• AHPA:开启 Kubernetes 弹性预测之门


    作者:元毅、子白

    导读

    在云原生容器时代,用户需要面对不同的业务场景:周期性的业务,Serverless 按需使用等。在使用自动弹性中, 会发现这样或那样的问题,其中最需要关注的是弹性滞后、冷启动问题。阿里巴巴云原生团队和阿里达摩院决策智能时序团队合作开发 AHPA 弹性预测产品,该产品主要出发点是基于检测到的周期做“定时规划”,通过规划实现提前扩容的目的,在保证业务稳定的情况下,让你真正实现按需使用。

    背景

    用户对云弹性能力的期望越来越高,这个期望主要来自两方面。一是云原生概念的崛起,从 VM 时代到了容器时代,云的使用模式正在发生变化。二是新型业务模式的崛起,这些崛起的新型业务模式在设计之初就是基于云来建构的,天然就有对弹性的诉求。

    有了云,用户不再需要自己从物理机、机房搭建基础设施,云给用户提供了非常弹性的基础设施。云的最大优势就是可以给用户提供弹性的资源供给,特别是到了云原生时代,用户对弹性的诉求也越来越强烈。弹性需求强度在 VM 时代还是人工操作分钟级别的,在容器时代,已经达到秒级的要求,用户面对不同的业务场景,对云的期望和要求也正在发生变化:

    • 周期性的业务场景: 新型业务比如直播、在线教育和游戏,这些业务有一个很大的共同点就是有非常明显的周期性,这种周期性促使客户思考面向弹性的业务架构。再加上云原生的理念很自然的就想到按需弹起一批服务起来,用完就释放。

    • Serverless 的到来: Serverless 的核心理念是按需使用,自动弹性。用户不需要容量规划。但当你真正开始使用 Serverless 的时候,会发现这样或那样的问题,其中最需要关注的是弹性滞后、冷启动问题。对于响应时延敏感的业务,这是不可接受的。

    那么面对上面的场景,当前 Kubernetes 中现有的弹性方案是否可以解呢?

    传统弹性方案面临的问题

    一般在 Kubernetes 中管理应用实例数有三种方式:固定实例数、HPA 和 CronHPA 。使用最多的是固定实例数,固定实例数最大的问题就是在业务波谷时造成很明显的资源浪费。为了解决资源浪费的问题所以有了 HPA,但 HPA 的弹性触发是滞后的,这就导致资源的供给也会滞后,资源不能及时供给可能会导致业务稳定性下降。CronHPA 可以定时伸缩,看起来可以解决弹性滞后的问题,但具体定时粒度有多细、业务量有变化时需要频繁地手动调节定时弹性策略吗?如果这样做,这就会带来非常繁重的运维复杂度,也很容易出错。

    AHPA 弹性预测

    AHPA(Advanced Horizontal Pod Autoscaler)弹性预测主要出发点是基于检测到的周期做“定时规划”,通过规划实现提前扩容的目的。但既然是规划就会有疏漏,所以需要对规划的实例数有一个实时调整的能力。所以本方案有两个弹性策略:主动预测和被动预测。主动预测基于达摩院 RobustPeriod 算法[1] 识别周期长度然后利用RobustSTL 算法[2] 提起出周期性趋势,主动预测下个周期应用的实例数量;被动预测基于应用实时数据设定实例数量,可以很好的应对突发流量。此外,AHPA 还增加了兜底保护策略,用户可以设置实例数量的上下界。AHPA 算法中最终生效的实例数是主动预测、被动预测及兜底策略中的最大值。

    架构

    弹性首先是要在业务稳定的情况下进行的,弹性伸缩的核心目的不仅是帮用户节省成本,更是增强业务的整体稳定性、免运维能力和构建核心竞争力。AHPA 架构设计的基本原则:

    • 稳定性: 保证用户服务稳定的情况下进行弹性伸缩

    • 免运维: 不给用户增加额外的运维负担,包括:不在用户侧增加新的 Controller、Autoscaler 配置语义比 HPA 更清晰

    • 面向 Serverless: 以应用为中心,面向应用维度的设计,用户无需关心实例个数的配置,按需使用、自动弹性。

    架构如下:

    • 丰富的数据指标: 支持包括 CPU、Memory、QPS、RT 以及外部指标等

    • 稳定性保障: AHPA 的弹性逻辑基于主动预热、被动兜底的策略,并结合降级保护,保证了资源稳定。

      • 主动预测:根据历史预测出未来一段时间的趋势结果,适用于周期性的应用。
      • 被动预测:实时预测。针对突发流量场景,通过被动预测实时准备资源。
      • 降级保护:支持配置多个时间区间范围最大、最小实例。
    • 多种伸缩方式: AHPA 支持伸缩方式包括 Knative、HPA 以及 Deployment:

      • Knative:解决 Serverless 应用场景下,基于并发数/QPS/RT 弹性冷启动的问题
      • HPA:简化 HPA 弹性策略配置,降低用户使用弹性的门槛,解决使用 HPA 面临的冷启动的问题
      • Deployment:直接使用 Deployment,自动扩缩容

    适应场景

    AHPA 适应场景包括:

    • 有明显周期性场景。如直播、在线教育、游戏服务场景等
    • 固定实例数+弹性兜底。如常态业务下应对突发流量等
    • 推荐实例数配置场景

    预测效果

    开启 AHPA 弹性后,我们提供可视化页面,用于查看 AHPA 效果。下面是一个基于 CPU 指标进行预测的示例(与使用 HPA 比较):

    说明:

    • Predict CPU Oberserver:蓝色表示 HPA 实际的 CPU 使用量,绿色表示预测出来的 CPU 使用量。绿色曲线大于蓝色,表明通过预测给出的容量是足够的。

    • Predict POD Oberserver:蓝色表示使用 HPA 实际的扩所容 Pod 数,绿色表示预测出来的扩所容 Pod 数,绿色曲线小于蓝色,表明通过预测弹性的 Pod 数更低。
    • 周期性:根据历史 7 天的数据,通过预测算法检测到该应用具备周期性。

    结论:预测结果表明,弹性预测趋势符合预期。

    邀测试用

    点击​此处​查看阿里云容器服务 AHPA 弹性预测产品文档详情。当前 AHPA 已开启用户邀测,欢迎感兴趣的用户点击文档中“提交工单”位置申请白名单,期待您的试用及反馈。

    参考文献

    [1] (阿里达摩院决策智能时序团队) Qingsong Wen, Kai He, Liang Sun, Yingying Zhang, Min Ke, and Huan Xu. RobustPeriod: Robust Time-Frequency Mining for Multiple Periodicity Detection,  in Proc. of 2021 ACM SIGMOD/PODS International Conference on Management of Data (SIGMOD 2021), Xi'an, China, Jun. 2021.

    [2] (阿里达摩院决策智能时序团队) Qingsong Wen, Jingkun Gao, Xiaomin Song, Liang Sun, Huan Xu, Shenghuo Zhu. RobustSTL: A Robust Seasonal-Trend Decomposition Algorithm for Long Time Series, in Proc. of the 33rd AAAI Conference on Artificial Intelligence (AAAI 2019), 2019, pp. 5409-5416, Honolulu, Hawaii, Jan. 2019.

    [3] (阿里达摩院决策智能时序团队) Qingsong Wen, Zhe Zhang, Yan Li and Liang Sun. Fast RobustSTL: Efficient and Robust Seasonal-Trend Decomposition for Time Series with Complex Patterns, in Proc. of the 26th ACM SIGKDD International Conference on Knowledge Discovery & Data Mining (KDD 2020), San Diego, CA, Aug. 2020.

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