云原生调度常见场景及推介配置
背景
深度学习大致将涉及数据获取和处理、模型训练和演进、模型部署、模型评测四个阶段[1]。一个企业开始涉猎深度学习之初，因团队缺乏深度学习的相关经验和资源，通常，团队人员选择手工逐步完成上述步骤，以期快速满足项目发展期的即时需求。然而，不管深度学习专家具有多么专业的领域内知识，没有基础设施平台的支撑，项目规模的扩大都变得异常困难。相较于作业的本地运行，生产环境的大规模运行，对产品的快速复制和迭代升级要求更高。生产环境对数据的可靠性，模型训练的可复现，训练模型的扩展性，自动化部署以及运维的可靠性有更高的要求。从而，当企业发展到一定的规模，企业将希望构建稳定的科学计算平台，从而让上层业务人员能够专注于算法优化和业务的发展。
通常，深度学习平台的搭建，将遇到诸多挑战，主要体现在以下方面：
- 数据管理自动化
- 资源的有效利用
- 屏蔽底层技术的复杂性
数据管理
在深度学习的业务场景中，从业人员会花费大量的时间获取和转换建立模型需要的数据。随着业务场景的扩张，数据转换的自动化成为模型构建的效率的瓶颈。数据处理过程中还将产生新的数据，这些数据不单单应用于本次训练，黑可能用于后续推理过程。并且新 生成的数据不需要传给数据源，而是希望放置在新的存储空间。这需要基础平台提供可扩展的存储系统。灵活、可扩展且安全的数据存储系统将极大的促进数据管理能力的提升。
资源的有效利用
深度学习相关的应用是资源密集型，资源使用波动大，存在峰值和谷值。在应用开始运行的时候，快速获取计算资源；在应用结束后，回收不适用的计算资源对于资源利用率的提升相当重要。数据处理、模型训练和推理所使用的计算资源类型和资源占用时间有所不同，这就需要计算平台提供弹性的资源供应机制。深度学习任务需要占用大量的计算资源，不可能为每个用户单独构建计算资源，计算平台应该能保证资源使用的多租性，允许多个用户同时使用计算资源池，而不是被少数用户独占。
屏蔽底层技术复杂性
AI的从业人员专注于模型构建和产品研发，忽略基础设施架构对于AI的发展非常重要。机器学习/深度学习自身用户不断发展的技术栈，其中包括TensorFlow等机器学习的计算框架，Spark数据处理引擎和CUDA等底层驱动程序。手动管理这些依赖将消耗从业人员大量的资源和精力。
基于上述目标和挑战，深度学习和其他AI计算选择使用容器和kubernetes来构建和管理深度学习平台。需要实现用户隔离、排队机制、用户权限管理、资源管理、容器上限管理等诸多功能。
常见场景
- 优先级的问题：公司内部算法工程师有众多角色，例如实习生、全职员工、资深工程师，他们做的事情相同，都需要GPU资源去做实验或者训练，但是资源紧张的时候需要按照优先级排队。即便是职位相同，也存在紧急作业（如论文截稿、项目上线）的抢占。任务的优先级别需要工程师申请报备。
- 数据的存储问题：深度学习场景数据集非常大，针对这一需求需要在存储层面进行优化设计。计算的时候，如果是一个人训练一个模型，那么其实简单的存储就 OK 了，但如果有一百个人而且每个人训练的模型、用的数据集都不一样，还需要跑多机任务，这个时候什么样的存储才能帮你解决这个问题？这是摆在我们眼前比较现实的一个问题。针对用户不断扩展的计算需求，存储怎么做适配，这是架构师关注的问题。
- 并行计算：基于k8s的深度学习平台一个通用的需求是支持多机调度，通过多机并行训练让模型训练越快越好。
- 用户隔离问题：对于较大的公司，业务部门众多，需要多用户管理，多租户隔离。
- 深度学习场景下对pod的批量调度需求。
- 资源抢占：对稀缺资源（GPU）占用数量的上限以及使用时间上限。
- 资源预留：屏蔽底层申请资源细节，只关心可用的GPU总量，不关心GPU分布情况。
- 定制化问题：深度学习平台定制化的需求：kubeflow集成了很多组件，但缺点是囊括太多东西，学习成本高，有些场景可能只需要训练不需要Serving，一些公司自己的管理组建和kubeflow对接定制化的组合，会是一个很麻烦的点。每家公司都有不一样的地方，都会根据自己的业务结合基础架构做定制化的东西。其实上面说的1-8条需求都是一种定制化的需求。这个模块也是为了帮助开发者来定制化使用volcano。
推介配置(这里是以kubernetes+volcano的背景)
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优先级问题:定制优先级层次。关注job自身的
priorityClassName，该字段表示作业的优先级，在抢占调度和优先级排序中生效。 -
数据存储:在数据库等性能极致的业务中，推介块存储服务。在HPC、大数据、ai的业务场景，推介使用对象存储服务。
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高性能计算、模型训练并行性:WRF、kubegene、MPI高性能计算场景、多机并行训练。
1.job plugin:
ssh提供免密登陆，svc提供作业运行所需要的网络信息如host文件、headless service等，来提供计算集群参数的自动化配置。2.
policies字段：一旦有pod被杀死，那么重启整个作业RestartJob/CompeletedJob。因为这种HPC场景、基于Gang的训练作业，如果一个worker运行失败，通常来说整个作业运行下去是没什么意义的。3.这种场景一般会定义多个task，1 master + 多个worker。
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多租户、隔离问题:TensorFlow中没有租户的概念。volcano引入的新的资源分割工具
Queue，这在配置中就各种围绕Queue来进行配置。保证集群资源使用的多租性，集群资源有剩余，保证租户使用集群资源的弹性。当集群资源重新划分，通过reclaim 可以保障租户资源配额可用。在volcano-scheduler-configmap的action中配置配置preempt、reclaim,plugins中配置Proportion。 -
批量调度:
Gang plugin满足深度学习场景对pod批量调度的需求。spec字段下minAvailable，Gang调度算法的主要指标。plugins字段需要使用env、svc。policies字段推介RestartJob/CompeletedJob，一个pod驱逐就重启作业。
参考资料:
