在Docker容器技術(shù)即將統(tǒng)治世界的趨勢(shì)下，作為地理遙感領(lǐng)域的AI處理解譯平臺(tái)，華為云GeoGenius空天地平臺(tái)，早已開始全面的云原生方向轉(zhuǎn)型。本文總結(jié)大規(guī)模遙感影像處理在云原生平臺(tái)的落地經(jīng)驗(yàn)，期間各種性能并發(fā)等場(chǎng)景優(yōu)化經(jīng)驗(yàn)有不少借鑒意義，與各遙感同行分享。
本文作者：唐盛軍，華為云城市智能體架構(gòu)師，擁有多年開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，先后從事：網(wǎng)絡(luò)協(xié)議識(shí)別&解析、業(yè)務(wù)控制網(wǎng)關(guān)等網(wǎng)絡(luò)協(xié)議相關(guān)工作；13年開始轉(zhuǎn)戰(zhàn)云計(jì)算，熟悉OpenStack，CloudFoundry，Docker，Kubernetes實(shí)現(xiàn)原理，精通常見的物理&云網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。目前負(fù)責(zé)容器業(yè)務(wù)產(chǎn)品化，如：遙感，基因，大數(shù)據(jù)，AI等
AI牛啊，云原生牛啊，所以1+1>2？
遙感影像，作為地球自拍照，能夠從更廣闊的視角，為人們提供更多維度的輔助信息，來(lái)幫助人類感知自然資源、農(nóng)林水利、交通災(zāi)害等多領(lǐng)域信息。
AI技術(shù)，可以在很多領(lǐng)域超過人類，關(guān)鍵是它是自動(dòng)的，省時(shí)又省力。可顯著提升遙感影像解譯的工作效率，對(duì)各類地物元素進(jìn)行自動(dòng)化的檢測(cè)，例如建筑物，河道，道路，農(nóng)作物等。能為智慧城市發(fā)展&治理提供決策依據(jù)。
云原生技術(shù)，近年來(lái)可謂是一片火熱。易構(gòu)建，可重復(fù)，無(wú)依賴等優(yōu)勢(shì)，無(wú)論從哪個(gè)角度看都與AI算法天生一對(duì)。所以大家也可以看到，各領(lǐng)域的AI場(chǎng)景，大都是將AI推理算法運(yùn)行在Docker容器里面的。AI+云原生這么6，那么強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)手后，地物分類、目標(biāo)提取、變化檢測(cè)等高性能AI解譯不就手到擒來(lái)？我們也是這么認(rèn)為的，所以基于AI+Kubernetes云原生，構(gòu)建了支持遙感影像AI處理的空天地平臺(tái)。詳見：https://www.huaweicloud.com/product/geogenius.html
不過理想是好的，過程卻跟西天取經(jīng)一般，九九八十一難，最終修成正果。
業(yè)務(wù)場(chǎng)景介紹
遇到問題的業(yè)務(wù)場(chǎng)景叫影像融合（Pansharpen），也就是對(duì)地球自拍照進(jìn)行“多鏡頭合作美顏”功能。（可以理解成：手機(jī)的多個(gè)攝像頭，同時(shí)拍照，合并成一張高清彩色大圖）。
所以業(yè)務(wù)簡(jiǎn)單總結(jié)就是：讀取2張圖片，生成1張新的圖片。該功能我們放在一個(gè)容器里面執(zhí)行，每張融合后的結(jié)果圖片大約5GB。
問題的關(guān)鍵是，一個(gè)批次業(yè)務(wù)量需要處理的是3000多張衛(wèi)星影像，所以每批任務(wù)只需要同時(shí)運(yùn)行完成3000多個(gè)容器就OK啦。云原生YYDS！
業(yè)務(wù)架構(gòu)圖示
為了幫助理解，這里分解使用云原生架構(gòu)實(shí)現(xiàn)該業(yè)務(wù)場(chǎng)景的邏輯圖如下：
圖片
在云上，原始數(shù)據(jù)，以及結(jié)果數(shù)據(jù)，一定是要存放在對(duì)象存儲(chǔ)桶里面的。因?yàn)檫@個(gè)數(shù)據(jù)量，只有對(duì)象存儲(chǔ)的價(jià)格是合適的。（對(duì)象存儲(chǔ)，1毛錢/GB。文件存儲(chǔ)則需要3毛錢/GB）
因?yàn)槿萜髦g是互相獨(dú)立無(wú)影響的，每個(gè)容器只需要處理自己的那幅影像就行。例如1號(hào)容器處理 1.tif影像；2號(hào)容器處理2.tif影像；依次類推。
所以管理程序，只需要投遞對(duì)應(yīng)數(shù)量的容器（3000+），并監(jiān)控每個(gè)容器是否成功執(zhí)行完畢就行（此處為簡(jiǎn)化說(shuō)明，實(shí)際業(yè)務(wù)場(chǎng)景是一個(gè)pipeline處理流程）。那么，需求已經(jīng)按照云原生理想的狀態(tài)分解，咱們開始起(tang)飛(keng)吧~
注：以下描述的問題，是經(jīng)過梳理后呈現(xiàn)的，實(shí)際問題出現(xiàn)時(shí)是互相穿插錯(cuò)綜復(fù)雜的。
K8s死掉了
當(dāng)作業(yè)投遞后，不多久系統(tǒng)就顯示作業(yè)紛紛失敗。查看日志報(bào)調(diào)用K8s接口失敗，再一看，K8s的Master都已經(jīng)掛了。。。
K8s-Master處理過程，總結(jié)版：
發(fā)現(xiàn)Master掛是因?yàn)镃PU爆了
所以擴(kuò)容Master節(jié)點(diǎn)（此處重復(fù)N次）；
性能優(yōu)化：擴(kuò)容集群節(jié)點(diǎn)數(shù)量；
性能優(yōu)化：容器分批投放；
性能優(yōu)化：查詢?nèi)萜鲌?zhí)行進(jìn)度，少用ListPod接口；
詳細(xì)版：
看監(jiān)控Master節(jié)點(diǎn)的CPU已經(jīng)爆掉了，所以最簡(jiǎn)單粗暴的想法就是給Master擴(kuò)容呀，嘎嘎的擴(kuò)。于是從4U8G * 3 一路擴(kuò)容一路測(cè)試一路失敗，擴(kuò)到了32U64G * 3。可以發(fā)現(xiàn)CPU還是爆滿?？磥?lái)簡(jiǎn)單的擴(kuò)容是行不通了。
3000多個(gè)容器，投給K8s后，大量的容器都處于Pending狀態(tài)（集群整體資源不夠，所以容器都在排隊(duì)呢）。而正在Pending的Pod，K8s的Scheduler會(huì)不停的輪訓(xùn)，去判斷能否有資源可以給它安排上。所以這也會(huì)給Scheduler巨大的CPU壓力。擴(kuò)容集群節(jié)點(diǎn)數(shù)量，可以減少排隊(duì)的Pod數(shù)量。
另外，既然排隊(duì)的太多，不如就把容器分批投遞給K8s吧。于是開始分批次投遞任務(wù)，想著別一次把K8s壓垮了。每次投遞數(shù)量，減少到1千，然后到500，再到100。
同時(shí)，查詢Pod進(jìn)度的時(shí)候，避免使用ListPod接口，改為直接查詢具體的Pod信息。因?yàn)長(zhǎng)ist接口，在K8s內(nèi)部的處理會(huì)列出所有Pod信息，處理壓力也很大。
這一套組合拳下來(lái)，Master節(jié)點(diǎn)終于不掛了。不過，一頭問題按下去了，另一頭問題就冒出來(lái)了。
容器跑一半，掛了
雖然Master不掛了，但是當(dāng)投遞1~2批次作業(yè)后，容器又紛紛失敗。
容器掛掉的處理過程，總結(jié)版：
發(fā)現(xiàn)容器掛掉是被eviction驅(qū)逐了；
Eviction驅(qū)逐，發(fā)現(xiàn)原因是節(jié)點(diǎn)報(bào)Disk Pressure（存儲(chǔ)容量滿了）；
于是擴(kuò)容節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)容量；
延長(zhǎng)驅(qū)逐容器（主動(dòng)kill容器）前的容忍時(shí)間；
詳細(xì)版：
（注：以下問題是定位梳理后，按順序呈現(xiàn)給大家。但其實(shí)出問題的時(shí)候，順序沒有這么友好）
容器執(zhí)行失敗，首先想到的是先看看容器里面腳本執(zhí)行的日志唄：結(jié)果報(bào)日志找不到~
于是查詢Pod信息，從event事件中發(fā)現(xiàn)有些容器是被Eviction驅(qū)逐干掉了。同時(shí)也可以看到，驅(qū)逐的原因是 DiskPressure（即節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)滿了）。
當(dāng)Disk Pressure發(fā)生后，節(jié)點(diǎn)被打上了驅(qū)逐標(biāo)簽，隨后啟動(dòng)主動(dòng)驅(qū)逐容器的邏輯：
由于節(jié)點(diǎn)進(jìn)入Eviction驅(qū)逐狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)上面的容器，如果在5分鐘后，還沒有運(yùn)行完，就被Kubelet主動(dòng)殺死了。（因?yàn)镵8s想通過干掉容器來(lái)騰出更多資源，從而盡快退出Eviction狀態(tài)）。
這里我們假設(shè)每個(gè)容器的正常運(yùn)行時(shí)間為1~2個(gè)小時(shí)，那么不應(yīng)該一發(fā)生驅(qū)動(dòng)就馬上殺死容器（因?yàn)橐呀?jīng)執(zhí)行到一半的容器，殺掉重新執(zhí)行是有成本浪費(fèi)的）。我們期望應(yīng)該盡量等待所有容器都運(yùn)行結(jié)束才動(dòng)手。所以這個(gè) pod-eviction-timeout 容忍時(shí)間，應(yīng)該設(shè)置為24小時(shí)（大于每個(gè)容器的平均執(zhí)行時(shí)間）。
Disk Pressure的直接原因就是本地盤容量不夠了。所以得進(jìn)行節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)擴(kuò)容，有2個(gè)選擇：1）使用云存儲(chǔ)EVS（給節(jié)點(diǎn)掛載云存儲(chǔ)）。2）擴(kuò)容本地盤（節(jié)點(diǎn)自帶本地存儲(chǔ)的VM）。
由于云存儲(chǔ)（EVS）的帶寬實(shí)在太低了，350MB/s。一個(gè)節(jié)點(diǎn)咱們能同時(shí)跑30多個(gè)容器，帶寬完全滿足不了。最終選擇使用 i3類型的VM。這種VM自帶本地存儲(chǔ)。并且將8塊NVMe盤，組成Raid0，帶寬還能x8。
對(duì)象存儲(chǔ)寫入失敗
容器執(zhí)行繼續(xù)紛紛失敗。
容器往對(duì)象存儲(chǔ)寫入失敗處理過程，總結(jié)版：
不直接寫入，而是先寫到本地，然后cp過去。
將普通對(duì)象桶，改為支持文件語(yǔ)義的并行文件桶。
詳細(xì)版：
查看日志發(fā)現(xiàn)，腳本在生成新的影像時(shí)，往存儲(chǔ)中寫入時(shí)出錯(cuò)：
我們整集群是500核的規(guī)模，同時(shí)運(yùn)行的容器數(shù)量大概在250個(gè)（每個(gè)2u2g）。這么多的容器同時(shí)往1個(gè)對(duì)象存儲(chǔ)桶里面并發(fā)追加寫入。這個(gè)應(yīng)該是導(dǎo)致該IO問題的原因。
對(duì)象存儲(chǔ)協(xié)議s3fs，本身并不適合大文件的追加寫入。因?yàn)樗鼘?duì)文件的操作都是整體的，即使你往一個(gè)文件追加寫入1字節(jié)，也會(huì)導(dǎo)致整個(gè)文件重新寫一遍。
最終這里改為：先往本地生成目標(biāo)影像文件，然后腳本的最后，再拷貝到對(duì)象存儲(chǔ)上。相當(dāng)于增加一個(gè)臨時(shí)存儲(chǔ)中轉(zhuǎn)一下。
在臨時(shí)中轉(zhuǎn)存儲(chǔ)選擇中，2種本地存儲(chǔ)都試過：1）塊存儲(chǔ)帶寬太低，350MB/s影響整體作業(yè)速度。2）可以選擇帶本地存儲(chǔ)的VM，多塊本地存儲(chǔ)組成Raid陣列，帶寬速度都杠杠滴。
同時(shí)，華為云在對(duì)象存儲(chǔ)協(xié)議上也有一個(gè)擴(kuò)展，使其支持追加寫入這種的POSIX語(yǔ)義，稱為并行文件桶。后續(xù)將普通的對(duì)象桶，都改為了文件語(yǔ)義桶。以此來(lái)支撐大規(guī)模的并發(fā)追加寫入文件的操作。
K8s計(jì)算節(jié)點(diǎn)掛了
So，繼續(xù)跑任務(wù)。但是這容器作業(yè)，執(zhí)行又紛紛失敗鳥~
計(jì)算節(jié)點(diǎn)掛掉，定位梳理后，總結(jié)版：
計(jì)算節(jié)點(diǎn)掛掉，是因?yàn)楹镁脹]上報(bào)K8s心跳了。
沒上報(bào)心跳，是因?yàn)閗ubelet（K8s節(jié)點(diǎn)的agent）過得不太好（死掉了）。
是因?yàn)镵ubelet的資源被容器搶光了（由于不想容器經(jīng)常oom kill，并未設(shè)置limit限制）
為了保護(hù)kubelet，所有容器全都設(shè)置好limit。
詳細(xì)版，直接從各類奇葩亂象等問題入手：
1） 容器啟動(dòng)失敗，報(bào)超時(shí)錯(cuò)誤。
2） 然后，什么PVC共享存儲(chǔ)掛載失?。?img src="https://file.tuyuangis.com/uploads/20211115/10f8f4812e25320779f8b34d407c418f.jpg" />
3） 或者，又有些容器無(wú)法正常結(jié)束（刪不掉）。
4） 查詢節(jié)點(diǎn)Kubelet日志，可以看到充滿了各種超時(shí)錯(cuò)誤：
圖片
啊，這么多的底層容器超時(shí)，一開始感覺的Docker的Daemon進(jìn)程掛了，通過重啟Docker服務(wù)來(lái)試圖修復(fù)問題。
后面繼續(xù)定位發(fā)現(xiàn)，K8s集群顯示，好多計(jì)算節(jié)點(diǎn)Unavailable了（節(jié)點(diǎn)都死掉啦）。
圖片
繼續(xù)分析節(jié)點(diǎn)不可用（Unavailable），可以發(fā)現(xiàn)是Kubelet好久沒有給Master上報(bào)心跳了，所以Master認(rèn)為節(jié)點(diǎn)掛了。說(shuō)明不僅僅是Docker的Daemon受影響，節(jié)點(diǎn)的Kubelet也有受影響。
那什么情況會(huì)導(dǎo)致Kubelet，Docker這些主機(jī)進(jìn)程都不正常呢？這個(gè)就要提到Kubernetes在調(diào)度容器時(shí)，所設(shè)計(jì)的Request和Limit這2個(gè)概念了。
Request是K8s用來(lái)調(diào)度容器到空閑計(jì)算節(jié)點(diǎn)上的。而Limit則會(huì)傳遞給Docker用于限制容器資源上限（觸發(fā)上限容易被oom killer 殺掉）。前期我們?yōu)榱朔乐棺鳂I(yè)被殺死，僅為容器設(shè)置了Request，沒有設(shè)置Limit。也就是每個(gè)容器實(shí)際可以超出請(qǐng)求的資源量，去搶占額外的主機(jī)資源。大量容器并發(fā)時(shí)，主機(jī)資源會(huì)受影響。
考慮到雖然不殺死作業(yè)，對(duì)用戶挺友好，但是平臺(tái)自己受不了也不是個(gè)事。于是給所有的容器都加上了Limit限制，防止容器超限使用資源，強(qiáng)制用戶進(jìn)程運(yùn)行在容器Limit資源之內(nèi)，超過就Kill它。以此來(lái)確保主機(jī)進(jìn)程（如Docker，Kubelet等），一定是有足夠的運(yùn)行資源的。
K8s計(jì)算節(jié)點(diǎn)，又掛了
于是，繼續(xù)跑任務(wù)。不少作業(yè)執(zhí)行又雙叒失敗鳥~
節(jié)點(diǎn)又掛了，總結(jié)版：
分析日志，這次掛是因?yàn)镻LEG（Pod Lifecycle Event Generator）失敗。
PLEG異常是因?yàn)楣?jié)點(diǎn)上面存留的歷史容器太多（>500個(gè)），查詢用時(shí)太久超時(shí)了。
及時(shí)清理已經(jīng)運(yùn)行結(jié)束的容器（即使跑完的容器，還是會(huì)占用節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)資源）。
容器接口各種超時(shí)（cpu+memory是有l(wèi)imit保護(hù)，但是io還是會(huì)被搶占）。
提升系統(tǒng)磁盤的io性能，防止Docker容器接口（如list等）超時(shí)。
詳細(xì)版：
現(xiàn)象還是節(jié)點(diǎn)Unavailable了，查看Kubelet日志搜索心跳情況，發(fā)現(xiàn)有PLEG is not healthy 的錯(cuò)誤：
于是搜索PLEG相關(guān)的Kubelet日志，發(fā)現(xiàn)該錯(cuò)誤還挺多：
圖片
這個(gè)錯(cuò)誤，是因?yàn)閗ubelet去list當(dāng)前節(jié)點(diǎn)所有容器（包括已經(jīng)運(yùn)行結(jié)束的容器）時(shí)，超時(shí)了。
看了代碼：
https://github.com/kubernetes/kubernetes/blob/master/pkg/kubelet/pleg/generic.go#L203
kubelet判斷超時(shí)的時(shí)間，3分鐘的長(zhǎng)度是寫死的。所以當(dāng)pod數(shù)量越多，這個(gè)超時(shí)概率越大。很多場(chǎng)景案例表明，節(jié)點(diǎn)上的累計(jì)容器數(shù)量到達(dá)500以上，容易出現(xiàn)PLEG問題。（此處也說(shuō)明K8s可以更加Flexible一點(diǎn)，超時(shí)時(shí)長(zhǎng)應(yīng)該動(dòng)態(tài)調(diào)整）。
緩解措施就是及時(shí)的清理已經(jīng)運(yùn)行完畢的容器。但是運(yùn)行結(jié)束的容器一旦清理，容器記錄以及容器日志也會(huì)被清理，所以需要有相應(yīng)的功能來(lái)彌補(bǔ)這些問題（比如日志采集系統(tǒng)等）。
List所有容器接口，除了容器數(shù)量多，IO慢的話，也會(huì)導(dǎo)致超時(shí)。
這時(shí)，從后臺(tái)可以看到，在投遞作業(yè)期間，大量并發(fā)容器同時(shí)運(yùn)行時(shí)，云硬盤的寫入帶寬被大量占用：
對(duì)存儲(chǔ)池的沖擊也很大：
這也導(dǎo)致了IO性能變很差，也會(huì)一定程度影響list容器接口超時(shí)，從而導(dǎo)致PLEG錯(cuò)誤。
該問題的解決措施：盡量使用的帶本地高速盤的VM，并且將多塊數(shù)據(jù)盤組成Raid陣列，提高讀寫帶寬。
這樣，該VM作為K8s的節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)上的容器都直接讀寫本地盤，io性能較好。（跟大數(shù)據(jù)集群的節(jié)點(diǎn)用法一樣了，強(qiáng)依賴本地shuffle~）。
在這多條措施實(shí)施后，后續(xù)多批次的作業(yè)都可以平穩(wěn)的運(yùn)行完。
總結(jié)：“AI+云原生”這條路
云原生是趨勢(shì)，已經(jīng)成為大家的共識(shí)，各領(lǐng)域也都開始以云原生為底座的業(yè)務(wù)嘗試。AI是未來(lái)，這也是當(dāng)前不可阻擋的力量。但是當(dāng)AI踏上這條云原生的道路卻不那么一帆風(fēng)順。至少可以看到，華為云的云原生底座（當(dāng)然，也包括存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)等周邊基礎(chǔ)設(shè)施）還可以有更多的進(jìn)步空間。
但是，大家也不用擔(dān)心太多，因?yàn)楫?dāng)前華為云的空天地平臺(tái)，在經(jīng)歷了多年的AI+云原生的積累，目前可以很穩(wěn)定的處理PB級(jí)每日的遙感影像數(shù)據(jù)，支撐各類空基、天基、地基等場(chǎng)景，并且在該領(lǐng)域保持絕對(duì)領(lǐng)先的戰(zhàn)斗值。雖然大家看到此間過程有點(diǎn)曲折，但是所有的困難都是涅槃的火種，克服過的困難都是今后可以對(duì)客戶做的承諾。在這里可以很明確的告訴各位：AI+云原生=真香。
寫這篇文章的目的，不是在闡述困難，而是為了總結(jié)分享。與同領(lǐng)域的人分享并促進(jìn)遙感領(lǐng)域的快速發(fā)展，共同推動(dòng)AI+云原生的落地。
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