Kubernetes - Автоскейлинг приложений при помощи Prometheus и KEDA

1. Общие сведения
2. Установка Keda
3. Пример работы

Kubernetes позволяет автоматически масштабировать приложения (то есть Pod в развертывании или ReplicaSet) декларативным образом с использованием спецификации Horizontal Pod Autoscaler.

По умолчанию критерий для автоматического масштабирования — метрики использования CPU (метрики ресурсов), но можно интегрировать пользовательские метрики и метрики, предоставляемые извне.

Вместо горизонтального автомасштабирования подов, применяется Kubernetes Event Driven Autoscaling (KEDA) — оператор Kubernetes с открытым исходным кодом. Он изначально интегрируется с Horizontal Pod Autoscaler, чтобы обеспечить плавное автомасштабирование (в том числе до/от нуля) для управляемых событиями рабочих нагрузок. Код доступен на GitHub.

Краткий обзор работы системы

На схеме — краткое описание того, как все работает:

Приложение предоставляет метрики количества обращений к HTTP в формате Prometheus.
Prometheus настроен на сбор этих показателей.
Скейлер Prometheus в KEDA настроен на автоматическое масштабирование приложения на основе количества обращений к HTTP.

Теперь подробно расскажу о каждом элементе.

KEDA и Prometheus

Prometheus — набор инструментов для мониторинга и оповещения систем с открытым исходным кодом, часть Cloud Native Computing Foundation. Собирает метрики из разных источников и сохраняет в виде данных временных рядов. Для визуализации данных можно использовать Grafana или другие инструменты визуализации, работающие с API Kubernetes.

KEDA поддерживает концепцию скейлера — он действует как мост между KEDA и внешней системой. Реализация скейлера специфична для каждой целевой системы и извлекает из нее данные. Затем KEDA использует их для управления автоматическим масштабированием.

Скейлеры поддерживают нескольких источников данных, например, Kafka, Redis, Prometheus. То есть KEDA можно применять для автоматического масштабирования развертываний Kubernetes, используя в качестве критериев метрики Prometheus.

KEDA Prometheus ScaledObject

Скейлер действует как мост между KEDA и внешней системой, из которой нужно получать метрики. ScaledObject — настраиваемый ресурс, его необходимо развернуть для синхронизации развертывания с источником событий, в данном случае с Prometheus.

ScaledObject содержит информацию о масштабировании развертывания, метаданные об источнике события (например, секреты для подключения, имя очереди), интервал опроса, период восстановления и другие данные. Он приводит к соответствующему ресурсу автомасштабирования (определение HPA) для масштабирования развертывания.

Когда объект ScaledObject удаляется, соответствующее ему определение HPA очищается.

Вот определение ScaledObject для нашего примера, в нем используется скейлер Prometheus:

apiVersion: keda.k8s.io/v1alpha1
kind: ScaledObject
metadata:
 name: prometheus-scaledobject
 namespace: default
 labels:
  deploymentName: go-prom-app
spec:
 scaleTargetRef:
   deploymentName: go-prom-app
 pollingInterval: 15
 cooldownPeriod:  30
 minReplicaCount: 1
 maxReplicaCount: 10
 triggers:
 - type: prometheus
  metadata:
    serverAddress:
http://prometheus-service.default.svc.cluster.local:9090
    metricName: access_frequency
    threshold: '3'
    query: sum(rate(http_requests[2m]))

apiVersion: keda.k8s.io/v1alpha1

kind: ScaledObject

metadata:

namespace: default

labels:

deploymentName: go-prom-app

spec:

scaleTargetRef:

deploymentName: go-prom-app

pollingInterval: 15

cooldownPeriod: 30

minReplicaCount: 1

maxReplicaCount: 10

triggers:

- type: prometheus

metadata:

serverAddress:

http://prometheus-service.default.svc.cluster.local:9090

metricName: access_frequency

threshold: '3'

query: sum(rate(http_requests[2m]))

Учтите следующие моменты:

Он указывает на Deployment с именем go-prom-app.
Тип триггера — Prometheus. Адрес сервера Prometheus упоминается вместе с именем метрики, пороговым значением и запросом PromQL, который будет использоваться. Запрос PromQL — sum(rate(http_requests[2m])).
Согласно pollingInterval, KEDA запрашивает цель у Prometheus каждые пятнадцать секунд. Поддерживается минимум один под (minReplicaCount), а максимальное количество подов не превышает maxReplicaCount (в данном примере — десять).

Можно установить minReplicaCount равным нулю. В этом случае KEDA активирует развертывание с нуля до единицы, а затем предоставляет HPA для дальнейшего автоматического масштабирования. Возможен и обратный порядок, то есть масштабирование от единицы до нуля. В примере мы не выбрали ноль, поскольку это HTTP-сервис, а не система по запросу.

Магия внутри автомасштабирования

Пороговое значение используют в качестве триггера для масштабирования развертывания. В нашем примере запрос PromQL sum(rate (http_requests [2m])) возвращает агрегированное значение скорости HTTP-запросов (количество запросов в секунду), ее измеряют за последние две минуты.

Поскольку пороговое значение равно трем, значит, будет один под, пока значение sum(rate (http_requests [2m])) меньше трех. Если же значение возрастает, добавляется дополнительный под каждый раз, когда sum(rate (http_requests [2m])) увеличивается на три. Например, если значение от 12 до 14, то количество подов — четыре.

Теперь давайте попробуем настроить!

Установка KEDA

Вы можете развернуть KEDA несколькими способами, они перечислены в документации. Я использую монолитный YAML:

[root@kub-master-1 ~]# wget https://github.com/kedacore/keda/releases/download/v2.1.0/keda-2.1.0.yaml
[root@kub-master-1 ~]# kubectl apply -f keda-2.1.0.yaml

ну или можно установить через helm

helm repo add kedacore https://kedacore.github.io/charts
helm repo update
kubectl create namespace keda
helm install keda kedacore/keda --namespace keda

я ставил через монолитный файл.
проверим что всё поднялось:

[root@kub-master-1 ~]# kubectl get all -n keda
NAME                                          READY   STATUS    RESTARTS   AGE
pod/keda-metrics-apiserver-57cbdb849f-w7rfg   1/1     Running   0          70m
pod/keda-operator-58cb545446-5rblj            1/1     Running   0          70m

NAME                             TYPE        CLUSTER-IP      EXTERNAL-IP   PORT(S)          AGE
service/keda-metrics-apiserver   ClusterIP   10.100.134.31   <none>        443/TCP,80/TCP   70m

NAME                                     READY   UP-TO-DATE   AVAILABLE   AGE
deployment.apps/keda-metrics-apiserver   1/1     1            1           70m
deployment.apps/keda-operator            1/1     1            1           70m

NAME                                                DESIRED   CURRENT   READY   AGE
replicaset.apps/keda-metrics-apiserver-57cbdb849f   1         1         1       70m
replicaset.apps/keda-operator-58cb545446            1         1         1       70m

[root@kub-master-1 ~]# kubectl get all -n keda

NAME READY STATUS RESTARTS AGE

pod/keda-metrics-apiserver-57cbdb849f-w7rfg 1/1 Running 0 70m

pod/keda-operator-58cb545446-5rblj 1/1 Running 0 70m

NAME TYPE CLUSTER-IP EXTERNAL-IP PORT(S) AGE

service/keda-metrics-apiserver ClusterIP 10.100.134.31 <none> 443/TCP,80/TCP 70m

NAME READY UP-TO-DATE AVAILABLE AGE

deployment.apps/keda-metrics-apiserver 1/1 1 1 70m

deployment.apps/keda-operator 1/1 1 1 70m

NAME DESIRED CURRENT READY AGE

replicaset.apps/keda-metrics-apiserver-57cbdb849f 1 1 1 70m

replicaset.apps/keda-operator-58cb545446 1 1 1 70m

3. Пример работы

создаём namespace

kubectl create ns my-site

запускаем обычное приложение например apache:

[root@kub-master-1 ~]# cat my-site.yaml

---
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: my-deployment-apache
  namespace: my-site
spec:
  replicas: 1
  selector:
    matchLabels:
      app: apache # по вот этому лейблу репликасет цепляет под
# тут описывается каким мокаром следует обновлять поды
  strategy:
    rollingUpdate:
      maxSurge: 1  # указывает на какое количество реплик можно увеличить
      maxUnavailable: 1 # указывает на какое количество реплик можно уменьшить
#т.е. в одно время при обновлении, будет увеличено на один (новый под) и уменьшено на один (старый под)
    type: RollingUpdate
## тут начинается описание контейнера
  template:
    metadata:
      labels:
        app: apache  # по вот этому лейблу репликасет цепляет под
    spec:
      containers:
        - image: httpd:2.4.43
          name: apache
          ports:
            - containerPort: 80
# тут начинаются проверки по доступности
          readinessProbe: # проверка готово ли приложение
            failureThreshold: 3 #указывает количество провалов при проверке
            httpGet:  # по сути дёргает курлом на 80 порт
              path: /
              port: 80
            periodSeconds: 10 #как часто должна проходить проверка (в секундах)
            successThreshold: 1 #сбрасывает счётчик неудач, т.е. при 3х проверках если 1 раз успешно прошло, то счётчик сбрасывается и всё ок
            timeoutSeconds: 1 #таймаут на выполнение пробы 1 секунда
          livenessProbe: #проверка на жизнь приложения, живо ли оно
            failureThreshold: 3
            httpGet:
              path: /
              port: 80
            periodSeconds: 10
            successThreshold: 1
            timeoutSeconds: 1
            initialDelaySeconds: 10 #означает что первую проверку надо сделать только после 10 секунд

# тут начинается описание лимитов для пода
          resources:
            requests: #количество ресурсов которые резервируются для pod на ноде
              cpu: 60m
              memory: 200Mi
            limits: #количество ресурсов которые pod может использовать(верхняя граница)
              cpu: 120m
              memory: 300Mi

---

apiVersion: apps/v1

kind: Deployment

metadata:

namespace: my-site

spec:

replicas: 1

selector:

matchLabels:

app: apache # по вот этому лейблу репликасет цепляет под

# тут описывается каким мокаром следует обновлять поды

strategy:

rollingUpdate:

maxSurge: 1 # указывает на какое количество реплик можно увеличить

maxUnavailable: 1 # указывает на какое количество реплик можно уменьшить

#т.е. в одно время при обновлении, будет увеличено на один (новый под) и уменьшено на один (старый под)

type: RollingUpdate

## тут начинается описание контейнера

template:

metadata:

labels:

app: apache # по вот этому лейблу репликасет цепляет под

spec:

containers:

- image: httpd:2.4.43

ports:

- containerPort: 80

# тут начинаются проверки по доступности

readinessProbe: # проверка готово ли приложение

failureThreshold: 3 #указывает количество провалов при проверке

httpGet: # по сути дёргает курлом на 80 порт

path: /

port: 80

periodSeconds: 10 #как часто должна проходить проверка (в секундах)

successThreshold: 1 #сбрасывает счётчик неудач, т.е. при 3х проверках если 1 раз успешно прошло, то счётчик сбрасывается и всё ок

timeoutSeconds: 1 #таймаут на выполнение пробы 1 секунда

livenessProbe: #проверка на жизнь приложения, живо ли оно

failureThreshold: 3

httpGet:

path: /

port: 80

periodSeconds: 10

successThreshold: 1

timeoutSeconds: 1

initialDelaySeconds: 10 #означает что первую проверку надо сделать только после 10 секунд

# тут начинается описание лимитов для пода

resources:

requests: #количество ресурсов которые резервируются для pod на ноде

cpu: 60m

memory: 200Mi

limits: #количество ресурсов которые pod может использовать(верхняя граница)

cpu: 120m

memory: 300Mi

[root@kub-master-1 ~]# cat my-site-service.yaml

---
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: my-service-apache # имя сервиса
  namespace: my-site
spec:
  ports:
  - port: 80  # принимать на 80
    targetPort: 80 # отправлять на 80
  selector:
    app: apache  #отправлять на все поды с данным лейблом
  type: ClusterIP

---

apiVersion: v1

kind: Service

metadata:

namespace: my-site

spec:

ports:

- port: 80 # принимать на 80

targetPort: 80 # отправлять на 80

selector:

app: apache #отправлять на все поды с данным лейблом

type: ClusterIP

[root@kub-master-1 ~]# cat my-site-ingress.yaml

---
apiVersion: extensions/v1beta1
kind: Ingress
metadata:
  name: my-ingress
  namespace: my-site
spec:
  rules:
  - host: test.ru  #тут указывается наш домен
    http:
      paths:  #список путей которые хотим обслуживать(он дефолтный и все запросы будут отпаврляться на бэкенд, т.е. на сервис my-service-apache)
      - backend:
          serviceName: my-service-apache  #тут указывается наш сервис 
          servicePort: 80 #порт на котором сервис слушает
#        path: /  все запросы на корень '/' будут уходить на наш сервис

---

apiVersion: extensions/v1beta1

kind: Ingress

metadata:

namespace: my-site

spec:

rules:

- host: test.ru #тут указывается наш домен

http:

paths: #список путей которые хотим обслуживать(он дефолтный и все запросы будут отпаврляться на бэкенд, т.е. на сервис my-service-apache)

- backend:

serviceName: my-service-apache #тут указывается наш сервис

servicePort: 80 #порт на котором сервис слушает

# path: / все запросы на корень '/' будут уходить на наш сервис

применяем:

[root@kub-master-1 ~]# kubectl apply -f my-site.yaml -f my-site-service.yaml -f my-site-ingress.yaml

проверяем:

[root@kub-worker-1 ~]# curl test.ru
<html><body><h1>It works!</h1></body></html>

[root@kub-master-1 ~]# kubectl get all -n my-site

NAME                                        READY   STATUS    RESTARTS   AGE
pod/my-deployment-apache-859486bd8c-k6bql   1/1     Running   0          20m

NAME                        TYPE        CLUSTER-IP       EXTERNAL-IP   PORT(S)   AGE
service/my-service-apache   ClusterIP   10.100.255.190   <none>        80/TCP    20m

NAME                                   READY   UP-TO-DATE   AVAILABLE   AGE
deployment.apps/my-deployment-apache   1/1     1            1           20m

NAME                                              DESIRED   CURRENT   READY   AGE
replicaset.apps/my-deployment-apache-859486bd8c   1         1         1       20m

NAME READY STATUS RESTARTS AGE

pod/my-deployment-apache-859486bd8c-k6bql 1/1 Running 0 20m

NAME TYPE CLUSTER-IP EXTERNAL-IP PORT(S) AGE

service/my-service-apache ClusterIP 10.100.255.190 <none> 80/TCP 20m

NAME READY UP-TO-DATE AVAILABLE AGE

deployment.apps/my-deployment-apache 1/1 1 1 20m

NAME DESIRED CURRENT READY AGE

replicaset.apps/my-deployment-apache-859486bd8c 1 1 1 20m

будем автоскейлить - для примера по метрике nginx nginx_ingress_controller_requests

запрос в prometheus будет следующий:

sum(irate( nginx_ingress_controller_requests{namespace="my-site"}[3m] )) by (ingress)*10

т.е. считаем общее количество запросов в неймспейс my-site за 3 минуты

создаём keda сущность:

[root@kub-master-1 ~]# cat hpa-keda.yaml

apiVersion: keda.sh/v1alpha1
kind: ScaledObject
metadata:
  name: prometheus-scaledobject
  namespace: my-site
spec:
  scaleTargetRef:
    name: my-deployment-apache
  minReplicaCount: 1   # Optional. Default: 0
  maxReplicaCount: 8 # Optional. Default: 100
  triggers:
  - type: prometheus
    metadata:
      serverAddress: http://prometheus-kube-prometheus-prometheus.monitoring.svc.cluster.local:9090
      metricName: nginx_ingress_controller_requests
      threshold: '100'
      query: sum(irate(nginx_ingress_controller_requests{namespace="my-site"}[3m])) by (ingress)*10

apiVersion: keda.sh/v1alpha1

kind: ScaledObject

metadata:

namespace: my-site

spec:

scaleTargetRef:

minReplicaCount: 1 # Optional. Default: 0

maxReplicaCount: 8 # Optional. Default: 100

triggers:

- type: prometheus

metadata:

serverAddress: http://prometheus-kube-prometheus-prometheus.monitoring.svc.cluster.local:9090

metricName: nginx_ingress_controller_requests

threshold: '100'

query: sum(irate(nginx_ingress_controller_requests{namespace="my-site"}[3m])) by (ingress)*10

тут мы указываем в каком namespace нам запускаться:
namespace: my-site

указываем цель, т.е. наш deployment:
name: my-deployment-apache

задаём минимальное и максимальное количество реплик
minReplicaCount: 1 # значение по умолчанию: 0
maxReplicaCount: 8 # значение по умолчанию: 100

есть ещё 2 стандартные переменные отвечающие за то когда поды будут подыматься и убиваться:
pollingInterval: 30 # Optional. Default: 30 seconds
cooldownPeriod: 300 # Optional. Default: 300 seconds

указываем адрес нашего prometheus

serverAddress: http://prometheus-kube-prometheus-prometheus.monitoring.svc.cluster.local:9090
адрес идёт в виде сервис.неймспейс.svc.имя_кластера

указываем нашу метрику:
metricName: nginx_ingress_controller_requests

указываем пороговое значение при котором начнётся автоскейлинг:
threshold: '100'

и соответственно наш запрос в prometheus:
query:

всё можно применять:

[root@kub-master-1 ~]# kubectl apply -f hpa-keda.yaml

проверяем:

[root@kub-master-1 ~]# kubectl get horizontalpodautoscalers.autoscaling -n my-site
NAME                               REFERENCE                         TARGETS       MINPODS   MAXPODS   REPLICAS   AGE
keda-hpa-prometheus-scaledobject   Deployment/my-deployment-apache   0/100 (avg)   1         8         1          68m

[root@kub-master-1 ~]# kubectl get horizontalpodautoscalers.autoscaling -n my-site

NAME REFERENCE TARGETS MINPODS MAXPODS REPLICAS AGE

keda-hpa-prometheus-scaledobject Deployment/my-deployment-apache 0/100 (avg) 1 8 1 68m

[root@kub-master-1 ~]# kubectl get pod -n my-site
NAME                                    READY   STATUS    RESTARTS   AGE
my-deployment-apache-859486bd8c-v59b8   1/1     Running   0          37m

[root@kub-master-1 ~]# kubectl get pod -n my-site

NAME READY STATUS RESTARTS AGE

my-deployment-apache-859486bd8c-v59b8 1/1 Running 0 37m

а теперь накрутим запросов:

[root@kub-worker-1 ~]# for i in {1..5000}; do curl test.ru; done

проверяем:

[root@kub-master-1 ~]# kubectl get horizontalpodautoscalers.autoscaling -n my-site
NAME                               REFERENCE                         TARGETS            MINPODS   MAXPODS   REPLICAS   AGE
keda-hpa-prometheus-scaledobject   Deployment/my-deployment-apache   34858m/100 (avg)   1         8         7          71m

[root@kub-master-1 ~]# kubectl get horizontalpodautoscalers.autoscaling -n my-site

NAME REFERENCE TARGETS MINPODS MAXPODS REPLICAS AGE

keda-hpa-prometheus-scaledobject Deployment/my-deployment-apache 34858m/100 (avg) 1 8 7 71m

как видим количество запросов превысило наш лимит и стали создаваться новые поды:

[root@kub-master-1 ~]# kubectl get pod -n my-site
NAME                                    READY   STATUS    RESTARTS   AGE
my-deployment-apache-859486bd8c-6885f   1/1     Running   0          49s
my-deployment-apache-859486bd8c-6mcq4   1/1     Running   0          64s
my-deployment-apache-859486bd8c-cdb6z   1/1     Running   0          64s
my-deployment-apache-859486bd8c-kpwb8   1/1     Running   0          64s
my-deployment-apache-859486bd8c-rmw8d   1/1     Running   0          49s
my-deployment-apache-859486bd8c-v59b8   1/1     Running   0          39m
my-deployment-apache-859486bd8c-xmv28   1/1     Running   0          49s

[root@kub-master-1 ~]# kubectl get pod -n my-site

NAME READY STATUS RESTARTS AGE

my-deployment-apache-859486bd8c-6885f 1/1 Running 0 49s

my-deployment-apache-859486bd8c-6mcq4 1/1 Running 0 64s

my-deployment-apache-859486bd8c-cdb6z 1/1 Running 0 64s

my-deployment-apache-859486bd8c-kpwb8 1/1 Running 0 64s

my-deployment-apache-859486bd8c-rmw8d 1/1 Running 0 49s

my-deployment-apache-859486bd8c-v59b8 1/1 Running 0 39m

my-deployment-apache-859486bd8c-xmv28 1/1 Running 0 49s

прекращаем запросы и спустя 5 минут, указанное в переменной cooldownPeriod ненужные поды будут убиты:

[root@kub-master-1 ~]# kubectl get pod -n my-site
NAME                                    READY   STATUS        RESTARTS   AGE
my-deployment-apache-859486bd8c-6885f   0/1     Terminating   0          6m35s
my-deployment-apache-859486bd8c-6mcq4   1/1     Running       0          6m50s
my-deployment-apache-859486bd8c-cdb6z   0/1     Terminating   0          6m50s
my-deployment-apache-859486bd8c-kpwb8   0/1     Terminating   0          6m50s
my-deployment-apache-859486bd8c-rmw8d   0/1     Terminating   0          6m35s
my-deployment-apache-859486bd8c-v59b8   0/1     Terminating   0          44m
my-deployment-apache-859486bd8c-xmv28   0/1     Terminating   0          6m35s

[root@kub-master-1 ~]# kubectl get pod -n my-site
NAME                                    READY   STATUS    RESTARTS   AGE
my-deployment-apache-859486bd8c-6mcq4   1/1     Running   0          7m48s

[root@kub-master-1 ~]# kubectl get pod -n my-site

NAME READY STATUS RESTARTS AGE

my-deployment-apache-859486bd8c-6885f 0/1 Terminating 0 6m35s

my-deployment-apache-859486bd8c-6mcq4 1/1 Running 0 6m50s

my-deployment-apache-859486bd8c-cdb6z 0/1 Terminating 0 6m50s

my-deployment-apache-859486bd8c-kpwb8 0/1 Terminating 0 6m50s

my-deployment-apache-859486bd8c-rmw8d 0/1 Terminating 0 6m35s

my-deployment-apache-859486bd8c-v59b8 0/1 Terminating 0 44m

my-deployment-apache-859486bd8c-xmv28 0/1 Terminating 0 6m35s

[root@kub-master-1 ~]# kubectl get pod -n my-site

NAME READY STATUS RESTARTS AGE

my-deployment-apache-859486bd8c-6mcq4 1/1 Running 0 7m48s

Пн	Вт	Ср	Чт	Пт	Сб	Вс
		1	2	3	4	5
6	7	8	9	10	11	12
13	14	15	16	17	18	19
20	21	22	23	24	25	26
27	28	29	30	31

Centos

Kubernetes - Автоскейлинг приложений при помощи Prometheus и KEDA

Краткий обзор работы системы

KEDA и Prometheus

KEDA Prometheus ScaledObject

Магия внутри автомасштабирования

Установка KEDA

3. Пример работы

https://github.com/midnight47/