vpa介绍

vpa全称Vertical Pod Autoscaler ，它是google论文Autopilot: Workload Autoscaling at Google Scale的开源实现。它根据pod里的container的历史监控数据来推荐container的request资源，即vpa扩容是直接修改pod里的resource的request、limit（可以在vpa资源里配置只修改request或limit和request都修改）。

功能益处：

1. 可以提高节点的资源利用率
2. 适合长时间运行的同质化的应用

限制：

1. 目前版本的kubernetes不支持原地升级（原地升级预计1.27版本支持），需要重启应用来应用来使用资源推荐值
2. 由于目前需要重启才能应用资源推荐值，不太适合有状态的服务（因为一般有状态的服务有先后启动顺序）
3. 不适合任务型应用（大部分时间资源使用很低，短暂时间很高）或job类型应用（短时间运行，由于缺少监控数据导致推荐值过大相关issue）
4. 不适合与hpa一起使用，可以让hpa使用custom metric或external metric，还可以借鉴Google cloud的解决方案multidimensional Pod autoscaling（memory使用vpa，cpu使用hpa）

crane介绍

Crane（ Cloud Resource Analytics and Economics ） 是腾讯开源的基于 Kubernetes 的降本增效项目。Crane 遵循 FinOps 标准，旨在为云原生用户提供云成本优化一站式解决方案。具备了资源推荐，弹性推荐，智能弹性和稳定性增强等核心能力。

crane功能众多，本文只研究crane的资源推荐功能

功能优点：

1. 一个推荐资源cr就能控制部分或全部命名空间的所有workload类型的资源推荐
2. 相对于vpa的推荐值会比较保守（比较大），意味着更保障应用性能
3. 监控数据源支持metrics-server和Prometheus

限制：

1. 没有自动应用推荐值的功能，需要自己定义如何变更应用这些推荐值，意味着需要自己开发应用推荐值功能
2. 没有推荐质量的监控指标

版本：vpa 0.13.0 crane v0.9.0

算法原理

crane和vpa都是基于历史监控数据的百分位值来计算推荐值，再对百分位的推荐值进行放大后得到最终推荐值。它们都利用histogram来计算百分位，所以先来看百分位计算方法。

1 利用histogram计算百分位算法

1.1 crane使用的histogram计算百分位算法

以24小时cpu监控数据，一分钟一个数据点，数值在0-100，计算95分位的数值为例子。

1. 每个桶大小为0.1，桶的下标从0开始，下标为0的桶-能容纳范围[0,0.1)，最小边界值为0。下标为1桶的容纳范围为[0.1,0.2)，最小边界值为0.1。
2. 将每个数据点，按照数值大小丢到对应的桶中，比如某一时刻的监控数据值为1.02，则它会丢到编号为10的桶里。
3. 当某个桶里增加了一数据点，则这个桶的重量增加这个数据点的值，所有桶的重量增加这个数据点的值。
4. 计算出W(95)=95%*所有桶的总重量
5. 从最小的桶到最大桶开始累加桶的重量，这个重量记为S，当S>=W(95)时候，这个时候桶的下标为N，那么下标为N+1桶的最小边界值就是95百分位值

1.2 vpa使用的histogram计算百分位算法

以24小时cpu监控数据，一分钟一个数据点，数值在0-1000.0，计算95分位的数值为例子。

1. 桶的下标为N，桶的大小是指数增加的bucketSize=0.01*(1.05^N)，下标为0的桶的大小为0.01，容纳范围为[0,0.01)，下标为1的桶的大小为0.01*1.05^1=0.0105，容纳范围[0.01-0.0205)
2. 将每个数据点，按照数值大小丢到对应的桶中，比如某一时刻的监控数据值为0.032，则它会丢到编号为3的桶里
3. 当某个桶里增加了一数据点，则这个桶的重量增加固定重量*衰减系数（固定重量值和衰减系数算法后面有讲解），所有桶的重量增加固定重量*衰减系数。
4. 计算出W(95)=95%*所有桶的总重量
5. 从最小的桶到最大桶开始累加桶的重量，这个重量记为S，当S>=W(95)时候，这个时候桶的下标为N，那么下标为N+1桶的最小边界值就是95百分位值

1.2.1 衰减系数和固定重量

半衰期halfLife：经过时间halfLife后，权重值降低到一半。默认的halfLife为24小时，比如现在的数据点的权重为1，那么24小时之前的监控数据点的权重为0.5，48小时前的数据点的权重为0.25，48小时后的数据权重为4。

数据点的时间timestamp：监控数据的时间戳

参考时间referenceTimestamp：监控数据上的某个时间（一般是监控时间最近的零点00:00）

核心理念：在参考时间点之前的数据点，离的越远权重越低。在参考时间点之后的数据点权重越高。

cpu资源的固定重量：0.1

memory资源的固定重量：1

衰减系数decayFactor：2^((timestamp-referenceTimestamp)/halfLife)

2 vpa推荐值计算过程：

2.1 vpa有4个推荐值：

vpa内部有4个Estimator推荐器和两个Processor后处理器：

percentileEstimator：利用直方桶百分位值来计算推荐值

marginEstimator：对之前的推荐值进行放大

minResourcesEstimator：应用命令行–pod-recommendation-min-cpu-millicores、–pod-recommendation-min-memory-mb的策略，推荐值不能小于这些值

confidenceMultiplier：对之前lowerBound和upperBound推荐值进行缩小和放大

IntegerCPUPostProcessor：进行cpu推荐值进行向上取整

CappingPostProcessor：应用vpa资源里container对应的最小值和最大值策略

target: percentileEstimator--> marginEstimator --> minResourcesEstimator --> IntegerCPUPostProcessor（默认不开启）--> CappingPostProcessor

lowerBound: percentileEstimator--> marginEstimator --> confidenceMultiplier--> minResourcesEstimator --> IntegerCPUPostProcessor（默认不开启） --> CappingPostProcessor

upperBound: percentileEstimator--> marginEstimator --> confidenceMultiplier--> minResourcesEstimator --> IntegerCPUPostProcessor（默认不开启） --> CappingPostProcessor

uncappedTarget: percentileEstimator--> marginEstimator --> confidenceMultiplier --> minResourcesEstimator --> IntegerCPUPostProcessor（默认不开启）

说明：

以target推荐值为例

1. 首先进行percentileEstimator推荐得到百分位推荐值。然后将百分位推荐值传给marginEstimator，进行推荐得到marginEstimator推荐值。
2. 再将marginEstimator推荐值传给minResourcesEstimator，进行推荐得到minResourcesEstimator推荐值。
3. 然后如果开启了整数cpu推荐器，将minResourcesEstimator推荐值传给IntegerCPUPostProcessor进行处理，处理之后的推荐结果传给CappingPostProcessor进行处理，处理完成之后就是最终的推荐结果。

2.2 推荐器：

2.2.1 percentileEstimator推荐算法

其中memory的index为0桶大小为10000000，index为N的桶的大小为10000000*1.05^N，数值范围在0-1e12，总的桶数量为176

如果container发生了oom，会将oom的内存数值进行放大，oom的内存数值=max(oom时候的内存*oomBumpUpRatio, oom时候的内存+oomMinBumpUp），默认oomBumpUpRatio为1.2，oomMinBumpUp为100m。oom时间不在聚合周期且oom的内存数值大于最近的oom值和最近内存使用值、或oom时间在聚合周期内，则向histogram添加这个oom数据点。

cpu的编号为0桶大小为0.01，编号为N的桶的大小为0.01*(1.05^N)，数值范围在0-1000，总的桶数量为176

推荐值=使用histogram计算百分位值–这个是最基本的推荐值

2.2.2 marginEstimator推荐算法

推荐值 =原先推荐值 *（1+safetyMarginFraction）

2.2.3 confidenceMultiplier推荐算法

相关参数

推荐值=原先推荐值*(1 + multiplier/confidence)^exponent

2.2.4 minResourcesEstimator推荐算法

参数

推荐值小于minResources，则推荐值设置为minResources

推荐值=max(minResources, 原先推荐值)

2.3 后处理器

2.3.1 IntegerCPUPostProcessor处理逻辑

只对target、lowerBound、upperBound、uncappedTarget的cpu的推荐值进行处理，对cpu推荐值进行向上取整，比如cpu推荐值为的1100m，则处理之后推荐值为2

2.3.2 CappingPostProcessor处理逻辑

对container的target、lowerBound、upperBound推荐值，应用container的PodResourcePolicy最小推荐值策略、应用最大值推荐值策略

2.4 vpa的推荐相关参数

3 crane资源推荐

crane有5个推荐步骤：

**percentileEstimator：**利用直方桶百分位值来计算推荐值

marginEstimator：对之前的推荐值进行放大

**targetUtilizationEstimator：**对之前的推荐值进行放大，让之前推荐值占放大后的推荐值targetUtilization百分比

**NormalizedResource：**对之前的推荐值转成最适合的套餐

**MemoryOOMProtection：**内存推荐值进行放大

3.1 crane的推荐处理过程

cpu: percentileEstimator --> marginEstimator --> targetUtilizationEstimator --> NormalizedResource

memory: percentileEstimator --> marginEstimator --> targetUtilizationEstimator  --> MemoryOOMProtection --> NormalizedResource

说明：

以cpu推荐值为例

1. 首先进行percentileEstimator推荐得到百分位推荐值。然后将百分位推荐值传给marginEstimator，进行推荐得到marginEstimator推荐值。
2. 再将marginEstimator推荐值传给targetUtilizationEstimator，进行推荐得到targetUtilizationEstimator推荐值。
3. 然后如果开启了specification，将targetUtilizationEstimator推荐值传给NormalizedResource，进行查找specification-config里最合适的套餐，返回最终推荐值

3.2 crane资源推荐相关参数

3.3 推荐器：

3.3.1 percentileEstimator推荐算法

其中memory桶大小104857600，数值范围为0-104857600000

cpu桶大小为0.1，数值范围0-100

推荐值=使用histogram计算百分位值–这个是最基本的推荐值

3.3.2 marginEstimator推荐算法

推荐值 =原先推荐值 *（1+marginFraction）

其中memory的marginFraction为mem-request-margin-fraction，cpu的marginFraction为cpu-request-margin-fraction

3.3.3 targetUtilizationEstimator推荐算法

推荐值=原先的推荐值/targetUtilization

其中memory的targetUtilization为mem-target-utilization，cpu的targetUtilization为cpu-target-utilization

3.3.4 NormalizedResource

当启用specification，从specification-config中匹配一个最小满足（大于等于）推荐值的配置套餐

3.3.5 MemoryOOMProtection

如果container有最近7小时内的oom事件，oom时候的内存值为oomMemory，没有oom事件则oomMemory为0

推荐值 =max( max(oomMemory+100M, oomMemory*oom-bump-ratio), 原先的推荐值)

没有提及的

1. vpa里histogram的referenceTimestamp相对时间的超过100个半衰期后移动，histogram数据进行scale。

相关链接

vpa不适合任务型应用原因

Automatically adjust pod resource levels with the vertical pod autoscaler

kubernetes vpa

Vertical Pod autoscaling

Guide to Kubernetes Autoscaling–Vertical Pod Autoscaler (VPA)

Vertical Pod Autoscaling: The Definitive Guide