在Kubernetes中运行Spark集群

• 注意，Spark 2.3已经正式发布，原生支持Kubernetes，这里的内容已经过时。
  • 参考 

概述

Spark是新一代分布式内存计算框架，Apache开源的顶级项目。相比于Hadoop Map-Reduce计算框架，Spark将中间计算结果保留在内存中，速度提升10~100倍；同时它还提供更丰富的算子，采用弹性分布式数据集(RDD)实现迭代计算，更好地适用于数据挖掘、机器学习算法，极大提升开发效率。

Docker是轻量级虚拟化容器技术，具有轻便性、隔离性、一致性等特点，可以极大简化开发者的部署运维流程，降低服务器成本。

Kubernetes是Google开源的容器集群管理系统，提供应用部署、维护、 扩展等功能，能够方便地管理大规模跨主机的容器应用。

    相比于在物理机上部署，在Kubernetes集群上部署Spark集群，具有以下优势：

• 快速部署：安装1000台级别的Spark集群，在Kubernetes集群上只需设定worker副本数目replicas=1000，即可一键部署。
• 快速升级：升级Spark版本，只需替换Spark镜像，一键升级。
• 弹性伸缩：需要扩容、缩容时，自动修改worker副本数目replicas即可。
• 高一致性：各个Kubernetes节点上运行的Spark环境一致、版本一致
• 高可用性：如果Spark所在的某些node或pod死掉，Kubernetes会自动将计算任务，转移到其他node或创建新pod。
• 强隔离性：通过设定资源配额等方式，可与WebService应用部署在同一集群，提升机器资源使用效率，从而降低服务器成本。

参考文档：

接下来我们将介绍，如何使用 Docker和Kubernetes创建Spark集群（其中包含1个Spark-master和N个Spark-worker）。

首先需要准备以下工具：

• 安装并运行 kubernetes 集群
• 安装 kubectl 命令行工具 

一、构建Docker镜像

1. 从源码build：

下载：

docker build -t index.caicloud.io/spark:1.5.2 .docker build -t index.caicloud.io/zeppelin:0.5.6 zeppelin/

连接国外网络较慢，构建镜像的时间有些长，请耐心等待……

2. 从镜像仓库pull：

a)  才云科技的镜像仓库（index.caicloud.io）

docker login index.caicloud.io docker pull index.caicloud.io/spark:1.5.2 docker pull index.caicloud.io/zeppelin:0.5.6

b) DockerHub的镜像仓库（index.docker.io）

docker login index.docker.iodocker pull index.docker.io/caicloud/spark:1.5.2docker pull index.docker.io/caicloud/zeppelin:0.5.6

 

二、在Kubernetes上创建Spark集群

首先下载创建Kubernetes应用所需的Yaml文件: https://github.com/caicloud/public/tree/master/spark

第一步：创建命名空间namespace

    Kubernetes通过命名空间，将底层的物理资源划分成若干个逻辑的“分区”，而后续所有的应用、容器都是被部署在一个具体的命名空间里。每个命名空间可以设置独立的资源配额，保证不同命名空间中的应用不会相互抢占资源。此外，命名空间对命名域实现了隔离，因此两个不同命名空间里的应用可以起同样的名字。创建命名空间需要编写一个yaml文件：

# namespace/namespace-spark-cluster.yamlapiVersion: v1kind: Namespacemetadata:  name: "spark-cluster"  labels:    name: "spark-cluster"

 

创建Namespace:$ kubectl create -f namespace/namespace-spark-cluster.yaml查看Namespace:$ kubectl get nsNAME          LABELS             STATUSdefault       
    
                  Activespark-cluster name=spark-cluster Active使用Namespace: (${CLUSTER_NAME}和${USER_NAME}可在kubeconfig文件中查看)$ kubectl config set-context spark --namespace=spark-cluster --cluster=${CLUSTER_NAME} --user=${USER_NAME}$ kubectl config use-context spark
    

 

第二步：启动master服务

    先创建Spark-master的ReplicationController，然后创建spark所提供的两个Service(spark-master-service，spark-webui)。让Spark-workers使用spark-master-service来连接Spark-master，并且通过spark-webui来查看集群和任务运行状态。

1) 创建ReplicationController：

    Kubernetes追求高可用设计，通过Replication Controller来保证每个应用时时刻刻会有指定数量的副本在运行。例如我们通过编写一个Replication Controller来运行一个nginx应用，就可以在yaml中指定5个默认副本。Kubernetes会自动运行5个nginx副本，并在后期时时对每一个副本进行健康检查（可以支持自定义的检查策略）。当发现有副本不健康时，Kubernetes会通过自动重启、迁移等方法，保证nginx会时刻有5个健康的副本在运行。对于spark-master，目前我们指定其副本数为1 (replicas: 1)；对于spark-worker，我们指定其副本数为N (replicas: N，N >= 1)。

    spark-master-controller.yaml可参考如下：

# replication-controller/spark-master-controller.yamlkind: ReplicationControllerapiVersion: v1metadata:  name: spark-master-controllerspec:  replicas: 1  selector:    component: spark-master  template:    metadata:      labels:        component: spark-master    spec:      containers:        - name: spark-master          image: index.caicloud.io/spark:1.5.2          command: ["/start-master"]          ports:            - containerPort: 7077            - containerPort: 8080          resources:            requests:              cpu: 100m

 

创建Master-ReplicationController：$ kubectl create -f replication-controller/spark-master-controller.yamlreplicationcontroller "spark-master-controller" created

 

2) 创建Master-Service：

    Kubernetes追求以服务为中心，并推荐为系统中的应用创建对应的Service。以nginx应用为例，当通过Replication Controller创建了多个nginx的实例（容器）后，这些不同的实例可能运行在不同的节点上，并且随着故障和自动修复，其IP可能会动态变化。为了保证其他应用可以稳定地访问到nginx服务，我们可以通过编写yaml文件为nginx创建一个Service，并指定该Service的名称（如nginx-service）；此时，Kubernetes会自动在其内部一个DNS系统中（基于SkyDNS 和etcd实现）为其添加一个A Record, 名字就是 “nginx-service”。随后，其他的应用可以通过 nginx-service来自动寻址到nginx的一个实例（用户可以配置负载均衡策略）。

    spark-master-service.yaml可参考如下：

# service/spark-master-service.yamlkind: ServiceapiVersion: v1metadata:  name: spark-masterspec:  ports:    - port: 7077      targetPort: 7077  selector:    component: spark-master

 

创建Master-Service:$ kubectl create -f service/spark-master-service.yamlservice "spark-master"created

 

3) 创建WebUI-Service：

    如上所述，Service会被映射到后端的实际容器应用上，而这个映射是通过Kubernetes的标签以及Service的标签选择器实现的。例如我们可以通过如下的spark-web-ui.yaml来创建一个WebUI的Service, 而这个Service会通过 “selector: component: spark-master”来把WebUI的实际业务映射到master节点上:

# service/spark-webui.yamlkind: ServiceapiVersion: v1metadata:  name: spark-webui  namespace: spark-clusterspec:  ports:    - port: 8080      targetPort: 8080  selector:    component: spark-master

 

创建spark-webui-service：$ kubectl create -f service/spark-webui.yamlservice "spark-webui" created

完成创建ReplicationController(rc)、Service(svc)后，检查 Master 是否能运行和访问：

$ kubectl get rcNAME                      DESIRED   CURRENT   AGEspark-master-controller   1         1         23h$ kubectl get svcNAME           CLUSTER-IP      EXTERNAL-IP   PORT(S)    AGEspark-master   10.254.106.29   
    
             7077/TCP   1dspark-webui    10.254.66.138   
     
              8080/TCP   18h$ kubectl get podsNAME                            READY     STATUS    RESTARTS   AGEspark-master-controller-b3gbf   1/1       Running   0          23h
     
    

确认master正常运行后，再使用Kubernetes proxy连接Spark WebUI：

kubectl proxy --port=8001

然后通过查看spark的任务运行状态。

第三步：启动 Spark workers

    Spark workers 启动时需要 Master service处于运行状态，我们可以通过修改replicas来设定worker数目（比如设定 replicas: 4，即可建立4个Spark Worker）。注意我们可以为每一个worker节点设置了CPU和内存的配额，保证Spark的worker应用不会过度抢占集群中其他应用的资源。

    spark-worker-controller.yaml可参考如下：

# replication-controller/spark-worker-controller.yamlkind: ReplicationControllerapiVersion: v1metadata:  name: spark-worker-controllerspec:  replicas: 4  selector:    component: spark-worker  template:    metadata:      labels:        component: spark-worker    spec:      containers:        - name: spark-worker          image: index.caicloud.io/spark:1.5.2          command: ["/start-worker"]          ports:            - containerPort: 8081          resources:            requests:              cpu: 100m

创建spark-worker的ReplicationController：

$ kubectl create -f replication-controller/spark-worker-controller.yamlreplicationcontroller"spark-worker-controller" created

 

查看 workers是否正常运行

1.     通过WebUI查看： worker就绪后应该出现在UI中。（这可能需要一些时间来拉取镜像并启动pods）

2.   通过kubectl查询状态（可看到spark-worker都已经正常运行）：

     
      $ kubectl get podsNAME                            READY     STATUS              RESTARTS   AGEspark-master-controller-b3gbf   1/1       Running             0          1dspark-worker-controller-ill4z   1/1       Running             1          2hspark-worker-controller-j29sc   1/1       Running             0          2hspark-worker-controller-siue2   1/1       Running             0          2hspark-worker-controller-zd5kb   1/1       Running             0          2h
     

 

第四步：提交Spark任务

两种方式：Spark-client或Zeppelin。

通过Spark-client，可以利用spark-submit来提交复杂的Python脚本、Java/Scala的jar包代码；

通过Zeppelin，可以直接在命令行或UI编写简单的spark代码。

1.     通过Spark-client提交任务

$ kubectl get pods | grep worker

NAME                            READY     STATUS    RESTARTS   AGEspark-worker-controller-1h0l7   1/1       Running   0          4hspark-worker-controller-d43wa   1/1       Running   0          4hspark-worker-controller-ka78h   1/1       Running   0          4hspark-worker-controller-sucl7   1/1       Running   0          4h

$ kubectl exec spark-worker-controller-1h0l7 -it bash$ cd /opt/spark

# 提交python spark任务./bin/spark-submit \    --executor-memory 4G \    --master spark://spark-master:7077 \    examples/src/main/python/wordcount.py \    "hdfs://hadoop-namenode:9000/caicloud/spark/data"

# 提交scala spark任务./bin/spark-submit     --executor-memory 4G    --master spark://spark-master:7077    --class io.caicloud.LinearRegression    /nfs/caicloud/spark-mllib-1.0-SNAPSHOT.jar    "hdfs://hadoop-namenode:9000/caicloud/spark/data"

 

2.   通过Zeppelin提交任务

    使用Zeppelin提交时有两种方式：pod exec 和 zeppelin-UI。我们先创建zeppelin的ReplicationController：

$ kubectl create -f replication-controller/zeppelin-controller.yamlreplicationcontroller "zeppelin-controller"created

查看zeppelin：$ kubectl get pods -l component=zeppelinNAME                        READY     STATUS    RESTARTS   AGEzeppelin-controller-5g25x   1/1       Running   0          5h

 

a) 通过zeppelin exec pods方式提交

$ kubectl exec zeppelin-controller-5g25x -it pyspark

b) 通过zeppelin UI方式提交

使用已创建的Zeppelin pod，设置WebUI的映射端口：

$ kubectl port-forward zeppelin-controller-5g25x 8080:8080

访问 http://localhost:8080/，并提交测试代码：

 

使用Spark的问题

●  Spark的master与worker无法通信

解决办法：查看Spark Master Service是否正常

●  Spark资源与调度问题

a) worker数量不要超过kubernetes集群的节点数量（如果超过，spark性能会下降）

b) executor-memory不要超过机单台器最大内存，executor-cores不要超过单台机器的CPU核数

c) 如果遇到insufficient resources问题，检查是否有其他任务在运行并kill

d) 同一个kubernetes节点上，可能会分配多个worker，导致性能下降（这时最好重新创建worker）

e) 内存、磁盘IO、网络IO、CPU都可能成为Spark的性能瓶颈

●  任务运行时的问题

SocketTimeoutException: Accept timeout —— spark版本为1.5.2时，试试将jdk版本由1.8降低至1.7

使用Zeppelin的问题

●  Zeppelin pod很大，拉取镜像可能会消耗一段时间，取决于你的网络条件

● 第一次运行Zeppelin时， pipeline可能会花费很多时间（约一分钟），需要比较多的时间来初始化。

● kubectl port-forward可能不会长时间保持稳定状态。如果发现Zeppelin变成断开(disconnected)，port-forward很可能出现故障，这时需要重启

● 从ZeppelinUI提交任务，运行时间不稳定（波动较大）

 

为了测试Spark性能，我们需要使用大量数据，但kubernetes节点所在的机器磁盘空间有限（20G）。通过为每台机器挂载NFS/GlusterFS大网盘，解决大数据存储的问题。

接下来我们将介绍，如何使用Spark从NFS中读取数据，以及其中遇到的问题。

1. 首先为每个kubernetes节点安装nfs-client，挂载nfs网盘（假设NFS-server为10.57.*.33，数据存于/data1T5目录下）。

$ sudo apt-get install nfs-common$ sudo mkdir -p /data1T5$ sudo mount -t nfs 10.57.*.33:/data1T5 /data1T5

2. 声明PersistentVolumes(pv)和PersistentVolumeClaims(pvc)，使得Kubernetes能连接NFS数据网盘：

$ kubectl create -f nfs/nfs_pv.yaml$ kubectl create -f nfs/nfs_pvc.yaml

# nfs/nfs_pv.yamlapiVersion: v1kind: PersistentVolumemetadata:    name: spark-clusterspec:    capacity:        storage: 1535Gi    accessModes:        - ReadWriteMany    nfs:        server: 10.57.*.33        path: "/data1T5"

# nfs/nfs_pvc.yamlapiVersion: v1kind: PersistentVolumeClaimmetadata:  name: spark-clusterspec:  accessModes:    - ReadWriteMany  resources:    requests:      storage: 1535Gi

3. 为Spark的ReplicationController增加volumeMounts和volumes两项，并重新create，使得Spark容器能访问NFS数据。

修改spark-master-controller.yaml和spark-worker-controller.yaml，存为nfs/spark-master-controller.nfs.yaml 和 nfs/spark-worker-controller.nfs.yaml

$ kubectl delete rc spark-master-controller$ kubectl create -f nfs/spark-master-controller.nfs.yaml$ kubectl delete rc spark-worker-controller$ kubectl create -f nfs/spark-worker-controller.nfs.yaml

4. 使用exec方式进入master/worker所在的pod，可以看到nfs挂载的/data1T5目录：

$ kubectl exec spark-worker-controller-1h0l7 -it bashroot@spark-worker-controller-1h0l7:/# ls -al /data1T5/

成功挂载后，即可在Spark程序中，使用sc.textFile()读取NFS数据。

注意事项：

a) 如果希望使用spark从nfs中读取数据，必须事先在kubernetes集群的所有节点上安装nfs-client

b) 使用spark从多台nfs-client读取一台nfs-server数据时，遇到IO瓶颈，读取速率只有30MB~40MB/s