[CloudNative] 企业应用上云实践手记-Cloud Native Phase 4 -如何实现云上弹性伸缩和熔断限流

网友投稿 678 2022-05-29

整个端到端CloudNative产品落地,计划分为六个阶段展开:

Cloud Native Phase 1 - 云上微服务开发端到端

Cloud Native Phase 2 - 云上DevOps

Cloud Native Phase 3 - 云原生应用AutoConfig

Cloud Native Phase 4 – 如何实现云上弹性伸缩和熔断限流

Cloud Native Phase 5 - 云上权限管理和网络安全

Cloud Native Phase 6 – 如何申请外网域名和SSL证书

本文为第四章即Cloud Native Phase 4 - 如何实现云上弹性伸缩和熔断限流。

题记:

前面把应用开发到部署的路走完以后,产品交付的坑基本趟平了,终于可以安心看下最有意思的部分:弹性伸缩和熔断限流。之所以把这两个命题放在一起探讨,个人理解,其实是一体的两面,目的当然很明显,都想保护核心业务,但是打法不一样。

这两个点如果非要排个先后,那我个人最感兴趣的就是弹性伸缩了,这部分也是个人对云最期待的地方,无限的资源和灵活的伸缩,一方面可以抗住短期的流量洪峰,另一方面还能节约资源。

往后发展,Serverless化、FaaS化以后,可能都不需要主动干预,即可实现Auto-Scaling,对于系统架构设计来说,那就更简单了,当然那又是另一个话题,我们项目在现阶段有引入FunctionGraph的能力,做一些简单的后端API,确实比较省事,但是架构能力很难体现(代码没法框架化,只能一个个的摞功能),后面会详细看看这块的能力。

下面主要从具体实现上,尝试总结一套标准打法,或者说“最佳”实践,以落地到华为云产品,欢迎指导。

1. 什么是弹性伸缩和熔断限流

关于弹性伸缩和熔断限流,网上有很多解释,笔者想从技术架构的角度,谈谈个人的理解:

共同点:

两者共性,就是都是通过一些措施,来预防波动对系统的影响,以期实现系统的长时间可用(Availability),核心业务不中断

差异:

弹性伸缩,是进攻牌,属于可靠性(Reliability)的范畴。意味着业务不能断,不管流量大小,可以通过资源补充或者释放的方式,不仅支撑业务,还能获得收益最大化,核心还是支撑业务

熔断限流,是防守牌,属于韧性(Resilience)的范畴。意味着苟活,以退为进,丢卒保车,是一种自我保护

无论是弹性伸缩还是熔断限流,都有很多种方式可以实现。从弹性伸缩来看,从ECS主机层、CCE容器层,都可以实现伸缩;从熔断限流来看,从微服务内部、CSE引擎层、API网关层,都可以实现熔断限流。

2. 云上CCE容器实现弹性伸缩

本文所有后端服务,除了用FunctionGraph的部分,其余全部跑在CCE上,因此先探讨CCE如何实现弹性伸缩。

CCE提供了两种方式来实现弹性伸缩:

一种是通过K8s的插件

另一种是借助AOM的监控指标:

CCE容器层的弹性伸缩,又分了两层:

节点伸缩

工作负载伸缩

这两层顾名思义,不解释了。

两者在具体使用时,都是需要的,首先是确保workload启动的时候,资源池里有资源,如果没有,则到资源池里扩节点。两者的实现方式和概念类似,但是依赖不同的插件支撑。

Cluster Autoscaler是Kubernetes提供的集群节点弹性伸缩组件,根据Pod调度状态及资源使用情况对集群的节点进行自动扩容缩容。

简单说,就是提供了一套独立的Pod,来执行一些Scale-up和Scale-down的流程,详情可以参考官方文档:节点伸缩原理。

CCE的节点伸缩,依赖了两套模型,一个是K8s自己支撑的autoscaler插件,另一个是通过监控探针的采集指标(即AOM服务)。

关于autoscaler插件

这部分建议直接看K8s的官方文档:Pod水平自动扩缩(Horizontal Pod Autoscaler)

华为的官方文档里有介绍,“当前该插件使用的是最小浪费策略,即若pod创建需要3核,此时有4核、8核两种规格,优先创建规格为4核的节点”,这一点还是很不错的,可以获得最小的碎片,不会浪费太多资源。

首先要安装autoscaler插件

到插件市场,搜索autoscaler,安装插件

基本信息,要选择集群(要伸缩的集群)

配置一下插件的规格

暂时选择50节点的规格,需要2个pod来跑这个插件,并且开启自动缩容,如果资源使用率低于50%的时候,就开始缩容扫描,然后进行安装

完成插件安装

两个pod已经启动了,状态是运行中,命名空间位于kube-system

插件安装完以后,就可以到弹性伸缩->节点伸缩中,创建节点伸缩策略,顾名思义。

开始创建节点伸缩策略

前提条件是插件状态是运行中

此处需要关联到一个节点池,或者说一个资源池

回到资源管理->节点池管理,创建一个新的资源池

新建节点池

选择0个节点,并启用弹性扩缩容,最大50个节点,最小0个,也就是默认这里没有节点,不伸缩的情况花费是0元。并且选择随机可用区,这样弹性出来的节点会离散分布在不同的AZ里

配置节点伸缩策略

选择刚建好的节点池,然后创建一个规则,这里支持两种,基于CPU/内存,和基于时间,这样可以用来处理突发流量波动和周期性流量波动,比如打卡、促销之类的。

最终,得到了一个空的节点伸缩策略

走到这里就会发现,很多参数其实并没有配置,比如每次扩缩容的间隔(保护时间)等,这些是全部在autoscaler插件里配置的

注意: 节点伸缩会触发ECS资源购买,这也简化了整体伸缩的复杂度,也就是不需要感知到支撑ECS弹性伸缩的AS服务

目前CCE的工作负载伸缩功能提供了两种模式,第一种是默认的,也就是K8s配套的,另一种是华为自研的增强版,具体参考官方文档

创建工作负载伸缩策略,两种模式的插件一不一样,暂时选择默认的Pod水平伸缩,即Horizontal Pod Autoscaling(HPA)

HPA是基于指标阈值进行伸缩的,常见的指标主要是 CPU、内存,当然也可以通过自定义指标,例如QPS、连接数等进行伸缩。但是存在一个问题:基于指标的伸缩存在一定的时延,这个时延主要包含:采集时延(分钟级) + 判断时延(分钟级) + 伸缩时延(分钟级)。这个分钟级的时延,可能会导致应用CPU飚高,相应时间变慢。为了解决这个问题,CCE提供了定时策略,对于一些有周期性变化的应用,提前扩容资源,而业务低谷时,定时回收资源。

参考官方帮助:工作负载伸缩原理

首先,进入弹性伸缩->工作负载伸缩,创建HPA策略

安装metrics-server组件的过程很简单,简单配置多实例一下即可

期间状态会是安装中,大约几分钟就OK

插件安装完以后,就进入下一步,策略配置页面,这里的参数介绍,可以参考前面的:[2.2.1 参考:HPA工作原理]

首先写了一个很简单的压测API,主要逻辑就是起一个线程死循环,API入参传入线程数,传导压力到容器内部,持续120秒。

利用APIG执行压力测试接口,传入并发线程数5

可以看到CPU有一个明显的波峰,可以达到100%的CPU利用率,超过前面HPA策略设置的阈值180%。

回到CCE的工作负载页面,可以看到已经增加了一个Pod

在工作负载的事件标签页里,也会记录一个ReplicaSet创建成功的动作

在工作负载的伸缩标签页里,也会看到HPA策略的SuccessfulRescale事件,重新计算了New size: 2; reason: cpu resource utilization (percentage of request) above target

第二次加压以后,弹性出来了4台机器,刚好用来验证压力回落以后,是否能够成功缩容

这里会发现,每隔6分钟,系统检测一次,识别到资源低于阈值,缩容1台服务器

ECS主机实现弹性伸缩,主要靠AS弹性伸缩服务,能监控CPU、内存、磁盘、入网流量等指标,然后自动的弹性伸缩,整体机制和前面节点伸缩差不多。

3. 云上实现熔断限流

因为本文是基于SpringCloud体系搭建的微服务框架,所以优先看了spring-cloud-huawei这套框架提供了Governance功能(ServiceComb-Governance的适配版),能够实现基于动态配置的流量特征治理。

下面这段基本上讲清楚了原理:

治理过程可以从两个不同的角度进行描述。

从管理流程上,可以分为流量标记和设置治理规则两个步骤。系统架构师将请求流量根据特征打上标记,用于区分一个或者一组代表具体业务含义的流量,然后对这些流量设置治理规则。

从处理过程上,可以分为下发配置和应用治理规则两个步骤。可以通过配置文件、配置中心、环境变量等常见的配置管理手段下发配置。微服务SDK负责读取配置,解析治理规则,实现治理效果。

简单说,就是先做流量标记,也就是所谓的染色,然后根据染色,配置一些规则确定何时限流,何时熔断等。然后再给个管理入口,进行配置下发,动态生效起来。

首先要引入一个依赖spring-cloud-starter-huawei-governance

[CloudNative] 企业应用上云实践手记-Cloud Native Phase 4 -如何实现云上弹性伸缩和熔断限流

2. application.yaml文件中增加如下配置,意思就是对前缀为/demo的API进行染色,限流为1个QPS

3.用工具测试一下,限流生效

CSE的服务治理只适用于Java Chassis、Go Chassis开发框架,由于程序是基于SpringCloud开发的,所以暂时不能使用该功能,只能通过服务内置的ServiceComb-Governance进行处理。

PS:参考官方文档:服务治理

API网关针对所有已发布的API,提供了一种流控措施,可以通过创建API流控策略,绑定API,进行生效。

首先在APIG服务中,进入流量控制页面,创建新的流控策略

这里分两种流控模式,基础流控和共享流控,一个是针对单个API消耗计数,另一个是所有绑定的共同消耗计数。

PS:详情可以参考官方文档:创建流控策略并绑定到API

然后绑定前面创建的测试API

通过Insomnia敲了20次回车以后,响应变成429 Too Many Requests,符合预期。

总结

华为云针对微服务,提供了一套相对完整的体系,能够支撑应用在流量洪峰面前,保护自己核心业务,整套体系无论是弹性伸缩还是熔断限流,都有多层的实现方式,可以从高到低,从边界最前沿到服务深处,逐层防护。

总结起来,可以通过:

CCE容器的节点伸缩和工作负载伸缩两种能力,进行容器级别的弹性伸缩

APIG层面流量控制,配合微服务内部的动态流量治理,进行微服务级别的服务治理

API Kubernetes 弹性伸缩 AS

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