全栈工程师开发手册 （作者：栾鹏）
一站式云原生机器学习平台

前言：cube是开源的云原生机器学习平台，目前包含特征平台，支持在/离线特征；数据源管理，支持结构数据和媒体标注数据管理；在线开发，在线的vscode/jupyter代码开发；在线镜像调试，支持免dockerfile，增量构建；任务流编排，在线拖拉拽；开放的模板框架，支持tf/pytorch/spark/ray/horovod/kaldi等分布式训练任务；task的单节点debug，分布式任务的批量优先级调度，聚合日志；任务运行资源监控，报警；定时调度，支持补录，忽略，重试，依赖，并发限制，定时任务算力的智能修正；nni，katib，ray的超参搜索；多集群多资源组，算力统筹，联邦调度；tf/pytorch/onnx模型的推理服务，serverless流量管控，tensorrt gpu推理加速，依据gpu利用率/qps等指标的 hpa能力，虚拟化gpu，虚拟显存等服务化能力。 目前开源到github：https://github.com/tencentmusic/cube-studio

附能工作各流程

因为cube机器学习平台基于kubeflow做开发，我们先来了解下kubeflow附能算法工作的各个环节。在开发环节，kubeflow集成的jupyterhub；构建镜像/任务环节，kubeflow集成了fairing；在训练环节，kubeflow集成了各种分布式训练的Job CRs；在服务化环节，kubeflow依赖istio、knative-serving，集成了kfserving。另外监控系统，链路追踪，日志系统都可以独立部署，没有写到kubeflow仓库中。

cube开源一站式云原生机器学习平台-架构（二）_一站式

Jupyter

jupyter 创建和管理多用户交互式Jupyter notebooks。Jupyterhub管理前后端在jupyter-web-app中，创建后会创建自定义资源Notebook。Notebook-controller用来管理启动notebook server。

前端：components/jupyter-web-app/frontend， webpack http://localhost:4200/jupyter/

后端： components/jupyter-web-app/backend，flask http://localhost:5000

cube开源一站式云原生机器学习平台-架构（二）_机器学习_02

在机器学习平台中，创建了notebooks.kubeflow.org的crd，用来根据用户的配置生成 notebook，每个用户可以有多个notebook，notebook的权限管理在产品侧实现，所以notebook的流量代理不一定是根据真实用户进行的。

notebooks.kubeflow.org

我们先来看看该crd如何使用。下面是一个示例

apiVersion: kubeflow.org/v1
kind: Notebook
metadata:
  name: pengluan-test
  namespace: jupyter
spec:
  template:
    spec:
      containers:
      - command:
        - sh
        - -c
        - jupyter lab --notebook-dir=/mnt/pengluan --ip=0.0.0.0 --no-browser
          --allow-root --port=8888 --NotebookApp.token='' --NotebookApp.password=''
          --NotebookApp.allow_origin='*' --NotebookApp.base_url=/notebook/jupyter/pengluan-test
        image: xxx
        name: test
        workingDir: /mnt/pengluan
      serviceAccountName: default-editor

配置pod需要注意的是你的启动命令一定是jupyter的启动进程，并配置启动参数，这也要求你的镜像中必须集成了jupyter。其中notebook-dir参数值最好是通过pvc挂载进来的分布式存储目录，这样就能将用户文件和jupyter环境分离开。

另外你可以按照pod spec的参数配置jupyter容器的resource，securityContext，volumes、volumeMounts，imagePullSecrets，imagePullPolicy等。

通过notebook crd，就可以使多个用户使用多个notebook，可以共享也可以隔离。在产品侧通过控制权限，也可以实现项目组共用notebook的功能。

jupyter

我们知道jupyter产品，包含jupyter notebook，jupyterlab，jupyterhub。分别是编辑器，丰富版的在线编辑器，和多用户版的编辑器。我们在多用户层面是通过自建的权限管理体系，所有没有使用jupyterhub，并且由于jupyterlab比jupyter notebook更强大的功能和更好的用户体验，我们选择使用jupyterlab。封装方式很简单，只需要你原本的镜像pip install jupyterlab就可以了。

服务网格代理多个notebook

另外当有多个notebooks.kubeflow.org创建后，对应的每个jupyter容器都有一个独立的访问地址。而这些访问地址是通过istio进行代理的。在jupyterlab启动参数中NotebookApp.base_url=/notebook/nodebook1/pengluan，这个就是访问当前notebook1的前缀路径。这样我们就可以根据前缀路径，使用istio的virtualservices.networking.istio.io来配置代理。这一部分可以结合istio服务网格部分一块了解。

cube开源一站式云原生机器学习平台-架构（二）_一站式_03

构建镜像和任务

构建镜像包含多种方式，最长使用的莫过于，我们在本地打docker images。如果你需要在线实时更新镜像环境，那就可以在线构建镜像了。下面是几种在线构建的方式

Fairing-构建镜像

fairing.config.set_builder(name='docker', registry=DOCKER_REGISTRY, base_image=base_image,image_name=tfjob_name)

Kaniko集群模式

Kaniko需要k8s环境，fairing自动化构建镜像，会创建k8s-job，创建专门用来进行构建镜像的pod。kaniko集群构建不需要Docker守护程序，Kaniko pod使用自己的“executor”以root用户执行构建步骤，构建步骤本身是由执行程序代码执行的。

cube开源一站式云原生机器学习平台-架构（二）_开源_04

构建步骤：

  • “executor”遍历Dockerfile中定义的每个构建步骤。并随其压缩/添加/更改rootfs的内容，更改“diff”层。将diff层依次添加到基础镜像中以形成新镜像
  • 新生成镜像后 push 到指定的 registry。注意：在容器中推送到csighub，需要修改builder pod 的/etc/hosts

构建上下文：

三种方式：本地目录，三大云存储商、Minio 兼容s3

构建缓存：

1、源镜像可以下载到本地卷中共享。

2、执行RUN Dockerfile指令期间在远程镜像仓库创建镜像的缓存

Minio sdk:https://docs.minio.io/docs/golang-client-quickstart-guide

平台中的Builder pod会挂载docker-config，构建镜像，并使用minio做镜像缓存。

缺点：需要与k8s做交互，还要额外管理k8s-job，copy文件传输需要代码控制和网络传输。

Podman新构建方式

使用命令与docker类似，但是不需要守护后端，单容器任务，但是需要超级权限、 vfs存储层模式，当podman本身就在容器时配置相对麻烦。

Docker原始方式

需要挂载主机docker，使用docker in docker 镜像。缺点，镜像数据存储在机器上，会增加机器的磁盘占用，或者需要手动清理。

Fairing-构建任务

使用fairing创建tfjob分布式任务的方式如下：

fairing.config.set_deployer(name='tfjob', namespace=my_namespace, stream_log=False,                            
                            worker_count=num_workers, ps_count=num_ps, job_name=tfjob_name,
                            labels={'app':tfjob_name},                            
                            pod_spec_mutators = [                              
                                mounting_pvc(pvc_name=pvc_name, pvc_mount_path=model_dir),                                                      
                                add_resource(resource=resource),                            
                                ])

kubeflow fairing集成了对k8s-job，tfjob，pytorchjob的部署，减少平台开发工作量。如果无法满足你的需求，你完全可以自己开发一套控制包。实现原理是相同的，都是通过python kubernetes包对k8s crd进行操作。

数据处理

spark-job

目前还未在平台中支持spark-job的使用。目前主要以使用tdw spark调度集群来替代spark job的功能。是否会在集群中开发spark job的使用目前还没有确定。

k8s-job

当然你还可以使用k8s的原生job资源。自己定义单容器任务，或者自己构建operator，支持分布式任务。这个是平台最常用的处理方式，比如目前的通过tdw api 提交tdw spark任务，支持hdfs数据的上传下载，都是k8s 普通pod形式的job。因为平台提供功能模板化，只要提供相应的数据处理模板，就可以使用相应的数据处理能力。这是传统docker运行进程转为k8s任务最便捷的方式。

TensorFlow Extended

cube开源一站式云原生机器学习平台-架构（二）_spark_05

这个是tf官方推出的分布式数据处理和训练方案，目前没有集成到平台中，在数据分布式处理时也不失为一种好的方案。

训练处理环节

训练环节，平台提供了很多训练job的crd，可以让我们方便的使用分布式任务。

分布式训练tfjobs

tensorflow

tensorflow 支持如下三种分布式策略：

MirroredStrategy：适用于单机多卡的训练场景，功能有限，不在本文讨论范围内。

ParameterServerStrategy：用于多机多卡场景，主要分为 worker 节点和 PS 节点，其中模型参数全部存储在 PS 节点，worker 在每个 step 计算完梯度后向 PS 更新梯度。

CollectiveAllReduceStrategy：用于多机多卡场景，通过all-reduce的方式融合梯度，只需要 worker 节点，不需要 PS(parameter server) 节点，从另外一个角度说，该节点既充当 worker 角色，又充当 PS 角色。该方案是带宽优化的，具有性能好，可扩展性强的特点，是 tensorflow 未来推荐的方案。

以 ParameterServerStrategy 为例，一个分布式训练集群至少需要两种类型的节点：PS(参数服务器，为模型的参数提供分布式的数据存储) 和 worker(负责实际训练模型的任务)。由于在训练中需要一个worker节点来评估效果和保存checkpoint，因此单独把该节点作为 chief(或者叫 master，负责协调训练任务) 节点。有时还可以具有Evaluator节点，负责在训练过程中进行性能评估。通常情况下，一个集群需要多个 worker 节点，多个 PS 节点，一个 chief 节点。所有 worker 节点的 CPU/内存/GPU等资源配置完全相同，所有 PS 节点的CPU/内存等资源配置也相同。

cube开源一站式云原生机器学习平台-架构（二）_机器学习_06

tfjobs.kubeflow.org

从资源拓扑角度出发，如果能够提供一种自定义 k8s 资源（crd），用户可以基于该资源定义 PS/worker/chief 的数量和规格，就可以一键式创建分布式训练，大大简化了分布式训练的部署和配置。平台提供了tfjobs这种自定义资源，示例如下：可以只包含worker副本控制器，使用其中一个worker启动ps服务。

apiVersion: kubeflow.org/v1
kind: TFJob
metadata:
  generateName: tfjob
spec:
  tfReplicaSpecs:
    PS:
      Replica spec
    Worker:
      Replica spec

tf-operator

kuebflow通过tf-operator 来管理tfjobs.kubeflow.org，用户可以借助 tfjobs.kubeflow.org 在 k8s 上一键拉起分布式训练集群。当我们创建tfjobs的资源时，tf-operator会按照如何的过程工作。

cube开源一站式云原生机器学习平台-架构（二）_开源_07

当我们创建tfjobs资源时，tf-operator会根据tfjobs的参数创建分布式tf训练的各节点容器和服务，并配置TF-CONFIG环境变量，并为每个角色创建headless service，保证每个角色的pod都有一个独立的访问地址。为每个容器配置所有角色容器的地址，和当前容器的角色。由代码自己去识别自己的角色和该处理的内容，以及识别访问其他角色容器的地址。

分布式训练pytorchjobs

pytorch

使用分布式时，在梯度汇总求平均的过程中，各主机之间需要进行通信。因此，需要指定通信的协议架构等。torch.distributed 对其进行了封装。torch.distributed 支持 3 种后端，分别为 NCCL，Gloo，MPI。各后端对 CPU / GPU 的支持如下所示：

cube开源一站式云原生机器学习平台-架构（二）_开源_08

那么，在什么情况下选用什么样的backend？经验法则：

  • 使用NCCL后端进行分布式GPU培训
  • 使用Gloo后端进行分布式CPU培训。
pytorchjobs.kubeflow.org

同样kubeflow提供了一种自定义资源pytorchjobs，可以通过yaml部署。同样包含master和worker副本。

apiVersion: kubeflow.org/v1
kind: PyTorchJob
metadata:
  name: pytorch-tcp-dist-mnist
  namespace: default
spec:
  cleanPodPolicy: None
  pytorchReplicaSpecs:
    Master:
      Replica spec
    Worker:
      Replica spec
status:
  completionTime:
  conditions:
  replicaStatuses:
    Master: {}
    Worker: {}
  startTime:

分布式训练xgbjobs

xgboost算法本身支持分布式训练，可以在spark、k8s上进行并行调度。

xgboostjobs.xgboostjob.kubeflow.org

kubeflow定义了xgboostjobs自定义资源，我们只需要配置master和worker就可以实现部署xgb分布式。

apiVersion: "xgboostjob.kubeflow.org/v1alpha1"
kind: "XGBoostJob"
metadata:
  name: "test"
spec:
  xgbReplicaSpecs:
    Master:
      ReplicaSpecs:
    Worker:
      ReplicaSpecs:

k8s通过xgboost-operator监听xgboostjob资源，创建对应的pod和service。目前由于xgb训练本身支持并行化，单机训练速度也足够快，所以在分布式上需要当模型足够大以后需求才会更多起来。

其他的模型框架

其他的模型框架也在支持中，以后补充