基于阿里云Prometheus指标的容器水平伸缩 - 容器服务 Kubernetes 版 ACK

HPA默认支持基于CPU和内存指标实现自动伸缩，可能无法满足更为复杂的运维场景。如果您需要将Prometheus收集的Custom Metrics与External Metrics转换为HPA可用的弹性伸缩指标，您可以参见本文获取监控数据并实现对应的伸缩配置，为应用提供更灵活、便捷的扩缩机制。

前提条件

已部署阿里云Prometheus监控组件。具体操作，请参见使用阿里云Prometheus监控。
已部署ack-alibaba-cloud-metrics-adapter组件。具体操作，请参见部署alibaba-cloud-metrics-adapter组件。
说明
您可以登录容器服务管理控制台，在市场 > 应用市场页面部署ack-alibaba-cloud-metrics-adapter组件。

功能介绍

默认HPA只支持基于CPU和内存的自动伸缩，并不能满足日常的运维需求。阿里云Prometheus监控全面对接开源Prometheus生态，支持类型丰富的组件监控，提供多种开箱即用的预置监控大盘，且提供全面托管的Prometheus服务。此功能主要分为三个步骤：

在ACK集群中使用Prometheus监控透出监控指标。
依托alibaba-cloud-metrics-adapter组件，负责转换Prometheus监控指标为HPA可消费的Kubernetes聚合指标。更多信息，请参见Autoscaling on multiple metrics and custom metrics。
配置并部署HPA，根据上一步的指标进行弹性扩缩。
指标类型根据场景分为两种：
- Custom Metric：根据与要进行扩缩的Kubernetes目标对象（例如Pod）相关的指标进行扩缩，例如Pod自身维度的指标。更多信息，请参见autoscaling-on-multiple-metrics-and-custom-metrics。
- External Metric：根据与要进行扩缩的Kubernetes目标对象（例如Pod）不相关的指标进行扩缩。例如，通过整体的业务QPS指标来扩缩某一个Workload的Pod。更多信息，请参见autoscaling-on-metrics-not-related-to-kubernetes-objects。

下文介绍如何配置alibaba-cloud-metrics-adapter，实现将阿里云Prometheus指标转换为HPA可用指标，并实现该指标自动伸缩。

步骤一：获取Prometheus监控数据

示例一：使用ACK默认容器监控指标

您可以直接使用ACK默认安装的阿里云Prometheus中的默认指标进行HPA弹性扩缩。支持的指标包括容器监控cAdvisor指标、节点基础监控Node-Exporter、GPU-Exporter指标，以及您当前已接入到阿里云Prometheus中的所有指标。查看已接入阿里云Prometheus的指标的步骤如下：

登录容器服务管理控制台，在左侧导航栏选择集群。
在集群列表页面，单击目标集群名称，然后在左侧导航栏，选择运维管理 > Prometheus 监控。
单击右上角跳转到Prometheus服务。
在Prometheus监控服务控制台的左侧导航栏，单击设置，查看所有已接入阿里云Prometheus的指标。

示例二：通过Pod自身上报的Prometheus指标进行HPA扩缩

部署测试应用，并通过Prometheus标准方式暴露指标。更多信息，请参见metric_type。下文介绍如何部署sample-app应用，并自身透出http_requests_total的指标用来标识访问次数。

部署应用的工作负载。

登录容器服务管理控制台，在左侧导航栏选择集群。
在集群列表页面，单击目标集群名称，在左侧导航栏，单击工作负载 > 无状态。

在无状态页面右侧，单击使用YAML创建资源，然后在创建页面，示例模板选择自定义，配置以下YAML，单击创建。

展开查看YAML详细信息

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: sample-app
  labels:
    app: sample-app
spec:
  replicas: 1
  selector:
    matchLabels:
      app: sample-app
  template:
    metadata:
      labels:
        app: sample-app
    spec:
      containers:
      - image: luxas/autoscale-demo:v0.1.2
        name: metrics-provider
        ports:
        - name: http
          containerPort: 8080
---
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: sample-app
  namespace: default
  labels:
    app: sample-app
spec:
  ports:
    - port: 8080
      name: http
      protocol: TCP
      targetPort: 8080
  selector:
    app: sample-app
  type: ClusterIP

说明

此容器暴露出http_requests_total的指标用来标识访问次数。

添加ServiceMonitor
1. 登录ARMS控制台。
2. 在左侧导航栏，单击接入管理。在已接入环境的容器环境页签下，选择集群所在地域，然后单击对应环境名称（和所创建集群同名）。
3. 在容器环境页面，单击指标采集页签，在当前页面的左侧导航栏，单击ServiceMonitor，然后在ServiceMonitor页面单击新增，最后在新增ServiceMonitor配置页面，单击YAML编辑添加ServiceMonitor，完成后单击创建。
```
apiVersion: monitoring.coreos.com/v1
kind: ServiceMonitor
metadata:
  name: sample-app
  namespace: default
spec:
  endpoints:
  - interval: 30s
    port: http
    path: /metrics
  namespaceSelector:
    any: true
  selector:
    matchLabels:
      app: sample-app
```
确认监控状态。
在自监控页签下，单击Targets页签，如果看到default/sample-app/0(1/1 up)，则说明您已成功在阿里云Prometheus监控到了部署的应用。
通过在Prometheus大盘中，查询最近时间范围的http_requests_total数值，确定监控数据已经正确获取。

步骤二：修改alibaba-cloud-metrics-adapter组件配置

登录容器服务管理控制台，在左侧导航栏选择集群。
在集群列表页面，单击目标集群名称，在左侧导航栏，单击应用 > Helm。
在Helm页面的操作列，单击ack-alibaba-cloud-metrics-adapter对应的更新。

在更新发布面板，配置如下YAML，然后单击确定。

展开查看YAML详细信息

  AlibabaCloudMetricsAdapter:
  ......
    prometheus:
      enabled: true    # 这里设置为true，打开整体Prometheus adapter功能。
      # 填写阿里云Prometheus监控的地址。
      url: https://cn-beijing.arms.aliyuncs.com:9443/api/v1/prometheus/xxxx/xxxx/xxxx/cn-beijing
    	# 阿里云Prometheus开启鉴权Token后，请配置prometheusHeader Authorization。
      prometheusHeader:
      - Authorization: xxxxxxx
      	
      metricsRelistInterval: 1m # 重新获取指标列表的时间周期，推荐保持默认1min。
    	logLevel: 5								# 组件调试日志级别，推荐保持默认。
    
      adapter:
        rules:
          default: false  			# 默认指标获取配置，推荐保持false。
          custom:
          
          # 示例1：this is an example of custom metric config.
          # this config will convert prometheus metric: container_memory_working_set_bytes to a custom metric container_memory_working_set_bytes_per_second
          # and cpu metric container_cpu_usage_seconds_total convert to container_cpu_usage_core_per_second
          # you can run command to check the memory/cpu value:
          # kubectl get --raw  "/apis/custom.metrics.k8s.io/v1beta1/namespaces/kube-system/pods/*/container_memory_working_set_bytes_per_second"
          # kubectl get --raw  "/apis/custom.metrics.k8s.io/v1beta1/namespaces/kube-system/pods/*/container_cpu_usage_core_per_second"
          # refer to doc: https://help.aliyun.com/document_detail/184519.html
  
          - seriesQuery: 'container_memory_working_set_bytes{namespace!="",pod!=""}'
            resources:
              overrides:
                namespace: { resource: "namespace" }
                pod: { resource: "pod" }
            name:
              matches: "^(.*)_bytes"
              as: "${1}_bytes_per_second"
            metricsQuery: 'sum(<<.Series>>{<<.LabelMatchers>>}) by (<<.GroupBy>>)' # metricsQuery配置中的labelSelector不会继承series_Query的过滤标签。
          - seriesQuery: 'container_cpu_usage_seconds_total{namespace!="",pod!=""}'
            resources:
              overrides:
                namespace: { resource: "namespace" }
                pod: { resource: "pod" }
            name:
              matches: "^(.*)_seconds_total"
              as: "${1}_core_per_second"
            metricsQuery: 'sum(rate(<<.Series>>{<<.LabelMatchers>>}[1m])) by (<<.GroupBy>>)'  # metricsQuery配置中的labelSelector不会继承series_Query的过滤标签。
  
          # 示例2：this is an example of external metric config.
          
          # refer to doc: https://help.aliyun.com/document_detail/608768.html
  
          # 添加新的转换规则，请确保阿里云Prometheus中指标标签和此处一致，如果不一致，请参见ARMS Prometheus中指标标签修改。
          
          #- seriesQuery: http_requests_total{namespace!="",pod!=""}
          #  resources:
          #    overrides:
          #      # 此处resource为Kubernetes的API Resource，可通过kubectl api-resources -o wide查看。
          #      # 此处key对应Prometheus数据中的LabelName，请确认Prometheus指标数据中有此LabelName。
          #      namespace: {resource: "namespace"}
          #      pod: {resource: "pod"}
          #  name:
          #    matches: ^(.*)_total
          #   as: ${1}_per_second
          #  metricsQuery: sum(rate(<<.Series>>{<<.LabelMatchers>>}[2m])) by (<<.GroupBy>>)
  
  
          # this is an example of external metric config.
          
          # refer to doc: https://help.aliyun.com/document_detail/608768.html
  
          #- seriesQuery: arms_app_requests_count
          #  metricsQuery: sum by (rpc) (sum_over_time(<<.Series>>{rpc="/demo/queryUser/{id}",service="arms-demo:arms-k8s-demo",prpc="__all__",ppid="__all__",endpoint="__all__",destId="__all__",<<.LabelMatchers>>}[1m]))
          #  name:
          #    as: ${1}_per_second_queryuser
          #    matches: ^(.*)_count
          #  resources:
          #    namespaced: false
  
  
          # this is an example of custom metric from user define prometheus metric: http_requests_total
          # refer to doc: https://help.aliyun.com/document_detail/184519.html
  
          #- seriesQuery: 'http_requests_total{namespace!="",pod!=""}'
          #  resources:
          #    overrides:
          #      namespace: {resource: "namespace"}
          #      pod: {resource: "pod"}
          #  name:
          #    matches: "^(.*)_total"
          #    as: "${1}_per_second"
          #  metricsQuery: 'sum(rate(<<.Series>>{<<.LabelMatchers>>}[2m])) by (<<.GroupBy>>)'
          # - seriesQuery: '{__name__=~"^some_metric_count$"}'
          #   resources:
          #     template: <<.Resource>>
          #   name:
          #     matches: ""
          #     as: "my_custom_metric"
          #   metricsQuery: sum(<<.Series>>{<<.LabelMatchers>>}) by (<<.GroupBy>>)
  
    ......

部分字段说明如下。关于ack-alibaba-cloud-adapter配置文件的详细说明，请参见ack-alibaba-cloud-adapter配置文件详解。

字段	说明
`AlibabaCloudMetricsAdapter. prometheus.adapter.rules.custom`	该字段内容请修改为示例YAML中对应的内容。
`alibabaCloudMetricsAdapter. prometheus.url`	填写阿里云Prometheus监控的地址。关于如何获取Prometheus数据请求URL，请参见如何获取Prometheus数据请求URL。
`AlibabaCloudMetricsAdapter. prometheus.prometheusHeader[].Authorization`	填写Token。关于如何获取Token，请参见如何获取Prometheus数据请求URL。
`AlibabaCloudMetricsAdapter. prometheus.adapter.rules.default`	默认创建预置指标，推荐关闭，配置为`false`。

配置Metrics-adapter组件参数，并成功部署Metrics-adapter组件后，可通过如下命令查看K8s聚合API是否已经成功接入数据。

通过Custom Metrics进行容器伸缩。

执行以下命令，通过Custom Metrics指标查询方式，查看HPA可用指标的详情和列表。
```
kubectl get --raw "/apis/custom.metrics.k8s.io/v1beta1/" | jq .
```

执行以下命令，查询http_requests_per_second指标在default命名空间下的当前数值。

# 通过查询container_memory_working_set_bytes_per_second查看kube-system namespace中Pod的工作内存当前每秒大小。
kubectl get --raw  "/apis/custom.metrics.k8s.io/v1beta1/namespaces/kube-system/pods/*/container_memory_working_set_bytes_per_second"

# 通过查询container_cpu_usage_core_per_second查看kube-system namespace中Pod的CPU使用核数每秒大小。
kubectl get --raw  "/apis/custom.metrics.k8s.io/v1beta1/namespaces/kube-system/pods/*/container_cpu_usage_core_per_second"

指标查询结果示例：

{
  "kind": "MetricValueList",
  "apiVersion": "custom.metrics.k8s.io/v1beta1",
  "metadata": {
    "selfLink": "/apis/custom.metrics.k8s.io/v1beta1/namespaces/kube-system/pods/%2A/container_memory_working_set_bytes_per_second"
  },
  "items": [
    {
      "describedObject": {
        "kind": "Pod",
        "namespace": "kube-system",
        "name": "ack-alibaba-cloud-metrics-adapter-7cf8dcb845-h****",
        "apiVersion": "/v1"
      },
      "metricName": "container_memory_working_set_bytes_per_second",
      "timestamp": "2023-08-09T06:30:19Z",
      "value": "24576k",
      "selector": null
    }
  ]
}

通过External Metrics进行容器伸缩。

执行以下命令，通过External Metrics指标查询方式，查看HPA可用的External指标详情和列表。
```
kubectl get --raw "/apis/external.metrics.k8s.io/v1beta1/" | jq .
```

执行以下命令，查询http_requests_per_second指标在default命名空间下的当前数值。

kubectl get --raw "/apis/external.metrics.k8s.io/v1beta1/namespaces/default/http_requests_per_second"

示例输出：

{
  "kind": "ExternalMetricValueList",
  "apiVersion": "external.metrics.k8s.io/v1beta1",
  "metadata": {},
  "items": [
    {
      "metricName": "http_requests_per_second",
      "metricLabels": {},
      "timestamp": "2022-01-28T08:40:20Z",
      "value": "33m"
    }
  ]
}

步骤三：配置并部署HPA，根据获得的指标进行弹性扩缩

部署HPA

当前版本已支持Prometheus Metrics同时透出Custom Metrics与External Metrics。您可以根据需求任选以下方式通过HPA进行容器伸缩。

类型	说明
Custom Metric	根据与要进行扩缩的Kubernetes目标对象（例如Pod）相关的指标进行扩缩，例如Pod自身维度的指标。更多信息，请参见autoscaling-on-multiple-metrics-and-custom-metrics。
External Metric	根据与要进行扩缩的Kubernetes目标对象（例如Pod）不相关的指标进行扩缩，例如通过整体的业务QPS指标来扩缩某一个Workload的Pod。更多信息，请参见autoscaling-on-metrics-not-related-to-kubernetes-objects。

通过Custom Metrics进行容器伸缩

使用以下内容，创建hpa.yaml文件。

kind: HorizontalPodAutoscaler
apiVersion: autoscaling/v2
metadata:
  name: sample-app-memory-high
spec:
# HPA的伸缩对象描述，HPA会动态修改该对象的Pod数量。
  scaleTargetRef:
    apiVersion: apps/v1
    kind: Deployment
    name: sample-app
# HPA的最小Pod数量和最大Pod数量。
  minReplicas: 1
  maxReplicas: 10
# 监控的指标数组，支持多种类型的指标共存。
  metrics:
  - type: Pods
    pods:
      # 使用指标：pods/container_memory_working_set_bytes_per_second。
      metric: 
        name: container_memory_working_set_bytes_per_second
 # AverageValue类型的目标值，Pods指标类型下只支持AverageValue类型的目标值。
      target:
        type: AverageValue
        averageValue: 1024000m       # 此处1024000m代表1 KB内存阈值，当前指标单位为byte/per second，m为K8s转换精度单位，当出现了小数点，K8s又需要高精度时，会使用单位m或k。例如1001m=1.001，1k=1000。

执行以下命令，创建HPA应用。
```
kubectl apply -f hpa.yaml
```

执行以下命令，查看HPA是否生效。

kubectl get hpa sample-app-memory-high

预期输出：

NAME                     REFERENCE               TARGETS           MINPODS   MAXPODS   REPLICAS   AGE
sample-app-memory-high   Deployment/sample-app   24576k/1024000m   3         10        1          7m

通过External Metrics进行容器伸缩

使用以下内容，创建hpa.yaml文件。

apiVersion: autoscaling/v2
kind: HorizontalPodAutoscaler
metadata:
  name: sample-app
spec:
  scaleTargetRef:
    apiVersion: apps/v1
    kind: Deployment
    name: sample-app
  minReplicas: 1
  maxReplicas: 10
  metrics:
    - type: External
      external:
        metric:
          name: http_requests_per_second
          selector:
            matchLabels:
              job: "sample-app"
# External指标类型下只支持Value和AverageValue类型的目标值。
        target:
          type: AverageValue
          averageValue: 500m

执行以下命令，创建HPA应用。
```
kubectl apply -f hpa.yaml
```
在Service中开启负载均衡后，执行以下命令，进行压测实验。
```
ab -c 50 -n 2000 LoadBalancer(sample-app):8080/
```

执行以下命令，查看HPA详情。

kubectl get hpa sample-app

预期输出：

NAME         REFERENCE               TARGETS    MINPODS   MAXPODS   REPLICAS   AGE
sample-app   Deployment/sample-app   33m/500m   1         10        1          7m

ack-alibaba-cloud-adapter配置文件详解

ack-alibaba-cloud-adapter通过以下步骤将Prometheus中的指标转换成HPA可用的指标：

Discovery：ack-alibaba-cloud-adapter会从Prometheus发现可用的指标。
Association：将指标与Kubernetes资源（Pod、Node、Namespace）相关联。
Naming：定义转换后的HPA可用指标名称。
Querying：定义查询Prometheus语句。

以上文中sample-app容器中暴露出来的http_requests_total指标转换成HPA中的http_requests_per_second为例，完整的ack-alibaba-cloud-adapter配置文件如下。

- seriesQuery: http_requests_total{namespace!="",pod!=""}
  resources:
    overrides:
      namespace: {resource: "namespace"}
      pod: {resource: "pod"}
  name:
    matches: ^(.*)_total
    as: ${1}_per_second
  metricsQuery: sum(rate(<<.Series>>{<<.LabelMatchers>>}[2m])) by (<<.GroupBy>>)

字段	说明
`seriesQuery`	PromQL请求数据。
`metricsQuery`	对seriesQuery中PromQL请求的数据做聚合操作。说明 `metricsQuery`配置中的`labelSelector`不会继承`series_Query`的过滤标签。
`resources`	是PromQL里的数据Label，与`resource`进行匹配。此处的`resource`是指集群内的api-resource，例如Pod、Namespace和Node。您可以通过`kubectl api-resources -o wide`命令查看。此处Key对应Prometheus数据中的LabelName，请确认Prometheus指标数据中有此LabelName。
`name`	指根据正则匹配把Prometheus指标名转为比较可读的指标名，此处将`http_requests_total`转为`http_requests_per_second`。

Discovery
指定待转换的Prometheus指标，您可以通过seriesFilters精确过滤指标。seriesQuery可以根据标签进行查找，示例代码如下。
```
seriesQuery: http_requests_total{namespace!="",pod!=""}
seriesFilters:
    - isNot: "^container_.*_seconds_total"
```
seriesFilters为非必填项，用于过滤指标：
- is:<regex>：匹配包含该正则表达式的指标。
- isNot:<regex>：匹配不包含该正则表达式的指标。

Association

设置Prometheus指标标签与Kubernetes中的资源映射关系。http_requests_total指标的标签包括namespace!=""和pod!=""。

- seriesQuery: http_requests_total{namespace!="",pod!=""}
  resources:
    overrides:
      namespace: {resource: "namespace"}
      pod: {resource: "pod"}

Naming
用于将Prometheus指标名称转换成HPA的指标名称，但不会改变Prometheus本身的指标名称。如果使用Prometheus原来的指标，可以不设置。
您可以通过执行命令kubectl get --raw "/apis/custom.metrics.k8s.io/v1beta1"查看HPA可用的所有指标。
```
- seriesQuery: http_requests_total{namespace!="",pod!=""}
  resources:
    overrides:
      namespace: {resource: "namespace"}
      pod: {resource: "pod"}
  name:
    matches: "^(.*)_total"
    as: "${1}_per_second"
```

Querying

查询Prometheus API的模板。ack-alibaba-cloud-adapter会根据HPA中的参数，填充参数到此模板中，然后发送给Prometheus API请求，并将获得的值最终提供给HPA进行弹性扩缩。

- seriesQuery: http_requests_total{namespace!="",pod!=""}
  resources:
    overrides:
      namespace: {resource: "namespace"}
      pod: {resource: "pod"}
  name:
    matches: ^(.*)_total
    as: ${1}_per_second
  metricsQuery: sum(rate(<<.Series>>{<<.LabelMatchers>>}[2m])) by (<<.GroupBy>>)

如何获取Prometheus数据请求URL

场景一：阿里云Prometheus监控

登录容器服务管理控制台，在左侧导航栏选择集群。
在集群列表页面，单击目标集群名称，然后在左侧导航栏，选择运维管理 > Prometheus 监控。
单击右上角跳转到Prometheus服务。
在Prometheus监控服务控制台的左侧导航栏，单击设置，然后单击设置页签，获取HTTP API地址（Grafana 读取地址）。
推荐使用内网，如无法使用内网时，可使用公网。

场景二：开源Prometheus监控

针对开源自建Prometheus方案，您需要通过Service暴露Prometheus的标准访问API，然后将其配置在metrics-adapter组件的Prometheus数据源URL参数中，即可完成基于开源Prometheus数据的HPA数据源配置。

下文以ACK应用市场提供的ack-prometheus-operator社区版应用Helm Chart为例。更多信息，请参见开源Prometheus监控。

部署Prometheus监控方案，并暴露标准Prometheus API。
- 登录容器服务管理控制台，在左侧导航栏选择市场 > 应用市场。
- 在应用市场页面，搜索并单击ack-prometheus-operator，然后在页面右侧，单击一键部署。
- 在创建页面，选择集群和命名空间，按需修改发布名称，然后单击下一步，按需修改参数，然后单击确定。
- 查看部署结果。
  1. 通过Service暴露Prometheus的标准API，当前以ack-prometheus-operator的Service：ack-prometheus-operator-prometheus为例。
  2. 在浏览器中访问ServiceIP:9090，如需为Service开通公网访问SLB，查看Prometheus控制台。
  3. 在页面上方菜单栏，单击Status > Targets，查看所有采集任务。
    如果所有任务的状态为UP，表示所有采集任务均已正常运行。
- 查看Labels中对应的service和namespace。
  本示例以ServiceName为ack-prometheus-operator-prometheus，ServiceNamespace为monitoring为例说明该开源Prometheus数据请求的URL。
```
http://ack-prometheus-operator-prometheus.monitoring.svc.cluster.local:9090
```
配置组件的Prometheus数据源URL参数中，以确保组件与Prometheus之间的通信正常。
如果选择通过公网访问Prometheus的标准API，可参见以下示例进行配置。
```
  AlibabaCloudMetricsAdapter:
  ......
    prometheus:
      enabled: true
      url: http://your_domain.com:9090   # 请将your_domain.com替换为您的公网IP
```
以ack-prometheus-operator方案为例，此时url值为http://ack-prometheus-operator-prometheus.monitoring.svc.cluster.local:9090。

容器服务 Kubernetes 版 ACK：基于阿里云Prometheus指标的容器水平伸缩