到建议资源CPU和memory的配置值。

在分析结果之后，还可以利用一些工具包，比如Kubernetes的插件，把资源优化的分析结果汇总给用户，让用户能够观测到优化结果。优化结果通过API去计算云端费用的节省，帮助用户在云上做成本决策。

云上资源的分析与优化，还提供了一个插件系统。用户可以自定义推荐的插件，使用推荐的framework插到分析的推荐系统中去，实现自定义分析和推荐的逻辑。

资源推荐

下图展示的是资源推荐中的诉求、方案以及成效。

从“让应用的资源配置更简单”的诉求出发。
Crane方案是根据应用的历史用量推荐，支持按照机型规格做调整，基于VPA的算法进行资源推荐。很多业务都跑在Serverless构上，Serverless架构上的资源规格、机型规格都会做规整，例如1.5Core/3G的资源就会向上规整到2Core/4G上，Crane的推荐结果会根据规则做规整，同样是基于VPA算法。
成效如上图右侧所示，没有使用资源推荐之前，很多业务的机型是偏大的，经过资源推荐优化之后，用户采纳推荐配置并且重建了容器。资源推荐是使用推荐建议的方式，让用户去选择时间和是否采纳建议。在用户采纳之后，才会去批量的rolling更新，避免VPA随时更新应用的配置，导致应用被重启的问题。

副本/弹性推荐

下图展示的是副本/弹性推荐中的诉求、方案以及成效。

从”让应用副本配置更简单“的诉求出发。
Crane方案会去扫描集群中的应用，根据它的应用历史用量，基于HPA的算法计算未来副本数。其中，部分应用用量有昼夜规律波动，这类业务则可以推荐它的副本配置，实现降本。对于能够支持动态扩缩、有规律性的业务，可以配智能弹性Effective HPA，用户进行降本增效。
成效如上图右侧所示，大部分业务配了很多副本数，但经过计算发现降到三个副本也可以满足业务诉求。

内部大规模落地实践

腾讯的智能推荐的能力在腾讯内部和自研业务上大规模落地，部署到数百个Kubernetes的集群，管控了数百万个CPU的核，在全面上线一个月之内，大盘的总和数缩减了25%。

腾讯把集群中资源推荐的建议展现到控制台里，让用户看到工作负载、当前的核数、推荐的资源量、推荐副本数。

该页面还能帮用户整理出工作环境中的应用数字、可以被优化的数字以及用户采纳优化建议后能降低多少CPU和内存的使用，通过图形的方式展现出来，方便用户去决策。我们还支持基于kubectl插件去分析整个集群中的状态。

智能弹性—Effective HPA

HPA落地有两个问题：弹性时间滞后、弹性毛刺。

上图展示的是智能弹性的功能，Effective HPA。Effective HPA是基于时间预测的算法，通过预测未来的metric使用量去解决问题，它有以下能力。

第一个能力：提前扩容，保证服务质量。采取时间序列算法（Fast Fourier Trans former），可以根据过去7天或者14天的metric，预测未来7天metric变化轨迹。通过预测窗口里面metric的最大值做提前扩容，还会采取metric兜底保护策略。
第二个能力：减少无效缩容。能够预测未来的一个资源用量，当曲线发生抖动时，因为取的预测窗口中的最大值，所以整个曲线的抖动毛刺程度明显降低。
第三个能力：支持Cron配置。应对大促、节假日等有规律的流量洪峰。
第四个能力：易于使用。Effective HPA完全兼容社区HPA的功能，还支持Dryrun观测，指标支持Prometheus Metric。

下图展示的是Effective HPA的架构。

用户创建Effective HPA的对象后会生成两个资源对象：

一个是TimeSeries Prediction；
另一个是社区原生的HPA。

TimeSeries Prediction是时间序列预测的Controller的对象。创建后有一个组件叫Predictor开始从Prometheus中拿取应用历史数据，并且通过预测算法得到未来持续预测，把预测结果更新到TimeSeriesPredicton中。

社区HPA在创建后，HPA的Controller就会工作。定义中的metric的配置向Kubernetes的ApiServer请求。一方面，它会去向Metric server去请求它的CPU的用量。另一方面，它向Crane metric adapter去请求预测数据。

最后，Metric-adapter会从TSP中获取它的预测数据，并且把结果返回给HPA Controller。HPA Controller将两个源头数据通过HPA算法，计算得到较高的副本数，并且用副本数更新到真实的应用中，这就是Effective HPA智能弹性的工作过程。

CronHPA 、KEDA、Effective HPA有什么差异点呢？如下图所示。

CronHPA是通过修改HPA的配置去控制底层的HPA，并且控制应用的弹性伸缩。由于它是自动修改HPA的配置，这就会导致用户的HPA配置能力遭到弱化。
KEDA实现原理是为每一个框配置生成metric。但它的问题是在Cron的周期之外，KEDA的Cron配置会自动把用户的应用缩容到一个副本，原因是它把每一个Cron都定义成了metric。由于metric定义互相不感知，就导致metric返回的默认值只能设置为1，因为它不能够去影响别的metric配置。
Effective HPA的Cron配置解决了前两个问题。通过预测、观测和周期性触发策略共同作用、计算和考虑，最后取中间的较大值。Cron的问题也解决了，在用户配置的Cron周期之内，副本数能够保持跟当前的配置不变，不会自动缩溶。

智能弹性落地成效

下图展示的是智能弹性的落地成效。

腾讯内部的安全部门WAP和腾讯的容器服务，在生产环境已经使用了Effective HPA做弹性伸缩器。作为一个开源产品，很多公司对Effective HPA感兴趣，并且正在使用。
酷乐家生产环境全量使用。酷乐家原本在生产环境中已经全量使用了HPA，由于没有办法提前扩容，导致它的配置相当保守。酷乐家看到Cron的Effective HPA后，将HPA存量切换到了Effective HPA，在生产环境全量使用后，解决了弹性问题，提升了平均使用率。
目前Effective HPA在生产环境已经管控了数千个应用。
平均利用率的提升达到10%。如上图右下方所示，蓝线是预测的metric，绿线是CPU实时的metric容量，黄线是使用Effective HPA后的提前扩容能力。

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