云原生|什么是HPA和PDB?

Posted by 琉璃康康 on November 28, 2023

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—— 琉璃康康

最近的项目,Kubernetes的人员要做系统维护的时候,需要修改我容器化应用的PDB,一直问我是否可以改动。

然后我就懵了,好奇的想知道PDB是一个什么东西?简单了解了之后,感觉跟HPA有点儿类似,确又有本质区别,相近的两个概念,容易引起迷糊,就一起简单聊一聊。

在Kubernetes中,HPA和PDB是两个非常关键的概念,用于自动化地调整应用程序的规模和管理维护期间的Pod容忍性,那么他们具体是干什么的,都在什么场景下使用呢?

Horizontal Pod Autoscaler(HPA)

概述

HPA是Horizontal Pod Autoscaler的缩写,它在Kubernetes中允许根据应用程序的负载动态调整Pod的副本数量,从而使得应用程序能够自动扩展或收缩,以适应变化的工作负载,进而提高资源利用率和应用程序的性能。

原理

HPA 的原理基于两个核心概念:指标(Metrics)目标值(Target Value)

  1. 指标: HPA 使用预定义的或自定义的指标(例如 CPU 使用率、内存使用率)来监控应用程序的负载。这些指标反映了应用程序当前的性能状况。

  2. 目标值: HPA 需要设定一个目标值,表示期望的指标水平。当监测到应用程序的实际指标超过或低于这个目标值时,HPA 将触发相应的伸缩操作。

使用场景

HPA 在以下场景中特别有用:

  • 流量波动: 当应用程序面临流量波动的时候,需要在使用高峰期动态扩展副本,低谷的时候再缩减相应副本时,HPA是能够自动完成这一过程的,比如每天中午的忙时扩展,午夜闲时自动收编。

  • 成本优化: HPA还可以根据实际负载调整规模,以提高资源利用率,从而降低云服务成本,比如双十一期间因订单量激增,自动扩容申请,但是双十一过后自动回复平常的使用水平。

示例

接下来让我们用一个简单的小例子来看看HPA的使用。假设有一个Web服务,我们希望在CPU使用率达到80%时自动扩展,下降到20%时自动缩容。

首先,需要创建一个HPA对象,如下所示:

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apiVersion: autoscaling/v2
kind: HorizontalPodAutoscaler
metadata:
  name: nginx-deployment-hpa
spec:
  scaleTargetRef:
    apiVersion: apps/v1
    kind: Deployment
    name: nginx-deployment
  minReplicas: 1
  maxReplicas: 10
  metrics:
  - type: Resource
    resource:
      name: cpu
      target:
        type: Utilization
        averageUtilization: 80

apply一下看看结果:

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ubuntu@VM-16-3-ubuntu:~$ cat hpa.yaml 
apiVersion: autoscaling/v2
kind: HorizontalPodAutoscaler
metadata:
  name: nginx-deployment-hpa
spec:
  scaleTargetRef:
    apiVersion: apps/v1
    kind: Deployment
    name: nginx-deployment
  minReplicas: 1
  maxReplicas: 10
  metrics:
  - type: Resource
    resource:
      name: cpu
      target:
        type: Utilization
        averageUtilization: 80
ubuntu@VM-16-3-ubuntu:~$ 
ubuntu@VM-16-3-ubuntu:~$ kubectl get pod
NAME                               READY   STATUS    RESTARTS   AGE
nginx-deployment-89f9774c6-vrzs7   1/1     Running   0          11s
ubuntu@VM-16-3-ubuntu:~$ kubectl get deployments.apps 
NAME               READY   UP-TO-DATE   AVAILABLE   AGE
nginx-deployment   1/1     1            1           14s
ubuntu@VM-16-3-ubuntu:~$ kubectl apply -f hpa.yaml 
horizontalpodautoscaler.autoscaling/nginx-deployment-hpa created
ubuntu@VM-16-3-ubuntu:~$ kubectl get hpa
NAME                   REFERENCE                     TARGETS         MINPODS   MAXPODS   REPLICAS   AGE
nginx-deployment-hpa   Deployment/nginx-deployment   <unknown>/80%   1         10        1          25s
ubuntu@VM-16-3-ubuntu:~$ 

可以看到HPA已经成功检测到Deployment的当前副本,同时已经设定了Targets是80%,但是由于没有Metrix,所以当前的使用率无法获取。

这个小例子中定义了一个叫做为nginx-deployment-hpa的HPF并关联了名字叫做nginx-deployment的Deployment。当CPU使用率平均值达到80%时,HPA将触发自动扩展,确保Pod的数量在1到10之间。

通过应用这个HPA对象,Kubernetes将根据CPU使用率的变化自动调整Pod的数量,以确保nginx服务的性能和可用性。

Pod Disruption Budget(PDB)

概述

PDB的全称叫做Pod Disruption Budget,是用于控制维护期间Pod中断的策略。它确保在进行计划性维护或者升级时不会导致应用程序的过度中断,从而提高应用程序的可靠性。

原理

PDB使用两个关键概念:最小可用副本数(Min Available)最大不可用副本数(Max Unavailable),分别用于定义在维护期间需要保持的最小可用Pod数量和允许的最大不可用Pod数量:

  1. minAvailable(最小可用 Pod 数量):

    • minAvailable 用于指定在维护期间必须保持运行的Pod的最小数量。这确保了即使在维护期间,也有足够数量的Pod在运行,以保持服务的可用性。

    • 我们可以将 minAvailable 设置为一个整数值,也可以是一个百分比。例如,如果设置为2,表示在维护期间至少要保持2个Pod在运行。如果设置为百分比,它表示相对于ReplicaSet(或其他控制器)中当前运行的Pod数量的百分比。

  2. maxUnavailable(最大不可用 Pod 数量):

    • maxUnavailable 用于指定在维护期间允许的最大不可用 Pod 数量。这是一个相对值,通常与 minAvailable 一起使用,提供了更灵活的控制。

    • minAvailable,我们也可以将 maxUnavailable 设置为一个整数值或百分比。例如,设置为 maxUnavailable: 1 表示在维护期间允许最多1个Pod不可用;设置为 maxUnavailable: 10% 表示在维护期间允许最多10%的Pod不可用。

简单来说就是在Kubernetes维护升级期间,有最多有多少POD可以被删掉,至少要有多少POD必须Ready来提供服务。

使用场景

PDB一般适用于以下场景:

  • 保障服务可用性: 在进行计划性维护时,PDB可以确保至少保持指定数量的Pod在运行,从而不影响服务的可用性。

  • 避免突发中断: PDB可以防止在维护期间出现过多的Pod中断,确保应用程序的稳定运行。

示例

继续做实验,比如,比如针对Nginx的POD定义了如下的PDB策略:

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apiVersion: policy/v1
kind: PodDisruptionBudget
metadata:
  name: nginx-pdb
spec:
  minAvailable: 2  # 至少保持 2 个 Pod 在运行
  maxUnavailable: 1  # 允许最多 1 个 Pod 不可用
  selector:
    matchLabels:
      app: nginx  # 应用程序标签

在这个例子中,PDB nginx-pdb 将确保在维护期间至少有2个Pod在运行,并且允许最多1个Pod不可用。请注意,selector 部分根据部署nginx所打的label来定义。

结果在apply的时候遇到了问题,提示min和max不能同时定义,没办法,注释掉一个apply成功:

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ubuntu@VM-16-3-ubuntu:~$ kubectl get pod
NAME                               READY   STATUS    RESTARTS   AGE
nginx-deployment-89f9774c6-vrzs7   1/1     Running   0          30m
nginx-deployment-89f9774c6-fnbsx   1/1     Running   0          16s
nginx-deployment-89f9774c6-9bw6m   1/1     Running   0          16s
ubuntu@VM-16-3-ubuntu:~$ kubectl apply -f pdb.yaml 
The PodDisruptionBudget "nginx-pdb" is invalid: spec: Invalid value: policy.PodDisruptionBudgetSpec{MinAvailable:(*intstr.IntOrString)(0xc01a234760), Selector:(*v1.LabelSelector)(0xc01a234780), MaxUnavailable:(*intstr.IntOrString)(0xc01a234740), UnhealthyPodEvictionPolicy:(*policy.UnhealthyPodEvictionPolicyType)(nil)}: minAvailable and maxUnavailable cannot be both set
ubuntu@VM-16-3-ubuntu:~$ 
ubuntu@VM-16-3-ubuntu:~$ vi pdb.yaml 
apiVersion: policy/v1
kind: PodDisruptionBudget
metadata:
  name: nginx-pdb
spec:
  minAvailable: 2  # 至少保持 2 个 Pod 在运行
  #maxUnavailable: 1  # 允许最多 1 个 Pod 不可用,提示冲突后,注释掉maxUnavailable
  selector:
    matchLabels:
      app: nginx  # 应用程序标签
ubuntu@VM-16-3-ubuntu:~$ 
ubuntu@VM-16-3-ubuntu:~$ kubectl apply -f pdb.yaml 
poddisruptionbudget.policy/nginx-pdb created
ubuntu@VM-16-3-ubuntu:~$ kubectl get pdb
NAME        MIN AVAILABLE   MAX UNAVAILABLE   ALLOWED DISRUPTIONS   AGE
nginx-pdb   2               N/A               1                     5s
ubuntu@VM-16-3-ubuntu:~$ 

所以在真正使用的时候需要特别注意PDB,我们就因为PDB的问题,导致Kubernetes更新失败并无法修复,最后重装了Kubernetes。

HPA和PDB作为Kubernetes中两个关键的概念,用于应对不同的场景和挑战。HPA使得应用程序能够根据实时负载动态调整规模,提高资源利用率;而PDB则确保在计划性维护期间最小化Pod中断,提高应用程序的可靠性。通过合理使用这两个功能,我们可以更好地管理和优化Kubernetes集群中的应用程序。

在具体使用中,需要针对业务的需求来决定是否使用,使用后如何定义具体的参数。

以上,有想法欢迎留言来聊!


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