支持高性能计算场景，博云容器云打造智能算力引擎

灰太狼 2022-09-04 11:56 109阅读 0赞

随着 Kubernetes 作为 AI、大数据和高性能批量计算的下一代基础设施的趋势逐渐清晰，越来越多的企业对 Kubernetes 在深度学习、科学计算、高性能渲染等方面提出了更高的要求。

**项目挑战**

原生 Kubernetes 作为通用的容器调度方案，仍与高性能计算场景下业务调度诉求存在一定差距，主要体现在:

**待完善作业视角调度能力**

Kubernetes 本身是以资源视角进行资源调度，Pod 作为基本的调度单元存在。Kubernetes 采用依次调度的方式实现对每个容器的调度管理，缺乏业务的作业视角进行调度的能力。

在大数据、人工智能、高性能计算的应用场景下，往往需要多个容器同时配合执行计算。而 Kubernetes 原生的依次调度方式，完全无法满足大数据、人工智能场景下的调度需求。

例如，某个大数据应用需要跑1个 Driver 容器+10个 Executor 容器。如果容器以顺序的方式一个一个进行调度，在启动最后一个 Executor 容器时，由于资源不足而调度失败，最终造成服务无法启动。虽然，前面创建好的9个 Executor 容器运行正常，但平台无法提供该大数据应用的正常服务，从资源占用上来看也是一种浪费情况。

或者，当同时提交多个作业任务后，可能会因为资源不足而造成死锁，进而导致集群实际资源被占满，最终造成所有作业任务都无法运行的最坏情况。

**待实现 GPU 资源共享切分**

由于开源的 Kubernetes 本身对 GPU 提供的管理能力比较弱，无法实现 GPU共享按需调度的能力要求。

*  每个容器可以请求一个或多个 GPU，不支持 GPU 的资源切分
 *  K8S 节点必须预装相应的驱动程序
 *  必须预装 nvidia-docker 程序

在容器中，要想调用 NVIDIA 的 GPU ，需要通过 nvidia-docker 调用。nvidia-docker 是一个可以使用 GPU 的 docker，它在 docker 上做了一层封装，通过 nvidia - docker - plugin 将 GPU 调用到 docker 上。

从 K8S 1.8版本后，推荐使用 Device - Plugins 方式来调用 GPU 。

**待增加大数据等场景基因**

Kubernetes 的核心工作负载面向无状态应用、微服务应用等互联网类应用进行设计，对水平伸缩、滚动升级有支持比较好。而到了大数据和高性能计算领域，想直接使用 Kubernetes 完成相应的作业和任务是非常困难。

**待完善传统方案资源隔离性**

随着 Hadoop 生态崛起后，在资源的隔离方面 Yarn 就开始使用 cgroup 用来实现对 CPU 资源隔离管理，借助 JVM 的内存隔离机制从而实现对内存资源隔离管理；对于磁盘 IO 和网络 IO 的隔离，目前社区还在讨论中；对于文件系统环境的隔离，始终也无法做到完整的文件系统隔离方案。

从整体上看，Yarn 的资源隔离能力比较弱，这就造成了当多个任务运行到同一个工作节点上时，不同任务之间会存在资源抢占的问题，不同任务之间相互影响。

**待增强弹性 按需扩容**

大数据应用的高峰往往有明显的周期性特征。例如，实时计算资源消耗主要在白天。但大数据资源管理平台普遍缺乏弹性管理能力，无法按应用所需进行快速扩容，为了应对业务高峰和突发的计算任务，只能通过预留出足够多的资源方式来保证作业任务能够正常运行。

**解决方案**

从2020年开始，越来越多的大数据、高性能计算等业务开始往 K8S 迁移。博云智能算力引擎，通过引入组调度、公平调度等方式，实现了面向作业进行调度，解决原生 K8S 调度器面向 Pod 调度的问题；通过引入CNCF批量计算项目volcano，实现大数据生态作业、队列管理能力；通过引入博云容器云平台，实现了 GPU 调度能力、资源隔离和资源抽象化供给能力。从而，**进一步加强容器作为资源平台的能力形成**，为大数据、人工智能、高性能计算等场景提高算力服务做好了准备。

博云智能算力引擎整体由三部分组成：

*  **业务层**：由业务软件来调用博云智能算力引擎的接口，达到作业任务的批量计算和编排调度的管理要求；
 *  **调度层**：由博云智能算力引擎来提供整体的调度、运算等服务能力；
 *  **资源层**：由大量物理机或虚拟机为博云的企业级 K8S 集群提供为计算赋能。

**实现灵活的作业调度算法**

基于以下原则对作业进行排队，提升整个集群的资源利用率和作业吞吐量。

*  集群资源使用情况
 *  作业提交时间
 *  作业资源申请量
 *  作业优先级
 *  作业排他性
 *  作业防饿死

**实现 GPU 多维调度能力**

平台实现了 GPU 的统一管理、多维隔离、资源共享等调度能力。支持多个节点可以配置不同数量、不同类型的 GPU 卡，实现统一 GPU 卡管理；支持租户或namespace 级别的 GPU 资源隔离，支持按照 GPU 卡类型进行隔离；支持多个业务共享 GPU 卡，支持 GPU 显存隔离，提升 GPU 卡资源利用率。

**实现基于 MPI 类型作业**

一般一个运行的 MPI 作业，由 master/worker 两部分组成，master 负责启动 mpirun 命令，worker 负责执行真正的计算作业。

平台通过对多个 pod 模板定义设置，实现分别对应 master/worker 的定义。借助 gang scheduling，保证作业中的所有 pod 能够同时启动，已实现作业的管理。支持作业生命周期管理功能，当 mpirun 结束时，结束整个任务。

**实现基于 Spark 框架作业**

自 Spark 2.3版本开始，原生支持在 Kubernetes 中部署。

借助容器的优势，将运行时打包进镜像中，可以加快分发速度并提升可移植性。借助 Kubernetes 的优势，能够实现容器化应用的快速部署、弹性扩容、性能监控、日志收集等管理功能。

**实现队列和优先级抢占**

将整个集群的资源分配到不同的队列中，让不同的用户可以按需配置使用不同的队列。当某队列中资源空闲时，可以提供给另一个队列中的作业使用。

当同时运行的作业众多时，平台可以实现高优先级的作业可以抢占低优先级的作业资源，从而实现提前调度管理。同时，平台也能够避免低优先的任务“饿死”，长时间得不到运行。

**实现高性能的容器网络**

大数据、超算等场景下，需要在短时间启动数以千计的计算实例并运行，这就对容器网络性能提出了更高的要求。

博云自研的 BeyondFabric 网络方案，经历了5个版本的迭代，已经在众多客户生产环境中稳定运行。目前，BeyondFabric 网络方案已实现对计算业务中的启动时间、网络带宽、网络就绪时间等指标的高性能支撑。

同时，BeyondFabric 网络能够为 Windows 系统提供更优秀的容器网络性能。

**实现用户资源深度隔离**

在租户层面，平台提供多租户共享底层物理资源（计算、存储、网络），做到不同租户的应用、数据、虚拟网络的隔离，对于租户自有的应用，租户可以自由选择隔离或者打通。

在资源层面，Docker 在一台 Linux 上启动多个在独立沙箱内运作的应用，相互不影响。对不同容器的 CPU、内存、网络、存储、进程等进行隔离。

**实现资源弹性按需扩容**

弹性伸缩是容器云的一个重要特性，也是实施容器云的一个重要业务场景。借助容器云的弹性能力，实现业务高峰时的资源快速扩容，避免为应对业务高峰预留过多的资源。

**应用场景**

HPC 高性能计算作为传统分布式计算模式的代表，在工业仿真、视觉渲染、气象环境、石油勘探、科研课题等诸多领域依然有着广泛的应用。

随着云原生技术的爆发，Kubernetes 作为云原生应用编排、管理的工具， 被越来越多的应用所接受和选择。众多用户开始希望能将 HPC 应用迁移到容器中运行，通过 Kubernetes 强大的功能来进行作业管理。

**工业仿真**

某用户有大量基于 Windows 的 HPC 应用，在迁移到容器环境之前，经常遇到资源占用高，作业没有隔离，维护需要后台手动操作等情况。

伴随 HPC 应用迁移到容器云后，平台通过优化作业任务，实现缩短计算时长；平台提供健全资源隔离，降低了不同部门因提交作业所造成的数据安全风险，大大提升了运行效率。实现了单次作业提交创建实例数从原来的 **300+**，提升到现在 **1000+**，使用内存资源约 **15-20T** 的规模。

**视觉渲染**

用户当前渲染业务还是以单机服务为主，现有软件对批量计算作业调度不够灵活，对集群控制能力也比较差，作业配置、创建、释放还都是以手工操作为主。

通过对业务的容器化改造，实现资源高性能调度、秒级弹性伸缩、GPU 统一管理等能力，轻松应对大规模的渲染需求。

**方案优势**

博云智能算力引擎解决方案，基于容器技术实现了高性能计算场景的统一调度管理平台，方案为上层各类超算业务提供了大数据、人工智能及云原生作业编排等技术服务。该方案具有如下技术优势：

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**统一的资源管理**

*  支持 Linux/Windows 计算资源池
 *  支持 GPU 计算
 *  支持批次、节点组管理
 *  提升资源利用率

**灵活的调度机制**

*  支持 gang-scheduling 机制
 *  支持主流的调度算法
 *  支持作业防饿死、排他性等机制
 *  提升作业吞吐率

**高效的作业提交**

*  支持 HPC、大数据、人工智能等作业
 *  支持 MPI、TensorFlow 快捷提交
 *  通过 DAG 模式支持 ETL 等常规作业
 *  作业以容器运行，提升作业隔离性

**多样的排队策略**

*  多队列管理，支持资源抢占
 *  支持设置优先级
 *  支持队列可视化

**全面的数据可视**

*  对接 S3 等存储系统
 *  实时在线查看数据

**集中的日志告警**

*  在线查看作业日志
 *  在线查看作业监控数据
 *  在线配置告警规则

**完善的租户体系**

*  划分租户资源
 *  租户数据隔离
 *  操作权限审计

**兼容全信创生态**

*  支持 X86、海光、ARM 平台
 *  支持中标麒麟、统信等操作系统
 *  已获取主流认证证书

**总结**

通过容器化技术，博云智能算力引擎解决方案充分利用容器化技术，使大数据、人工智能、高性能计算等场景在容器化技术的应用下，进一步提升了资源使用效率和降低运维管理复杂性，使云原生技术价值得到进一步释放，支撑高性能等计算场景下的企业完成数字化转型。

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