Elastic Training Operator该怎么用

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今天就跟大家聊聊有关 Elastic Training Operator 该怎么用，可能很多人都不太了解，为了让大家更加了解，丸趣 TV 小编给大家总结了以下内容，希望大家根据这篇文章可以有所收获。

背景

由于云计算在资源成本和弹性扩容方面的天然优势，越来越多客户愿意在云上构建 AI 系统，而以容器、Kubernetes 为代表的云原生技术，已经成为释放云价值的最短路径，在云上基于 Kubernetes 构建 AI 平台已经成为趋势。

当面临较复杂的模型训练或者数据量大时，单机的计算能力往往无法满足算力要求。通过使用阿里的 AiACC 或者社区的 horovod 等分布式训练框架，仅需修改几行代码，就能将一个单机的训练任务扩展为支持分布式的训练任务。在 Kubernetes 上常见的是 kubeflow 社区的 tf-operator 支持 Tensorflow PS 模式，或者 mpi-operator 支持 horovod 的 mpi allreduce 模式。

现状

Kubernetes 和云计算提供敏捷性和伸缩性，我们可以通过 cluster-AutoScaler 等组件为训练任务设置弹性策略，利用 Kubernetes 的弹性能力，按需创建，减少 GPU 设备空转。

但这种伸缩模式面对训练这种离线任务还是略有不足：

不支持容错，当部分 Worker 由于设备原因失败，整个任务需要停止重来。

训练任务一般时间较长，占用算力大，任务缺少弹性能力。当资源不足时，除非任务终止，无法按需为其他业务腾出资源。

训练任务时间较长，不支持 worker 动态配置，无法安全地使用抢占实例，发挥云上最大性价比

如何给训练任务赋予弹性能力，是提高性价比的关键路径。近期 horovod 等分布式框架逐渐支持了 Elastic Training，即弹性训练能力。也就是允许一个训练任务在执行的过程中动态的扩容或者缩容训练 worker，从不会引起训练任务的中断。需要在代码中做少量修改适配，可参考：https://horovod.readthedocs.io/en/stable/elastic_include.html。

对 Elastic training 的实现原理感兴趣可以看这篇 Elastic Horovod 设计文档，本文不详细介绍。

在 mpi-operator 中，参与训练的 Worker 都是作为静态资源设计和维护，支持弹性训练模式后，给任务增加了灵活性，同时也给运维层带来了挑战，例如：

必须通过 horovod 提供的 horovordrun 作为入口，horovod 中 launcher 通过 ssh 登陆 worker，需要打通 launcher 和 worker 之间的登陆隧道。

负责计算弹性的 Elastic Driver 模块通过指定 discover_host 脚本获取最新 worker 拓扑信息，从而拉起或停止 worker 实例。当 worker 变化时，首先要更新 discover_host 脚本的返回值。

在抢占或价格计算等场景中，有时需要指定 worker 缩容，K8s 原生的编排元语 deployment，statefulset 无法满足指定缩容的场景。

解决方法

针对以上问题，我们设计开发了 et-operator，提供 TrainingJob CRD 描述训练任务, ScaleOut 和 ScaleIn CRD 描述扩容和缩容操作，通过它们的组合，使我们的训练任务更具有弹性。将这个方案开源，欢迎大家提需求、交流、吐槽。

开源方案地址：https://github.com/AliyunContainerService/et-operator

设计

TrainingJob Controller 主要有以下功能：

维护 TrainingJob 的创建 / 删除生命周期，以及子资源管理。

执行扩缩容操作。

容错，当 worker 被驱逐，创建新的 worker 加入到训练中。

1. 资源创建

TrainingJob 子资源创建顺序如下：

创建打通 ssh 所需的密钥对，创建 secret。

创建 workers，包含 service 和 pod，挂载 secret 公钥。

创建 configmap，包含 discover_host 脚本 , hostfile 文件。

创建 launcher，挂载 configmap。由于 hostfile 后续会随着拓扑关系修改，所以 hostfile 单独通过 initcontainer 从 configmap 拷贝到单独目录。

TrainingJob 相关资源：

TrainingJob CR 的配置分为 Lanucher 和 Worker。在 Launcher 中指定任务的镜像和启动执行，默认 et-operator 会根据 worker 分配情况，生成一个 hostfile 文件和 discover_host 脚本，discover_host 脚本挂载到 Launcher 的 /etc/edl/discover_hosts.sh 文件，在入口脚本的 horovodrun 执行中通过 –host-discovery-script 参数指定。在 Worker 设置中指定 worker 的镜像和 GPU 占用，并可以通过 maxReplicas / minReplicas 指定 workers 的副本数允许范围。

apiVersion: kai.alibabacloud.com/v1alpha1
kind: TrainingJob
metadata:
 name: elastic-training
 namespace: default
spec:
 cleanPodPolicy: Running
 etReplicaSpecs:
 launcher:
 replicas: 1
 template:
 spec:
 containers:
 - command:
 - sh
 - -c
 - horovodrun -np 2 --min-np 1 --max-np 9 --host-discovery-script
 /etc/edl/discover_hosts.sh python /examples/elastic/tensorflow2_mnist_elastic.py
 image: registry.cn-huhehaote.aliyuncs.com/lumo/horovod:master-tf2.1.0-torch2.4.0-mxnet-py3.6-gpu
 imagePullPolicy: Always
 name: mnist-elastic
 worker:
 maxReplicas: 9
 minReplicas: 1
 replicas: 2
 template:
 spec:
 containers:
 - image: registry.cn-huhehaote.aliyuncs.com/lumo/horovod:master-tf2.1.0-torch2.4.0-mxnet-py3.6-gpu
 imagePullPolicy: Always
 name: mnist-elastic
 resources:
 limits:
 nvidia.com/gpu:  1 
 requests:
 nvidia.com/gpu:  1 
status:
 currentWorkers:
 - elastic-training-worker-0
 - elastic-training-worker-1
 - elastic-training-worker-2
 - elastic-training-worker-3
 phase: Succeeded
 replicaStatuses:
 Launcher:
 active: 1
 succeeded: 1
 Worker:
 active: 4

2. Worker 扩容 / 缩容

除了 TrainingJob 外，et-operator 同时支持 ScaleOut 和 ScaleIn 两种 CRD，下发训练任务扩容和缩容操作。

当下发一个 ScaleOut CR，ScaleOutController 触发 Reconcile，这里工作很简单，根据 ScaleOut CR 中的 Selector 字段，找到 Scaler 对应的 TrainingJob，设置到 CR 的 OwnerReferences 上。

以一个 ScaleOut 操作举例：

- apiVersion: kai.alibabacloud.com/v1alpha1
 kind: ScaleOut
 metadata:
 creationTimestamp:  2020-11-04T13:54:26Z
 name: scaleout-ptfnk
 namespace: default
 ownerReferences:
 - apiVersion: kai.alibabacloud.com/v1alpha1
 blockOwnerDeletion: true
 controller: true
 kind: TrainingJob
 name: elastic-training //  指向扩容对象 TrainingJob
 uid: 075b9c4a-22f9-40ce-83c7-656b329a2b9e
 spec:
 selector:
 name: elastic-training
 toAdd:
 count: 2

TrainingJobController 中监听到属于 TrainingJob 的 ScaleOut CR 有更新，触发 TrainingJob 的 Reconcile，遍历过滤 TrainingJob 下 OwnerReference 指向的 ScaleIn 和 ScaleOut，根据创建时间和状态时间决定执行的扩容或者缩容。

apiVersion: kai.alibabacloud.com/v1alpha1
kind: TrainingJob
metadata:
 name: elastic-training
 namespace: default
spec: 
 // ...... Launcher and Worker spec
status:
 currentScaler: ScaleIn:default/scaleout-ptfnk
 phase: Scaling
 currentWorkers:
 - elastic-training-worker-0
 - elastic-training-worker-1

ScaleOut 任务 CR：

ScaleIn 任务 CR：

详细工作过程：

运行

1. 安装 ET-Operator

mkdir -p $(go env GOPATH)/src/github.com/aliyunContainerService
cd $(go env GOPATH)/src/github.com/aliyunContainerService
git clone https://http://github.com/aliyunContainerService/et-operator
cd et-operator
kubectl create -f deploy/all_in_one.yaml

检测 crd 的安装：

# kubectl get crd
NAME CREATED AT
scaleins.kai.alibabacloud.com 2020-11-11T11:16:13Z
scaleouts.kai.alibabacloud.com 2020-11-11T11:16:13Z
trainingjobs.kai.alibabacloud.com 2020-11-11T11:16:13Z

检测 controller 的运行状态，默认安装在 kube-ai 中：

# kubectl -n kube-ai get po
NAME READY STATUS RESTARTS AGE
et-operator-controller-manager-7877968489-c5kv4 0/2 ContainerCreating 0 5s

2. 运行 TrainingJob

运行事先已准备好的示例：

kubectl apply -f examples/training_job.yaml

检测运行状态：

# kubectl get trainingjob
NAME PHASE AGE
elastic-training Running 77s
# kubectl get po
NAME READY STATUS RESTARTS AGE
elastic-training-launcher 1/1 Running 0 7s
elastic-training-worker-0 1/1 Running 0 10s
elastic-training-worker-1 1/1 Running 0 9s

3. 缩容训练任务 Worker

执行缩容时，可以通过 ScaleIn CR 中的 spec.toDelete.count 或 spec.toDelete.podNames 字段指定缩容的 worker。

通过 count 配置缩容的数量，则通过 index 计算由高到低缩容 Worker。

apiVersion: kai.alibabacloud.com/v1alpha1
kind: ScaleIn
metadata:
 name: scalein-workers
spec:
 selector:
 name: elastic-training
 toDelete:
 count: 1

如果想要缩容特定的 Worker，可以配置 podNames：

apiVersion: kai.alibabacloud.com/v1alpha1
kind: ScaleIn
metadata:
 name: scalein-workers
spec:
 selector:
 name: elastic-training
 toDelete:
 podNames:
 - elastic-training-worker-1

运行一个缩容示例，指定数量缩容 1 个 worker：

kubectl create -f examples/scale_in_count.yaml

检测缩容执行状态和训练任务：

# kubectl get scalein
NAME PHASE AGE
scalein-sample-t8jxd ScaleSucceeded 11s
# kubectl get po
NAME READY STATUS RESTARTS AGE
elastic-training-launcher 1/1 Running 0 47s
elastic-training-worker-0 1/1 Running 0 50s

4. 扩容训练任务

在 ScaleOut CR 中，通过 spec.toAdd.count 字段指定扩容的 worker 数：

apiVersion: kai.alibabacloud.com/v1alpha1
 kind: ScaleOut
 metadata:
 name: elastic-training-scaleout-9dtmw
 namespace: default
 spec:
 selector:
 name: elastic-training
 timeout: 300
 toAdd:
 count: 2

运行示例：

kubectl create -f examples/scale_out.yaml

检测缩容执行状态和训练任务：

kubectl get scaleout
NAME PHASE AGE
elastic-training-scaleout-9dtmw ScaleSucceeded 30s
kubectl get po
NAME READY STATUS RESTARTS AGE
elastic-training-launcher 1/1 Running 0 2m5s
elastic-training-worker-0 1/1 Running 0 2m8s
elastic-training-worker-1 1/1 Running 0 40s
elastic-training-worker-2 1/1 Running 0 40s

看完上述内容，你们对 Elastic Training Operator 该怎么用有进一步的了解吗？如果还想了解更多知识或者相关内容，请关注丸趣 TV 行业资讯频道，感谢大家的支持。