一文读懂HPA弹性扩展以及实践攻略
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❤️ 摘要： Horizontal Pod Autoscaler（HPA）是 Kubernetes 提供的强大功能，能够根据应用的负载情况动态调整 Pod 数量，实现弹性扩展。本文将通过生动有趣的比喻，深入解析 HPA 的工作原理，并分享具体的配置和实践经验，让你轻松驾驭 Kubernetes 中的弹性扩展。
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1 概念：
1.1 什么是弹性扩展
假设你是一家餐厅的老板，通常情况下每天只有几桌顾客，安排两三个服务员足够了。但突然某天，有几个旅行团的客户同时光顾你的餐厅，服务员忙得团团转，而且顾客们也排起了长队。为了应对突如其来的客流高峰，你只能临时增派几个服务员，当客流高峰过后，你再遣散这批临时工。
在 Kubernetes 里，Pod 就像服务员，用户请求是顾客。当负载增加时，需要更多的 Pod 处理请求，这就是 弹性扩展。弹性扩展让系统根据实际需求自动增加或减少资源，确保高效运行。
在Kubernetes 中的 Horizontal Pod Autoscaler（HPA），就是“弹性扩展”的核心组件。HPA 是一个智能的“店长”，它能根据系统的实时负载情况（比如 CPU 使用率或自定义指标），自动调整 Pod 的数量。这样既能在业务高峰时提供足够的计算资源，又能在闲时减少资源浪费。
1.2 HPA 的工作原理
上图说明了HPA 的运作机制与其他资源或组件的关联。
HPA作为系统负载监控员，职责就是时刻关注着系统的负载。它会根据预设的规则自动进行扩展和收缩。例如，当 CPU 使用率飙升到80%时，HPA 就会触发 Pod 的扩展过程；而当负载减轻到30%时，它又会减少 Pod 数量。
- Metric Server: HorizontalPodAutoscaler 默认会从资源聚合 API（
metrics.k8s.io、custom.metrics.k8s.io或external.metrics.k8s.io）获取指标。 而这类的API 通常是由Metrics Server 组件提供，所以HPA策略配置前提是要安装Metric Server组件。 - 资源请求与限制： 因为HPA 需要根据 Pod定义 的 资源请求（requests）和限制（limits） 来进行判断，所以在Deployment、StatefulSet创建时必须设置请求（requests，资源请求决定了 Pod 在创建时会获取的最小资源）和限制（limits，而资源限制决定了它可以使用的最大资源）。如果资源配置不合理，HPA 的扩展行为可能不准确。
- 监控负载： HPA 定期监控 Pods 的 CPU 或其他资源使用情况，确保实时了解集群的健康状况。而监测间隔可以根据需求调整
kube-controller-manager组件的--horizontal-pod-autoscaler-sync-period参数（默认间隔为 15 秒） - 自动扩展： 当负载增加超过设定的阈值（如 CPU 使用率超过 80%），HPA 会请求 Kubernetes 动态增加更多的 Pods 来处理请求。
- 自动缩减： 当负载减少低于设定的阈值（如 CPU 使用率低于30%），HPA 也会减少 Pods 数量，节省资源。
1.3 通过监控指标来调整副本数
1.3.1 计算公式说明
HPA 的核心是通过 当前指标值（currentMetricValue）和 期望指标值（desiredMetricValue）之间的比例，来决定是否需要增加或减少 Pod 的副本数。其公式为：
desiredReplicas = ceil[currentReplicas * (currentMetricValue / desiredMetricValue)]
❔字段解释：
desiredReplicas：HPA 计算出的期望副本数。currentReplicas：当前 Pod 副本数。currentMetricValue：所有Pod实际的当前指标值（如 CPU 使用率、内存等）。desiredMetricValue：用户设置的所有Pod期望指标值（如目标的 CPU 使用率）。
举例：
- 如果当前指标值为
200m，期望值为100m，HPA 认为当前负载过高，于是将副本数翻倍（200/100 = 2.0）。 - 如果当前指标值为
30m，期望值为100m，HPA 认为负载过低，因此将副本数减半（30/100 = 0.3）。 - 如果比例接近 1（即负载接近期望值），HPA 不会执行缩放操作。默认的容忍范围是 0.1（或 10%）。
1.3.2 平均值计算
当设置了 targetAverageValue 或 targetAverageUtilization 时，HPA 会通过所有 Pod 的平均值来计算 currentMetricValue，然后决定是否进行缩放操作。
1.3.3 未就绪 Pod 和丢失的指标处理
❓ 思考：如果Pod状态异常或者无法抓取负载指标，那HPA如何处理？
HPA 在计算时，会这样处理以下特殊情况：
- 缺失的指标：如果某些 Pod 缺少指标（比如由于启动时间较短或其他原因），这些 Pod 会被暂时忽略。Pod 的指标丢失时，HPA 在缩容时假设这些 Pod 使用了 100% 的期望值，而在扩容时假设它们使用了 0% 的期望值。这样处理可以避免过度缩放。
- 未就绪的 Pod：如果某些 Pod 尚未准备就绪（如仍在启动或不健康），它们的指标也会被忽略。这些 Pod 可能还没有准备好提供正确的指标，因此在扩容时假设它们的指标为 0%。
此外，HPA 在确定 Pod 是否准备就绪时，可能会因为技术限制无法立即准确判断一个 Pod 的“就绪状态”。因此，HPA 使用两个时间窗口来处理：
- 初始就绪延迟：
--horizontal-pod-autoscaler-initial-readiness-delay，默认是 30 秒。 - CPU 初始化时间：
--horizontal-pod-autoscaler-cpu-initialization-period，默认是 5 分钟。
1.3.4 多指标支持
如果 HPA 同时监控多个指标（如 CPU 和内存），它会分别计算每个指标对应的 desiredReplicas，然后选择其中最大的负载指标作为扩容依据，对副本进行扩容。这样确保不会因为单个指标低而错过扩容的需求。
1.3.5 缩减副本的平滑策略
为了防止缩容过于频繁造成的不稳定，HPA 使用了一个配置项 --horizontal-pod-autoscaler-downscale-stabilization（默认 5 分钟），在这个时间窗口内，HPA 会选择最近一段时间内最高的缩容建议，从而平滑缩容操作，避免因指标波动频繁触发缩放。
1.4 HPA的优缺点
HPA 为应用管理提供了灵活性和自动化，但也有一些局限性，以下是整理HPA优缺点对比：
| 序号 | 优点 | 缺点 |
|---|---|---|
| 1 | 自动扩缩容：HPA 能够自动调整 Pod 副本数量，减少手动操作的需求。根据系统负载自动扩展和缩减 Pod，确保资源的有效利用。 | 延迟性：HPA 的扩缩容行为通常基于资源使用率等指标，这些指标有时不能立即反映负载的变化。特别是在使用基于 CPU 的指标时，系统的实际负载增长可能已经超出预期，而 HPA 才开始扩容。 |
| 2 | 节省成本：在负载减少时，HPA 会缩减 Pod 副本数量，释放不必要占用的资源，从而降低云资源的成本。 | 无法处理跨地域扩展：HPA 仅针对单个 Kubernetes 集群中的 Pod 进行扩缩容，而无法对多区域的集群进行扩展和协调。在需要跨地域部署时，HPA 的作用有限。 |
| 3 | 实时调整：HPA 能够根据实时监控的指标（如 CPU 使用率、内存利用率或自定义的业务指标）做出即时反应，及时调整 Pod 的数量，避免因负载激增导致系统性能下降。 | 依赖监控系统：HPA 需要依赖指标采集工具（如 Metrics Server 或 Prometheus）来获取资源使用情况或自定义指标。如果监控系统不稳定或数据不准确，HPA 的扩缩容决策可能会受到影响。 |
| 4 | 支持多种指标：HPA 支持基于多种指标进行扩缩容，包括 CPU、内存、外部指标（如请求数、队列长度）或自定义指标（如来自 Prometheus 的 HTTP 请求数）。 | 对高峰流量的应对能力有限：HPA 对突发的大规模流量高峰（如“黑色星期五”或大型促销活动）可能反应不够迅速，因为它依赖于指标反馈和自动扩容的过程，这可能无法及时应对流量激增。 |
| 5 | 稳定化策略：HPA 提供了自定义的 稳定化窗口 和 扩缩容策略，允许用户控制扩容和缩容的速率，避免频繁的副本数量波动（即“flapping”问题）。 |
2 实践攻略：部署和配置 HPA
通过理解 HPA 的原理，我们接下来看看如何实际配置 HPA。在这部分中，我们将分步骤介绍如何设置 HPA，确保它能根据负载动态调整 Pod 数量。
2.1 安装metric-server
如果你的Kubernetes环境没有安装Metric Server，可以参考以下流程完成安装。
下载metric-server.yaml文件
wget -o metric-server.yaml https://github.com/kubernetes-sigs/metrics-server/releases/latest/download/components.yaml
根据实际环境，修改配置：
metrics-server的Deployment参数
containers:
- args:
- --cert-dir=/tmp
- --kubelet-preferred-address-types=InternalIP,ExternalIP,Hostname
- --kubelet-use-node-status-port
- --metric-resolution=15s
- --kubelet-insecure-tls
- --requestheader-client-ca-file=/etc/kubernetes/pki/front-proxy-ca.pem
- --requestheader-username-headers=X-Remote-User
- --requestheader-group-headers=X-Remote-Group
- --requestheader-extra-headers-prefix=X-Remote-Extra-
❔ 参数说明：
- –kubelet-preferred-address-types=InternalIP,ExternalIP,Hostname： 指定 Metrics Server 首选的 kubelet 地址类型顺序，以便与集群节点进行通信。
- –kubelet-use-node-status-port： 使用 Kubernetes 节点状态中定义的端口与 Kubelet 通信，而不是默认的端口
10250。 - –metric-resolution=15s： 指定 Metrics Server 的数据采集频率，在这里设置为每 15 秒 收集一次数据。
- –kubelet-insecure-tls： 允许 Metrics Server 跳过对 Kubelet 证书的验证。
- –requestheader-client-ca-file=/path/to/ca.pem： 指定一个 CA 证书，用于验证客户端请求头中代理认证的客户端证书。
- –requestheader-username-headers=X-Remote-User： 指定 HTTP 请求头中，用来传递用户名信息的请求头名称。
- –requestheader-group-headers=X-Remote-Group： 指定用于传递用户组信息的 HTTP 请求头名称。
- –requestheader-extra-headers-prefix=X-Remote-Extra-： 指定 HTTP 请求头的前缀，用来传递额外的认证信息。
修改metrics-server的volume参数，把证书挂载到pod
---
volumeMounts:
- mountPath: /tmp
name: tmp-dir
- name: ca-ssl
mountPath: /etc/kubernetes/pki
---
volumes:
- emptyDir: {}
name: tmp-dir
- name: ca-ssl
hostPath:
path: /etc/kubernetes/pki
替换镜像地址，可以根据自己的仓库地址修改：
sed -i 's#registry.k8s.io/metrics-server/metrics-server:v0.7.1#harbor.zx/hcie/metrics-server:v0.7.1#' metric-server.yaml
完整的配置如下，可以参考：
apiVersion: v1
kind: ServiceAccount
metadata:
labels:
k8s-app: metrics-server
name: metrics-server
namespace: kube-system
---
apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1
kind: ClusterRole
metadata:
labels:
k8s-app: metrics-server
rbac.authorization.k8s.io/aggregate-to-admin: "true"
rbac.authorization.k8s.io/aggregate-to-edit: "true"
rbac.authorization.k8s.io/aggregate-to-view: "true"
name: system:aggregated-metrics-reader
rules:
- apiGroups:
- metrics.k8s.io
resources:
- pods
- nodes
verbs:
- get
- list
- watch
---
apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1
kind: ClusterRole
metadata:
labels:
k8s-app: metrics-server
name: system:metrics-server
rules:
- apiGroups:
- ""
resources:
- nodes/metrics
verbs:
- get
- apiGroups:
- ""
resources:
- pods
- nodes
verbs:
- get
- list
- watch
---
apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1
kind: RoleBinding
metadata:
labels:
k8s-app: metrics-server
name: metrics-server-auth-reader
namespace: kube-system
roleRef:
apiGroup: rbac.authorization.k8s.io
kind: Role
name: extension-apiserver-authentication-reader
subjects:
- kind: ServiceAccount
name: metrics-server
namespace: kube-system
---
apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1
kind: ClusterRoleBinding
metadata:
labels:
k8s-app: metrics-server
name: metrics-server:system:auth-delegator
roleRef:
apiGroup: rbac.authorization.k8s.io
kind: ClusterRole
name: system:auth-delegator
subjects:
- kind: ServiceAccount
name: metrics-server
namespace: kube-system
---
apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1
kind: ClusterRoleBinding
metadata:
labels:
k8s-app: metrics-server
name: system:metrics-server
roleRef:
apiGroup: rbac.authorization.k8s.io
kind: ClusterRole
name: system:metrics-server
subjects:
- kind: ServiceAccount
name: metrics-server
namespace: kube-system
---
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
labels:
k8s-app: metrics-server
name: metrics-server
namespace: kube-system
spec:
ports:
- name: https
port: 443
protocol: TCP
targetPort: https
selector:
k8s-app: metrics-server
---
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
labels:
k8s-app: metrics-server
name: metrics-server
namespace: kube-system
spec:
selector:
matchLabels:
k8s-app: metrics-server
strategy:
rollingUpdate:
maxUnavailable: 0
template:
metadata:
labels:
k8s-app: metrics-server
spec:
containers:
- args:
- --cert-dir=/tmp
- --secure-port=10250
- --kubelet-preferred-address-types=InternalIP,ExternalIP,Hostname
- --kubelet-use-node-status-port
- --metric-resolution=15s
- --kubelet-insecure-tls
- --requestheader-client-ca-file=/steven/certs/kubernetes/front-proxy-ca.pem
- --requestheader-username-headers=X-Remote-User
- --requestheader-group-headers=X-Remote-Group
- --requestheader-extra-headers-prefix=X-Remote-Extra-
image: harbor.zx/hcie/metrics-server:v0.7.1
imagePullPolicy: IfNotPresent
livenessProbe:
failureThreshold: 3
httpGet:
path: /livez
port: https
scheme: HTTPS
periodSeconds: 10
name: metrics-server
ports:
- containerPort: 10250
name: https
protocol: TCP
readinessProbe:
failureThreshold: 3
httpGet:
path: /readyz
port: https
scheme: HTTPS
initialDelaySeconds: 20
periodSeconds: 10
resources:
requests:
cpu: 100m
memory: 200Mi
securityContext:
allowPrivilegeEscalation: false
capabilities:
drop:
- ALL
readOnlyRootFilesystem: true
runAsNonRoot: true
runAsUser: 1000
seccompProfile:
type: RuntimeDefault
volumeMounts:
- mountPath: /tmp
name: tmp-dir
- name: ca-ssl
mountPath: /steven/certs/kubernetes/
nodeSelector:
kubernetes.io/os: linux
k8s.role: master
priorityClassName: system-cluster-critical
serviceAccountName: metrics-server
volumes:
- emptyDir: {}
name: tmp-dir
- name: ca-ssl
hostPath:
path: /steven/certs/kubernetes
---
apiVersion: apiregistration.k8s.io/v1
kind: APIService
metadata:
labels:
k8s-app: metrics-server
name: v1beta1.metrics.k8s.io
spec:
group: metrics.k8s.io
groupPriorityMinimum: 100
insecureSkipTLSVerify: true
service:
name: metrics-server
namespace: kube-system
version: v1beta1
versionPriority: 100
部署metric-server
kubectl apply -f metric-server.yaml
检查集群负载状态
kubectl top node
输出如下：
NAME CPU(cores) CPU% MEMORY(bytes) MEMORY%
k8s-master1 176m 8% 1495Mi 52%
k8s-master2 187m 9% 1518Mi 53%
k8s-master3 192m 9% 1453Mi 51%
k8s-worker1 590m 29% 1552Mi 40%
k8s-worker2 565m 28% 1563Mi 40%
查看集群pod的负载状态
kubectl top pod
输出如下：
NAME CPU(cores) MEMORY(bytes)
fluentd-26ksx 384m 108Mi
fluentd-8wnhj 414m 112Mi
fluentd-ddxbp 396m 115Mi
fluentd-hmqds 470m 106Mi
fluentd-xhl7b 377m 98Mi
redis-0 3m 12Mi
redis-1 2m 10Mi
redis-2 2m 10Mi
❔ 说明： metric-server可以获取Kubernetes的负载数据。
❓ 思考：我希望metric-server运行在master节点，如何操作？
以下使用节点标签匹配，在master节点新增label，执行以下命名：
kubectl label nodes k8s-master1 k8s.role=master
kubectl label nodes k8s-master2 k8s.role=master
kubectl label nodes k8s-master3 k8s.role=master
修改deployment文件，根据节点新增的便签调度pod：
vim metric-server-components.yaml
...
# 指定pod跑到带标签的节点
nodeSelector:
kubernetes.io/os: linux
k8s.role: master
重新部署metric-server
# 执行部署
kubectl apply -f metric-server.yaml
检查pod所在节点
[root@k8s-master1 ~]# kubectl get pods -n kube-system -owide -l k8s-app=metrics-server
NAME READY STATUS RESTARTS AGE IP NODE NOMINATE D NODE READINESS GATES
metrics-server-5ffdc9fc8d-pxgb9 1/1 Running 1 (7m39s ago) 27m 172.16.224.5 k8s-master2 <none>
2.2 1. 部署一个应用
在配置 HPA 之前，我们需要先部署一个测试php-apache的工作负载，然后进行负载测试，观察HPA的工作原理。
编写测试负载yaml：
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
name: php-apache
spec:
replicas: 1
selector:
matchLabels:
run: php-apache
template:
metadata:
labels:
run: php-apache
spec:
containers:
- name: php-apache
image: harbor.zx/hcie/hpa-example
ports:
- containerPort: 80
resources:
limits:
cpu: 300m
requests:
cpu: 100m
---
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
name: php-apache
labels:
run: php-apache
spec:
ports:
- port: 80
selector:
run: php-apache
❔ 说明：该php-apache 部署文件会启动 1 个 Pod，每个 Pod 的 CPU 请求资源为 100m，CPU 限制为 300m。
部署php-apache ，执行以下命令：
kubectl apply -f hpa-test.yaml
输出如下，证明成功：
deployment.apps/php-apache created
service/php-apache created
2.3 2. 创建 HPA
部署应用后，接下来我们配置 HPA。假设你想基于 CPU 使用率来扩展 Pod，可以使用以下命令创建一个 HPA：
kubectl autoscale deployment php-apache --cpu-percent=50 --min=1 --max=10
❔参数说明：
--cpu-percent=50表示：当 Pod 的 CPU 使用率超过 50% 时，HPA 会开始扩展 Pod 数量。--min=1和--max=10指定了最小和最大 Pod 数量，即 HPA 会确保 Pod 数量不低于 1 个，也不会超过 10 个。
执行成功输出：
horizontalpodautoscaler.autoscaling/php-apache autoscaled
2.4 验证 HPA 工作情况
2.4.1 查看HPA当前状态
部署完后，你可以通过运行以下命令来检查新建的 HorizontalPodAutoscaler 的当前状态：
# kubectl get horizontalpodautoscalers.autoscaling
kubectl get hpa
输出如下：
NAME REFERENCE TARGETS MINPODS MAXPODS REPLICAS AGE
php-apache Deployment/php-apache 1%/50% 1 10 1 72s
❔ 说明：请注意，当前 CPU 负载为 1%，因为没有客户端向服务器发送请求（
TARGET列显示相应部署控制的所有 Pod 的平均值）。
2.4.2 验证HPA扩缩
接下来测试 HPA 的扩展能力，我们将启动一个busybox 来充当客户端。客户端 Pod 中的容器以无限循环运行，向 php-apache 服务发送查询。
先执行下面命令持续观察php-apache状态：
kubectl get hpa php-apache --watch
执行下面命令进行测试：
kubectl run -i --tty load-generator --rm --image=harbor.zx/hcie/busybox:1.29-2 --restart=Never -- /bin/sh -c "while sleep 0.01; do wget -q -O- http://php-apache.default.svc.cluster.local; done"
再观察HPA的状态
NAME REFERENCE TARGETS MINPODS MAXPODS REPLICAS AGE
php-apache Deployment/php-apache 1%/50% 1 10 1 35m
php-apache Deployment/php-apache 204%/50% 1 10 1 35m
php-apache Deployment/php-apache 277%/50% 1 10 4 36m
php-apache Deployment/php-apache 258%/50% 1 10 6 36m
php-apache Deployment/php-apache 239%/50% 1 10 6 36m
php-apache Deployment/php-apache 141%/50% 1 10 6 36m
php-apache Deployment/php-apache 124%/50% 1 10 6 37m
看到CPU负载最高达到258%， 套用公式验证6=ceil[1*(258%/50%)], 然后可以看到Deployment的副本数确实扩展到6。
然后关闭load-generator, 过几分钟再观察负载：
NAME REFERENCE TARGETS MINPODS MAXPODS REPLICAS AGE
php-apache Deployment/php-apache 1%/50% 1 10 1 42m
❔ 说明： 看到php-apache的cpu负载和副本数都下降到原来一样了。通过这种方式模拟大量请求，你可以观察到 HPA 会根据 CPU 使用率自动扩展和缩减 Pod 的数量。
3 总结
通过 Horizontal Pod Autoscaler（HPA），Kubernetes 可以提供强大的弹性扩展功能。除了了解其工作原理之外，还需根据实际应用场景进行配置优化，确保资源利用最大化。希望通过本文的讲解和实践操作，你能更好地掌握 Kubernetes 的 HPA，并在实际工作中发挥其最大价值。
那么，你的系统准备好随时迎接流量高峰了吗？ 同时预告下文《一文读懂HPA弹性扩展自定义指标和缩放策略》，感谢关注点赞！
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