基于Kubernetes的Spark集群部署实践

qns_fengyusong

　　Spark是新一代分布式内存计算框架，Apache开源的顶级项目。相比于Hadoop Map-Reduce计算框架，Spark将中间计算结果保留在内存中，速度提升10~100倍；同时它还提供更丰富的算子，采用弹性分布式数据集(RDD)实现迭代计算，更好地适用于数据挖掘、机器学习算法，极大提升开发效率。
　　Docker是轻量级虚拟化容器技术，具有轻便性、隔离性、一致性等特点，可以极大简化开发者的部署运维流程，降低服务器成本。
　　Kubernetes是Google开源的容器集群管理系统，提供应用部署、维护、 扩展等功能，能够方便地管理大规模跨主机的容器应用。
　　相比于在物理机上部署，在Kubernetes集群上部署Spark集群，具有以下优势：

• 　　快速部署：安装1000台级别的Spark集群，在Kubernetes集群上只需设定worker副本数目replicas=1000，即可一键部署。
  
• 　　快速升级：升级Spark版本，只需替换Spark镜像，一键升级。
  
• 　　弹性伸缩：需要扩容、缩容时，自动修改worker副本数目replicas即可。
  
• 　　高一致性：各个Kubernetes节点上运行的Spark环境一致、版本一致
  
• 　　高可用性：如果Spark所在的某些node或pod死掉，Kubernetes会自动将计算任务，转移到其他node或创建新pod。
  
• 　　强隔离性：通过设定资源配额等方式，可与WebService应用部署在同一集群，提升机器资源使用效率，从而降低服务器成本。
  

　　接下来我们将介绍，如何使用 Docker和Kubernetes创建Spark集群（其中包含1个Spark-master和N个Spark-worker）。
　　参考文档：https://github.com/kubernetes/kubernetes/tree/master/examples/spark
　　首先需要准备以下工具：
　　● 安装并运行 kubernetes 集群
　　● 安装 kubectl 命令行工具
　　一、构建Docker镜像
　　1. 从源码build：
　　下载：https://github.com/kubernetes/application-images/blob/master/spark
docker build -t index.caicloud.io/spark:1.5.2 .　　
docker build -t index.caicloud.io/zeppelin:0.5.6 zeppelin/
　　连接国外网络较慢，构建镜像的时间有些长，请耐心等待……
　　2. 从镜像仓库pull：
　　a)  才云科技的镜像仓库（index.caicloud.io）
docker login index.caicloud.io　　
docker pull index.caicloud.io/spark:1.5.2
　　
docker pull index.caicloud.io/zeppelin:0.5.6
　　b) DockerHub的镜像仓库（index.docker.io）
docker login index.docker.io　　
docker pull index.docker.io/caicloud/spark:1.5.2
　　
docker pull index.docker.io/caicloud/zeppelin:0.5.6
　　二、在Kubernetes上创建Spark集群
　　首先下载创建Kubernetes应用所需的Yaml文件: https://github.com/caicloud/public/tree/master/spark
　　第一步：创建命名空间namespace
　　Kubernetes通过命名空间，将底层的物理资源划分成若干个逻辑的“分区”，而后续所有的应用、容器都是被部署在一个具体的命名空间里。每个命名空间可以设置独立的资源配额，保证不同命名空间中的应用不会相互抢占资源。此外，命名空间对命名域实现了隔离，因此两个不同命名空间里的应用可以起同样的名字。创建命名空间需要编写一个yaml文件：
# namespace/namespace-spark-cluster.yaml　　
apiVersion: v1
　　
kind: Namespace
　　
metadata:
　　
  name: "spark-cluster"
　　
  labels:
　　
    name: "spark-cluster"
创建Namespace:　　
$ kubectl create -f namespace/namespace-spark-cluster.yaml
　　

　　
查看Namespace:
　　
$ kubectl get ns
　　
NAME          LABELS             STATUS
　　
default                    Active
　　
spark-cluster name=spark-cluster Active
　　

　　
使用Namespace: (${CLUSTER_NAME}和${USER_NAME}可在kubeconfig文件中查看)
　　
$ kubectl config set-context spark --namespace=spark-cluster --cluster=${CLUSTER_NAME} --user=${USER_NAME}
　　
$ kubectl config use-context spark
　　第二步：启动master服务
　　先创建Spark-master的ReplicationController，然后创建spark所提供的两个Service(spark-master-service，spark-webui)。让Spark-workers使用spark-master-service来连接Spark-master，并且通过spark-webui来查看集群和任务运行状态。
　　1) 创建ReplicationController：
　　Kubernetes追求高可用设计，通过Replication Controller来保证每个应用时时刻刻会有指定数量的副本在运行。例如我们通过编写一个Replication Controller来运行一个nginx应用，就可以在yaml中指定5个默认副本。Kubernetes会自动运行5个nginx副本，并在后期时时对每一个副本进行健康检查（可以支持自定义的检查策略）。当发现有副本不健康时，Kubernetes会通过自动重启、迁移等方法，保证nginx会时刻有5个健康的副本在运行。对于spark-master，目前我们指定其副本数为1 (replicas: 1)；对于spark-worker，我们指定其副本数为N (replicas: N，N >= 1)。
　　spark-master-controller.yaml可参考如下：
# replication-controller/spark-master-controller.yaml　　
kind: ReplicationController
　　
apiVersion: v1
　　
metadata:
　　
  name: spark-master-controller
　　
spec:
　　
  replicas: 1
　　
  selector:
　　
    component: spark-master
　　
  template:
　　
    metadata:
　　
      labels:
　　
        component: spark-master
　　
    spec:
　　
      containers:
　　
        - name: spark-master
　　
          image: index.caicloud.io/spark:1.5.2
　　
          command: ["/start-master"]
　　
          ports:
　　
            - containerPort: 7077
　　
            - containerPort: 8080
　　
          resources:
　　
            requests:
　　
              cpu: 100m
创建Master-ReplicationController：　　
$ kubectl create -f replication-controller/spark-master-controller.yaml
　　
replicationcontroller "spark-master-controller" created
　　2) 创建Master-Service：
　　Kubernetes追求以服务为中心，并推荐为系统中的应用创建对应的Service。以nginx应用为例，当通过Replication Controller创建了多个nginx的实例（容器）后，这些不同的实例可能运行在不同的节点上，并且随着故障和自动修复，其IP可能会动态变化。为了保证其他应用可以稳定地访问到nginx服务，我们可以通过编写yaml文件为nginx创建一个Service，并指定该Service的名称（如nginx-service）；此时，Kubernetes会自动在其内部一个DNS系统中（基于SkyDNS 和etcd实现）为其添加一个A Record, 名字就是 “nginx-service”。随后，其他的应用可以通过 nginx-service来自动寻址到nginx的一个实例（用户可以配置负载均衡策略）。
　　spark-master-service.yaml可参考如下：
# service/spark-master-service.yaml　　
kind: Service
　　
apiVersion: v1
　　
metadata:
　　
  name: spark-master
　　
spec:
　　
  ports:
　　
    - port: 7077
　　
      targetPort: 7077
　　
  selector:
　　
    component: spark-master
创建Master-Service:　　
$ kubectl create -f service/spark-master-service.yaml
　　
service "spark-master"created
　　3) 创建WebUI-Service：
　　如上所述，Service会被映射到后端的实际容器应用上，而这个映射是通过Kubernetes的标签以及Service的标签选择器实现的。例如我们可以通过如下的spark-web-ui.yaml来创建一个WebUI的Service, 而这个Service会通过 “selector: component: spark-master”来把WebUI的实际业务映射到master节点上:
# service/spark-webui.yaml　　
kind: Service
　　
apiVersion: v1
　　
metadata:
　　
  name: spark-webui
　　
  namespace: spark-cluster
　　
spec:
　　
  ports:
　　
    - port: 8080
　　
      targetPort: 8080
　　
  selector:
　　
    component: spark-master
创建spark-webui-service：　　
$ kubectl create -f service/spark-webui.yaml
　　
service "spark-webui" created
　　完成创建ReplicationController(rc)、Service(svc)后，检查 Master 是否能运行和访问：
$ kubectl get rc　　
NAME                      DESIRED   CURRENT   AGE
　　
spark-master-controller   1         1         23h
　　

　　
$ kubectl get svc
　　
NAME           CLUSTER-IP      EXTERNAL-IP   PORT(S)    AGE
　　
spark-master   10.254.106.29           7077/TCP   1d
　　
spark-webui    10.254.66.138           8080/TCP   18h
　　

　　
$ kubectl get pods
　　
NAME                            READY     STATUS    RESTARTS   AGE
　　
spark-master-controller-b3gbf   1/1       Running   0          23h
　　确认master正常运行后，再使用Kubernetes proxy连接Spark WebUI：
kubectl proxy --port=8001　　然后通过http://localhost:8001/api/v1/proxy/namespaces/spark-cluster/services/spark-webui/查看spark的任务运行状态。
　　第三步：启动 Spark workers
　　Spark workers 启动时需要 Master service处于运行状态，我们可以通过修改replicas来设定worker数目（比如设定 replicas: 4，即可建立4个Spark Worker）。注意我们可以为每一个worker节点设置了CPU和内存的配额，保证Spark的worker应用不会过度抢占集群中其他应用的资源。
　　spark-worker-controller.yaml可参考如下：
# replication-controller/spark-worker-controller.yaml　　
kind: ReplicationController
　　
apiVersion: v1
　　
metadata:
　　
  name: spark-worker-controller
　　
spec:
　　
  replicas: 4
　　
  selector:
　　
    component: spark-worker
　　
  template:
　　
    metadata:
　　
      labels:
　　
        component: spark-worker
　　
    spec:
　　
      containers:
　　
        - name: spark-worker
　　
          image: index.caicloud.io/spark:1.5.2
　　
          command: ["/start-worker"]
　　
          ports:
　　
            - containerPort: 8081
　　
          resources:
　　
            requests:
　　
              cpu: 100m
　　创建spark-worker的ReplicationController：
$ kubectl create -f replication-controller/spark-worker-controller.yaml　　
replicationcontroller"spark-worker-controller" created
　　查看 workers是否正常运行
　　1.     通过WebUI查看： worker就绪后应该出现在UI中。（这可能需要一些时间来拉取镜像并启动pods）

　　2.   通过kubectl查询状态（可看到spark-worker都已经正常运行）：
$ kubectl get pods　　
NAME                            READY     STATUS              RESTARTS   AGE
　　
spark-master-controller-b3gbf   1/1       Running             0          1d
　　
spark-worker-controller-ill4z   1/1       Running             1          2h
　　
spark-worker-controller-j29sc   1/1       Running             0          2h
　　
spark-worker-controller-siue2   1/1       Running             0          2h
　　
spark-worker-controller-zd5kb   1/1       Running             0          2h
　　第四步：提交Spark任务
　　两种方式：Spark-client或Zeppelin。
　　通过Spark-client，可以利用spark-submit来提交复杂的Python脚本、Java/Scala的jar包代码；
　　通过Zeppelin，可以直接在命令行或UI编写简单的spark代码。
　　1.     通过Spark-client提交任务
$ kubectl get pods | grep workerNAME                            READY     STATUS    RESTARTS   AGE　　
spark-worker-controller-1h0l7   1/1       Running   0          4h
　　
spark-worker-controller-d43wa   1/1       Running   0          4h
　　
spark-worker-controller-ka78h   1/1       Running   0          4h
　　
spark-worker-controller-sucl7   1/1       Running   0          4h
$ kubectl exec spark-worker-controller-1h0l7 -it bash　　
$ cd /opt/spark
# 提交python spark任务　　
./bin/spark-submit \
　　
    --executor-memory 4G \
　　
    --master spark://spark-master:7077 \
　　
    examples/src/main/python/wordcount.py \
　　
    "hdfs://hadoop-namenode:9000/caicloud/spark/data"
# 提交scala spark任务　　
./bin/spark-submit
　　
    --executor-memory 4G
　　
    --master spark://spark-master:7077
　　
    --class io.caicloud.LinearRegression
　　
    /nfs/caicloud/spark-mllib-1.0-SNAPSHOT.jar
　　
    "hdfs://hadoop-namenode:9000/caicloud/spark/data"
　　2.   通过Zeppelin提交任务
　　使用Zeppelin提交时有两种方式：pod exec 和 zeppelin-UI。我们先创建zeppelin的ReplicationController：
$ kubectl create -f replication-controller/zeppelin-controller.yaml　　
replicationcontroller "zeppelin-controller"created
查看zeppelin：　　
$ kubectl get pods -l component=zeppelin
　　
NAME                        READY     STATUS    RESTARTS   AGE
　　
zeppelin-controller-5g25x   1/1       Running   0          5h
　　a) 通过zeppelin exec pods方式提交
　　$ kubectl exec zeppelin-controller-5g25x -it pyspark

　　b) 通过zeppelin UI方式提交
　　使用已创建的Zeppelin pod，设置WebUI的映射端口：
$ kubectl port-forward zeppelin-controller-5g25x 8080:8080　　访问 http://localhost:8080/，并提交测试代码：

　　使用Spark的问题
　　●  Spark的master与worker无法通信
　　解决办法：查看Spark Master Service是否正常
　　●  Spark资源与调度问题
　　a) worker数量不要超过kubernetes集群的节点数量（如果超过，spark性能会下降）
　　b) executor-memory不要超过机单台器最大内存，executor-cores不要超过单台机器的CPU核数
　　c) 如果遇到insufficient resources问题，检查是否有其他任务在运行并kill
　　d) 同一个kubernetes节点上，可能会分配多个worker，导致性能下降（这时最好重新创建worker）
　　e) 内存、磁盘IO、网络IO、CPU都可能成为Spark的性能瓶颈
　　●  任务运行时的问题
　　SocketTimeoutException: Accept timeout —— spark版本为1.5.2时，试试将jdk版本由1.8降低至1.7
　　使用Zeppelin的问题
　　●  Zeppelin pod很大，拉取镜像可能会消耗一段时间，取决于你的网络条件
　　● 第一次运行Zeppelin时， pipeline可能会花费很多时间（约一分钟），需要比较多的时间来初始化。
　　● kubectl port-forward可能不会长时间保持稳定状态。如果发现Zeppelin变成断开(disconnected)，port-forward很可能出现故障，这时需要重启
　　● 从ZeppelinUI提交任务，运行时间不稳定（波动较大）
　　为了测试Spark性能，我们需要使用大量数据，但kubernetes节点所在的机器磁盘空间有限（20G）。通过为每台机器挂载NFS/GlusterFS大网盘，解决大数据存储的问题。
　　接下来我们将介绍，如何使用Spark从NFS中读取数据，以及其中遇到的问题。
　　1. 首先为每个kubernetes节点安装nfs-client，挂载nfs网盘（假设NFS-server为10.57.*.33，数据存于/data1T5目录下）
$ sudo apt-get install nfs-common　　
$ sudo mkdir -p /data1T5
　　
$ sudo mount -t nfs 10.57.*.33:/data1T5 /data1T5
　　2. 声明PersistentVolumes(pv)和PersistentVolumeClaims(pvc)，使得Kubernetes能连接NFS数据网盘：
$ kubectl create -f nfs/nfs_pv.yaml　　
$ kubectl create -f nfs/nfs_pvc.yaml
# nfs/nfs_pv.yaml　　
apiVersion: v1
　　
kind: PersistentVolume
　　
metadata:
　　
    name: spark-cluster
　　
spec:
　　
    capacity:
　　
        storage: 1535Gi
　　
    accessModes:
　　
        - ReadWriteMany
　　
    nfs:
　　
        server: 10.57.*.33
　　
        path: "/data1T5"
# nfs/nfs_pvc.yaml　　
apiVersion: v1
　　
kind: PersistentVolumeClaim
　　
metadata:
　　
  name: spark-cluster
　　
spec:
　　
  accessModes:
　　
    - ReadWriteMany
　　
  resources:
　　
    requests:
　　
      storage: 1535Gi
　　3. 为Spark的ReplicationController增加volumeMounts和volumes两项，并重新create，使得Spark容器能访问NFS数据。
　　修改spark-master-controller.yaml和spark-worker-controller.yaml，存为nfs/spark-master-controller.nfs.yaml 和 nfs/spark-worker-controller.nfs.yaml
$ kubectl delete rc spark-master-controller　　
$ kubectl create -f nfs/spark-master-controller.nfs.yaml
　　
$ kubectl delete rc spark-worker-controller
　　
$ kubectl create -f nfs/spark-worker-controller.nfs.yaml
　　4. 使用exec方式进入master/worker所在的pod，可以看到nfs挂载的/data1T5目录：
$ kubectl exec spark-worker-controller-1h0l7 -it bash　　
root@spark-worker-controller-1h0l7:/# ls -al /data1T5/
　　成功挂载后，即可在Spark程序中，使用sc.textFile()读取NFS数据。
　　注意事项：
　　a) 如果希望使用spark从nfs中读取数据，必须事先在kubernetes集群的所有节点上安装nfs-client
　　b) 使用spark从多台nfs-client读取一台nfs-server数据时，遇到IO瓶颈，读取速率只有30MB~40MB/s