运行支持kubernetes原生调度的spark程序-Spark on Kubernetes

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标签: kubernetes  spark  big-data 

TL;DR 关于 Spark on kubernetes 的详细信息和最新进展请见 jimmysong.io - spark-on-k8s

我们之前就在 kubernetes 中运行过 standalone 方式的 spark 集群,见 Spark standalone on kubernetes

目前运行支持 kubernetes 原生调度的 spark 程序项目由 Google 主导,fork 自 spark 的官方代码库,见 GitHub - spark-on-k8s ,属于Big Data SIG。

参与到该项目的公司有:

  • Bloomberg
  • Google
  • Haiwen
  • Hyperpilot
  • Intel
  • Palantir
  • Pepperdata
  • Red Hat

Spark 概念说明

Apache Spark 是一个围绕速度、易用性和复杂分析构建的大数据处理框架。最初在2009年由加州大学伯克利分校的AMPLab开发,并于2010年成为Apache的开源项目之一。

在 Spark 中包括如下组件或概念:

  • Application:Spark Application 的概念和 Hadoop 中的 MapReduce 类似,指的是用户编写的 Spark 应用程序,包含了一个 Driver 功能的代码和分布在集群中多个节点上运行的 Executor 代码;

  • Driver:Spark 中的 Driver 即运行上述 Application 的 main() 函数并且创建 SparkContext,其中创建 SparkContext 的目的是为了准备Spark应用程序的运行环境。在 Spark 中由 SparkContext 负责和 ClusterManager 通信,进行资源的申请、任务的分配和监控等;当 Executor 部分运行完毕后,Driver负责将SparkContext 关闭。通常用 SparkContext 代表 Driver;

  • Executor:Application运行在Worker 节点上的一个进程,该进程负责运行Task,并且负责将数据存在内存或者磁盘上,每个Application都有各自独立的一批Executor。在Spark on Yarn模式下,其进程名称为CoarseGrainedExecutorBackend,类似于 Hadoop MapReduce 中的 YarnChild。一个 CoarseGrainedExecutorBackend 进程有且仅有一个 executor 对象,它负责将 Task 包装成 taskRunner,并从线程池中抽取出一个空闲线程运行 Task。每个 CoarseGrainedExecutorBackend 能并行运行 Task 的数量就取决于分配给它的 CPU 的个数了;

  • Cluster Manager:指的是在集群上获取资源的外部服务,目前有:

    • Standalone:Spark原生的资源管理,由Master负责资源的分配;
    • Hadoop Yarn:由YARN中的ResourceManager负责资源的分配;
  • Worker:集群中任何可以运行Application代码的节点,类似于YARN中的NodeManager节点。在Standalone模式中指的就是通过Slave文件配置的Worker节点,在Spark on Yarn模式中指的就是NodeManager节点;

  • 作业(Job):包含多个Task组成的并行计算,往往由Spark Action催生,一个JOB包含多个RDD及作用于相应RDD上的各种Operation;

  • 阶段(Stage):每个Job会被拆分很多组 Task,每组任务被称为Stage,也可称TaskSet,一个作业分为多个阶段,每一个stage的分割点是action。比如一个job是:(transformation1 -> transformation1 -> action1 -> transformation3 -> action2),这个job就会被分为两个stage,分割点是action1和action2。

  • 任务(Task): 被送到某个Executor上的工作任务;

  • Context:启动spark application的时候创建,作为Spark 运行时环境。

  • Dynamic Allocation(动态资源分配):一个配置选项,可以将其打开。从Spark1.2之后,对于On Yarn模式,已经支持动态资源分配(Dynamic Resource Allocation),这样,就可以根据Application的负载(Task情况),动态的增加和减少executors,这种策略非常适合在YARN上使用spark-sql做数据开发和分析,以及将spark-sql作为长服务来使用的场景。Executor 的动态分配需要在 cluster mode 下启用 “external shuffle service”。

动态资源分配策略

开启动态分配策略后,application会在task因没有足够资源被挂起的时候去动态申请资源,这意味着该application现有的executor无法满足所有task并行运行。spark一轮一轮的申请资源,当有task挂起或等待

  spark.dynamicAllocation.schedulerBacklogTimeout

(默认1s)时间的时候,会开始动态资源分配;之后会每隔

  spark.dynamicAllocation.sustainedSchedulerBacklogTimeout

(默认1s)时间申请一次,直到申请到足够的资源。每次申请的资源量是指数增长的,即1,2,4,8等。之所以采用指数增长,出于两方面考虑:其一,开始申请的少是考虑到可能application会马上得到满足;其次要成倍增加,是为了防止application需要很多资源,而该方式可以在很少次数的申请之后得到满足。

架构设计

关于 spark standalone 的局限性与 kubernetes native spark 架构之间的区别请参考 Anirudh Ramanathan 在 2016年10月8日提交的 issue Support Spark natively in Kubernetes #34377

简而言之,spark standalone on kubernetes 有如下几个缺点:

  • 无法对于多租户做隔离,每个用户都想给 pod 申请 node 节点可用的最大的资源。
  • Spark 的 master/worker 本来不是设计成使用 kubernetes 的资源调度,这样会存在两层的资源调度问题,不利于与 kuberentes 集成。

而 kubernetes native spark 集群中,spark 可以调用 kubernetes API 获取集群资源和调度。要实现 kubernetes native spark 需要为 spark 提供一个集群外部的 manager 可以用来跟 kubernetes API 交互。

调度器后台

使用 kubernetes 原生调度的 spark 的基本设计思路是将 spark 的 driver 和 executor 都放在 kubernetes 的 pod 中运行,另外还有两个附加的组件:ResourceStagingServerKubernetesExternalShuffleService

Spark driver 其实可以运行在 kubernetes 集群内部(cluster mode)可以运行在外部(client mode),executor 只能运行在集群内部,当有 spark 作业提交到 kubernetes 集群上时,调度器后台将会为 executor pod 设置如下属性:

  • 使用我们预先编译好的包含 kubernetes 支持的 spark 镜像,然后调用 CoarseGrainedExecutorBackend main class 启动 JVM。
  • 调度器后台为 executor pod 的运行时注入环境变量,例如各种 JVM 参数,包括用户在 spark-submit 时指定的那些参数。
  • Executor 的 CPU、内存限制根据这些注入的环境变量保存到应用程序的 SparkConf 中。
  • 可以在配置中指定 spark 运行在指定的 namespace 中。

参考:Scheduler backend 文档

安装指南

我们可以直接使用官方已编译好的 docker 镜像来部署,下面是官方发布的镜像:

组件 镜像
Spark Driver Image kubespark/spark-driver:v2.1.0-kubernetes-0.3.1
Spark Executor Image kubespark/spark-executor:v2.1.0-kubernetes-0.3.1
Spark Initialization Image kubespark/spark-init:v2.1.0-kubernetes-0.3.1
Spark Staging Server Image kubespark/spark-resource-staging-server:v2.1.0-kubernetes-0.3.1
PySpark Driver Image kubespark/driver-py:v2.1.0-kubernetes-0.3.1
PySpark Executor Image kubespark/executor-py:v2.1.0-kubernetes-0.3.1

我将这些镜像放到了我的私有镜像仓库中了。

还需要安装支持 kubernetes 的 spark 客户端,在这里下载

根据使用的镜像版本,我下载的是 v2.1.0-kubernetes-0.3.1

运行 SparkPi 测试

./bin/spark-submit \
  --deploy-mode cluster \
  --class org.apache.spark.examples.SparkPi \
  --master k8s://https://172.20.0.113:6443 \
  --kubernetes-namespace spark-cluster \
  --conf spark.executor.instances=5 \
  --conf spark.app.name=spark-pi \
  --conf spark.kubernetes.driver.docker.image=sz-pg-oam-docker-hub-001.tendcloud.com/library/kubespark-spark-driver:v2.1.0-kubernetes-0.3.1 \
  --conf spark.kubernetes.executor.docker.image=sz-pg-oam-docker-hub-001.tendcloud.com/library/kubespark-spark-executor:v2.1.0-kubernetes-0.3.1 \
  --conf spark.kubernetes.initcontainer.docker.image=sz-pg-oam-docker-hub-001.tendcloud.com/library/kubespark-spark-init:v2.1.0-kubernetes-0.3.1 \
local:///opt/spark/examples/jars/spark-examples_2.11-2.1.0-k8s-0.3.1-SNAPSHOT.jar

关于该命令参数的介绍请参考:running on kubernetes

注意: 该 jar 包实际上是

spark.kubernetes.executor.docker.image

镜像中的。

这时候提交任务运行还是失败,报错信息中可以看到两个问题:

  • Executor 无法找到 driver pod
  • 用户 system:serviceaccount:spark-cluster:defaul 没有权限获取 spark-cluster 中的 pod 信息。

提了个 issue Failed to run the sample spark-pi test using spark-submit on the doc #478

需要为 spark 集群创建一个 serviceaccountclusterrolebinding

kubectl create serviceaccount spark --namespace spark-cluster
kubectl create rolebinding spark-edit --clusterrole=edit --serviceaccount=spark-cluster:spark --namespace=spark-cluster

该 Bug 将在新版本中修复。

开发文档

编译

Fork 并克隆项目到本地:

git clone https://github.com/rootsongjc/spark.git

编译前请确保你的环境中已经安装 Java8 和 Maven3。

## 第一次编译前需要安装依赖
build/mvn install -Pkubernetes -pl resource-managers/kubernetes/core -am -DskipTests

## 编译 spark on kubernetes
build/mvn compile -Pkubernetes -pl resource-managers/kubernetes/core -am -DskipTests

## 发布
dev/make-distribution.sh --tgz -Phadoop-2.7 -Pkubernetes

第一次编译和发布的过程耗时可能会比较长,请耐心等待,如果有依赖下载不下来,请自备梯子。

参阅 详细的开发指南

构建镜像

使用该脚本来自动构建容器镜像

将该脚本放在 dist 目录下,执行:

./build-push-docker-images.sh -r sz-pg-oam-docker-hub-001.tendcloud.com/library -t v2.1.0-kubernetes-0.3.1-1 build
./build-push-docker-images.sh -r sz-pg-oam-docker-hub-001.tendcloud.com/library -t v2.1.0-kubernetes-0.3.1-1 push

注意:如果你使用的 MacOS,bash 的版本可能太低,执行改脚本将出错,请检查你的 bash 版本:

bash --version
GNU bash, version 3.2.57(1)-release (x86_64-apple-darwin16)
Copyright (C) 2007 Free Software Foundation, Inc.

上面我在升级 bash 之前获取的版本信息,使用下面的命令升级 bash:

brew install bash

升级后的 bash 版本为 4.4.12(1)-release (x86_64-apple-darwin16.3.0)

编译并上传镜像到我的私有镜像仓库,将会构建出如下几个镜像:

sz-pg-oam-docker-hub-001.tendcloud.com/library/spark-driver:v2.1.0-kubernetes-0.3.1-1
sz-pg-oam-docker-hub-001.tendcloud.com/library/spark-resource-staging-server:v2.1.0-kubernetes-0.3.1-1
sz-pg-oam-docker-hub-001.tendcloud.com/library/spark-init:v2.1.0-kubernetes-0.3.1-1
sz-pg-oam-docker-hub-001.tendcloud.com/library/spark-shuffle:v2.1.0-kubernetes-0.3.1-1
sz-pg-oam-docker-hub-001.tendcloud.com/library/spark-executor:v2.1.0-kubernetes-0.3.1-1
sz-pg-oam-docker-hub-001.tendcloud.com/library/spark-executor-py:v2.1.0-kubernetes-0.3.1-1
sz-pg-oam-docker-hub-001.tendcloud.com/library/spark-driver-py:v2.1.0-kubernetes-0.3.1-1

运行测试

dist/bin 目录下执行 spark-pi 测试:

./spark-submit \
  --deploy-mode cluster \
  --class org.apache.spark.examples.SparkPi \
  --master k8s://https://172.20.0.113:6443 \
  --kubernetes-namespace spark-cluster \
  --conf spark.kubernetes.authenticate.driver.serviceAccountName=spark \
  --conf spark.executor.instances=5 \
  --conf spark.app.name=spark-pi \
  --conf spark.kubernetes.driver.docker.image=sz-pg-oam-docker-hub-001.tendcloud.com/library/spark-driver:v2.1.0-kubernetes-0.3.1-1 \
  --conf spark.kubernetes.executor.docker.image=sz-pg-oam-docker-hub-001.tendcloud.com/library/spark-executor:v2.1.0-kubernetes-0.3.1-1 \
  --conf spark.kubernetes.initcontainer.docker.image=sz-pg-oam-docker-hub-001.tendcloud.com/library/spark-init:v2.1.0-kubernetes-0.3.1-1 \
local:///opt/spark/examples/jars/spark-examples_2.11-2.2.0-k8s-0.4.0-SNAPSHOT.jar

详细的参数说明见 running on kubernetes

注意

local:///opt/spark/examples/jars/spark-examples_2.11-2.2.0-k8s-0.4.0-SNAPSHOT.jar

文件是在spark-driver和spark-executor镜像里的,在上一步构建镜像时已经构建并上传到了镜像仓库中。

执行日志显示:

2017-09-14 14:59:01 INFO  Client:54 - Waiting for application spark-pi to finish...
2017-09-14 14:59:01 INFO  LoggingPodStatusWatcherImpl:54 - State changed, new state:
	 pod name: spark-pi-1505372339796-driver
	 namespace: spark-cluster
	 labels: spark-app-selector -> spark-f4d3a5d3ad964a05a51feb6191d50357, spark-role -> driver
	 pod uid: 304cf440-991a-11e7-970c-f4e9d49f8ed0
	 creation time: 2017-09-14T06:59:01Z
	 service account name: spark
	 volumes: spark-token-zr8wv
	 node name: N/A
	 start time: N/A
	 container images: N/A
	 phase: Pending
	 status: []
2017-09-14 14:59:01 INFO  LoggingPodStatusWatcherImpl:54 - State changed, new state:
	 pod name: spark-pi-1505372339796-driver
	 namespace: spark-cluster
	 labels: spark-app-selector -> spark-f4d3a5d3ad964a05a51feb6191d50357, spark-role -> driver
	 pod uid: 304cf440-991a-11e7-970c-f4e9d49f8ed0
	 creation time: 2017-09-14T06:59:01Z
	 service account name: spark
	 volumes: spark-token-zr8wv
	 node name: 172.20.0.114
	 start time: N/A
	 container images: N/A
	 phase: Pending
	 status: []
2017-09-14 14:59:01 INFO  LoggingPodStatusWatcherImpl:54 - State changed, new state:
	 pod name: spark-pi-1505372339796-driver
	 namespace: spark-cluster
	 labels: spark-app-selector -> spark-f4d3a5d3ad964a05a51feb6191d50357, spark-role -> driver
	 pod uid: 304cf440-991a-11e7-970c-f4e9d49f8ed0
	 creation time: 2017-09-14T06:59:01Z
	 service account name: spark
	 volumes: spark-token-zr8wv
	 node name: 172.20.0.114
	 start time: 2017-09-14T06:59:01Z
	 container images: sz-pg-oam-docker-hub-001.tendcloud.com/library/spark-driver:v2.1.0-kubernetes-0.3.1-1
	 phase: Pending
	 status: [ContainerStatus(containerID=null, image=sz-pg-oam-docker-hub-001.tendcloud.com/library/spark-driver:v2.1.0-kubernetes-0.3.1-1, imageID=, lastState=ContainerState(running=null, terminated=null, waiting=null, additionalProperties={}), name=spark-kubernetes-driver, ready=false, restartCount=0, state=ContainerState(running=null, terminated=null, waiting=ContainerStateWaiting(message=null, reason=ContainerCreating, additionalProperties={}), additionalProperties={}), additionalProperties={})]
2017-09-14 14:59:03 INFO  LoggingPodStatusWatcherImpl:54 - State changed, new state:
	 pod name: spark-pi-1505372339796-driver
	 namespace: spark-cluster
	 labels: spark-app-selector -> spark-f4d3a5d3ad964a05a51feb6191d50357, spark-role -> driver
	 pod uid: 304cf440-991a-11e7-970c-f4e9d49f8ed0
	 creation time: 2017-09-14T06:59:01Z
	 service account name: spark
	 volumes: spark-token-zr8wv
	 node name: 172.20.0.114
	 start time: 2017-09-14T06:59:01Z
	 container images: sz-pg-oam-docker-hub-001.tendcloud.com/library/spark-driver:v2.1.0-kubernetes-0.3.1-1
	 phase: Running
	 status: [ContainerStatus(containerID=docker://5c5c821c482a1e35552adccb567020532b79244392374f25754f0050e6cd4c62, image=sz-pg-oam-docker-hub-001.tendcloud.com/library/spark-driver:v2.1.0-kubernetes-0.3.1-1, imageID=docker-pullable://sz-pg-oam-docker-hub-001.tendcloud.com/library/[email protected]:beb92a3e3f178e286d9e5baebdead88b5ba76d651f347ad2864bb6f8eda26f94, lastState=ContainerState(running=null, terminated=null, waiting=null, additionalProperties={}), name=spark-kubernetes-driver, ready=true, restartCount=0, state=ContainerState(running=ContainerStateRunning(startedAt=2017-09-14T06:59:02Z, additionalProperties={}), terminated=null, waiting=null, additionalProperties={}), additionalProperties={})]
2017-09-14 14:59:12 INFO  LoggingPodStatusWatcherImpl:54 - State changed, new state:
	 pod name: spark-pi-1505372339796-driver
	 namespace: spark-cluster
	 labels: spark-app-selector -> spark-f4d3a5d3ad964a05a51feb6191d50357, spark-role -> driver
	 pod uid: 304cf440-991a-11e7-970c-f4e9d49f8ed0
	 creation time: 2017-09-14T06:59:01Z
	 service account name: spark
	 volumes: spark-token-zr8wv
	 node name: 172.20.0.114
	 start time: 2017-09-14T06:59:01Z
	 container images: sz-pg-oam-docker-hub-001.tendcloud.com/library/spark-driver:v2.1.0-kubernetes-0.3.1-1
	 phase: Succeeded
	 status: [ContainerStatus(containerID=docker://5c5c821c482a1e35552adccb567020532b79244392374f25754f0050e6cd4c62, image=sz-pg-oam-docker-hub-001.tendcloud.com/library/spark-driver:v2.1.0-kubernetes-0.3.1-1, imageID=docker-pullable://sz-pg-oam-docker-hub-001.tendcloud.com/library/[email protected]:beb92a3e3f178e286d9e5baebdead88b5ba76d651f347ad2864bb6f8eda26f94, lastState=ContainerState(running=null, terminated=null, waiting=null, additionalProperties={}), name=spark-kubernetes-driver, ready=false, restartCount=0, state=ContainerState(running=null, terminated=ContainerStateTerminated(containerID=docker://5c5c821c482a1e35552adccb567020532b79244392374f25754f0050e6cd4c62, exitCode=0, finishedAt=2017-09-14T06:59:11Z, message=null, reason=Completed, signal=null, startedAt=null, additionalProperties={}), waiting=null, additionalProperties={}), additionalProperties={})]
2017-09-14 14:59:12 INFO  LoggingPodStatusWatcherImpl:54 - Container final statuses:


	 Container name: spark-kubernetes-driver
	 Container image: sz-pg-oam-docker-hub-001.tendcloud.com/library/spark-driver:v2.1.0-kubernetes-0.3.1-1
	 Container state: Terminated
	 Exit code: 0
2017-09-14 14:59:12 INFO  Client:54 - Application spark-pi finished.

从日志中可以看到任务运行的状态信息。

使用下面的命令可以看到 kubernetes 启动的 Pod 信息:

kubectl --namespace spark-cluster get pods -w

将会看到 spark-driverspark-exec 的 Pod 信息。

依赖管理

上文中我们在运行测试程序时,命令行中指定的 jar 文件已包含在 docker 镜像中,是不是说我们每次提交任务都需要重新创建一个镜像呢?非也!如果真是这样也太麻烦了。

创建 resource staging server

为了方便用户提交任务,不需要每次提交任务的时候都创建一个镜像,我们使用了 resource staging server

kubectl create -f conf/kubernetes-resource-staging-server.yaml

我们同样将其部署在 spark-cluster namespace 下,该 yaml 文件见 kubernetes-handbookmanifests/spark-with-kubernetes-native-scheduler 目录。

优化

其中有一点需要优化,在使用下面的命令提交任务时,使用

--conf spark.kubernetes.resourceStagingServer.uri

参数指定 resource staging server 地址,用户不应该关注 resource staging server 究竟运行在哪台宿主机上,可以使用下面两种方式实现:

  • 使用 nodeSelectorresource staging server 固定调度到某一台机器上,该地址依然使用宿主机的 IP 地址
  • 改变 spark-resource-staging-service service 的 type 为 ClusterIP, 然后使用 Ingress 将其暴露到集群外部,然后加入的内网 DNS 里,用户使用 DNS 名称指定 resource staging server 的地址。

然后可以执行下面的命令来提交本地的 jar 到 kubernetes 上运行。

./spark-submit \
  --deploy-mode cluster \
  --class org.apache.spark.examples.SparkPi \
  --master k8s://https://172.20.0.113:6443 \
  --kubernetes-namespace spark-cluster \
  --conf spark.kubernetes.authenticate.driver.serviceAccountName=spark \
  --conf spark.executor.instances=5 \
  --conf spark.app.name=spark-pi \
  --conf spark.kubernetes.driver.docker.image=sz-pg-oam-docker-hub-001.tendcloud.com/library/spark-driver:v2.1.0-kubernetes-0.3.1-1 \
  --conf spark.kubernetes.executor.docker.image=sz-pg-oam-docker-hub-001.tendcloud.com/library/spark-executor:v2.1.0-kubernetes-0.3.1-1 \
  --conf spark.kubernetes.initcontainer.docker.image=sz-pg-oam-docker-hub-001.tendcloud.com/library/spark-init:v2.1.0-kubernetes-0.3.1-1 \
  --conf spark.kubernetes.resourceStagingServer.uri=http://172.20.0.114:31000 \
  ../examples/jars/spark-examples_2.11-2.2.0-k8s-0.4.0-SNAPSHOT.jar

该命令将提交本地的 ../examples/jars/spark-examples_2.11-2.2.0-k8s-0.4.0-SNAPSHOT.jar 文件到 resource staging server,executor 将从该 server 上获取 jar 包并运行,这样用户就不需要每次提交任务都编译一个镜像了。

详见 Dependency

设置 HDFS 用户

如果 Hadoop 集群没有设置 kerbros 安全认证的话,在指定 spark-submit 的时候可以通过指定如下四个环境变量, 设置 Spark 与 HDFS 通信使用的用户:

  --conf spark.kubernetes.driverEnv.SPARK_USER=hadoop 
  --conf spark.kubernetes.driverEnv.HADOOP_USER_NAME=hadoop 
  --conf spark.executorEnv.HADOOP_USER_NAME=hadoop 
  --conf spark.executorEnv.SPARK_USER=hadoop 

使用 hadoop 用户提交本地 jar 包的命令示例:

./spark-submit \
  --deploy-mode cluster \
  --class com.talkingdata.alluxio.hadooptest \
  --master k8s://https://172.20.0.113:6443 \
  --kubernetes-namespace spark-cluster \
  --conf spark.kubernetes.driverEnv.SPARK_USER=hadoop \
  --conf spark.kubernetes.driverEnv.HADOOP_USER_NAME=hadoop \
  --conf spark.executorEnv.HADOOP_USER_NAME=hadoop \
  --conf spark.executorEnv.SPARK_USER=hadoop \
  --conf spark.kubernetes.authenticate.driver.serviceAccountName=spark \
  --conf spark.executor.instances=5 \
  --conf spark.app.name=spark-pi \
  --conf spark.kubernetes.driver.docker.image=sz-pg-oam-docker-hub-001.tendcloud.com/library/spark-driver:v2.1.0-kubernetes-0.3.1-1 \
  --conf spark.kubernetes.executor.docker.image=sz-pg-oam-docker-hub-001.tendcloud.com/library/spark-executor:v2.1.0-kubernetes-0.3.1-1 \
  --conf spark.kubernetes.initcontainer.docker.image=sz-pg-oam-docker-hub-001.tendcloud.com/library/spark-init:v2.1.0-kubernetes-0.3.1-1 \
  --conf spark.kubernetes.resourceStagingServer.uri=http://172.20.0.114:31000 \
~/Downloads/tendcloud_2.10-1.0.jar

详见:https://github.com/apache-spark-on-k8s/spark/issues/408

参考

「真诚赞赏,手留余香」

Jimmy Song

真诚赞赏,手留余香

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