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介紹

Kube-downscaler 是一款開源工具，允許用戶定義 Kube.NETes 中 pod 資源自動縮減的時間。這有助于通過減少非高峰時段的資源使用量來降低基礎設施成本。

在本文中，我們將詳細介紹 kube-downscaler 的功能、安裝和配置，以及它的用例和未來前景。

kube-downscaler的特點

Kube-downscaler 是一款基于調度的強大工具，用于在 Kubernetes 集群中對應用程序進行升級或降級。在本節中，我們將探討該工具的一些關鍵功能：

與Kubernetes功能或工具的兼容性

Kube-downscaler 還支持水平 Pod 自動縮放 (HPA)，并可以與 HPA 結合使用，以確保為應用程序維護所需的副本數量。這使得 kube-downscaler 能夠為 Kubernetes 中的應用程序擴展提供額外的靈活性和細粒度的控制。

Karpenter 和 kube-downscaler 是兩個可以結合使用的工具，可以為 Kubernetes 集群提供完整且強大的資源管理解決方案。通過結合使用 Karpenter 和 kube-downscaler，Kubernetes 集群可以從水平和垂直擴展中受益。 Downscaler 允許減少 Pod 數量，而 Karpenter 通過將 Pod 整合到更少或不同類型的機器上來優化節點利用率。

根據定義的時間段自動擴展部署副本

Kube-downscaler 可以根據預定義的時間段自動擴展部署副本。這意味著我們可以設置一個計劃，在一天、一周或一個月的特定時間增加或減少副本數量。

比如，如果我們知道應用程序在一天中的某些時段遇到高流量，則可以將 kube-downscaler 配置為在這些時段自動擴展副本，然后在流量減少時縮小副本。 

這可以允許在預期峰值負載的情況下進行擴展，而不是等待峰值負載發生并由 HPA 處理。這可以幫助優化資源使用并確保您的應用程序始終可用且響應迅速。

但是 Kube-downscaler 主要用于縮小副本并優化集群的成本，我們通常使用 HPA 來管理擴展。

kube-downscaler的安裝和配置

kubernetes集群上kube-downscaler安裝說明

從 Github 克隆 kube-downscaler 存儲庫：

git clone <https://codeberg.org/hjacobs/kube-downscaler.git>

進入 kube-downscaler 目錄：

cd kube-downscaler

編輯 deploy/kube-downscaler.yaml 文件以根據您的具體需求自定義配置。例如，可以調整時區、計劃和縮放規則。

將配置應用到您的 Kubernetes 集群：

kubectl Apply -f deploy/

此命令將部署 kube-downscaler 控制器并創建 kube-downscaler 部署。

可以通過檢查 kube-downscaler 部署的日志來驗證 kube-downscaler 控制器是否正在運行：

kubectl logs -f deployment/kube-downscaler

安裝完成后，需要進行一下配置。

根據具體用戶需求配置kube-downscaler

Kube-downscaler 通過在 Kubernetes 部署對象上使用注釋來提供擴展計劃的定制。 

部署對象中的 downTimePeriod注釋可用于指定不應擴展部署的停機時間段。

minReplicas 注釋可用于設置部署的最小副本數。 

這些字段與 kube-downscaler 注釋結合使用，允許您根據特定的業務需求和資源利用模式創建自定義的擴展計劃。 

通過調整這些字段，可以配置 kube-downscaler 以優化應用程序可用性和成本效率的方式擴展部署。

以下是使用 kube-downscaler 進行部署的簡單配置。

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: random-deployment
    annotations:
        # Kube-downscaler
        downscaler/downtimePeriod: "Mon-Fri 00:00-07:00 Europe/Berlin"
        downscaler/minReplicas: 1
spec:
  replicas: 2
  selector:
    matchLabels:
      app: random
  template:
    metadata:
      labels:
        app: random
    spec:
      contAIners:
      - name: random-container
        image: random-image

通過此配置，從周一到周五午夜到早上 7 點（在歐洲/柏林時間線上），副本數量將減少到 1 個。 

kube-downscaler 將根據定義的計劃自動開始縮減 pod。 

目前我們已經在 Kubernetes 集群上安裝并運行了 kube-downscaler。

算法

Kube-downscaler 如果滿足以下所有條件，將縮減部署的副本：

• current time不是“uptime”計劃的一部分，也不是“downtime”計劃的一部分。 如果為 true，則按以下順序評估計劃：
•  

• downscaler/downscale-period 或 downscaler/downtime 工作負載定義的注釋。
• downscaler/upscale-period 或 downscaler/uptime 工作負載定義的注釋。
• downscaler/downscale-period 或 downscaler/downtime 工作負載命名空間上的注釋。
• downscaler/upscale-period 或 downscaler/uptime 工作負載命名空間上的注釋。
• --upscale-period 或 --default-uptime CLI 參數。
• --downscale-period 或 --default-downtime CLI 參數。
• UPSCALE_PERIOD 或 DEFAULT_UPTIME 環境變量。
• DOWNSCALE_PERIOD 或 DEFAULT_DOWNTIME 環境變量。

• 工作負載的命名空間不是排除列表的一部分：
• 如果提供排除列表，它將用于代替默認值（僅包括kube-system ）。
• 工作負載的標簽與標簽列表不匹配。
• 工作負載的名稱不是排除列表的一部分。
• 工作負載未標記為排除（注釋 downscaler/exclude: "true" 或 downscaler/exclude-until: "2024-04-05"）。
• 沒有活動 Pod 強制整個集群進入正常運行時間（注釋 downscaler/force-uptime: "true" ）。

Minimum replicas最小副本數

默認情況下，部署將縮減為零副本。這可以通過部署或其命名空間的注釋進行配置， downscaler/downtime-replicas 也可以通過 CLI 使用 --downtime-replicas 。

Ex: downscaler/downtime-replicas: "1"。

Specific workload特定工作負載

在正常的情況下 HorizontalPodAutoscalers ，該字段不能設置為零， 因此downscaler/downtime-replicas 至少 1 應設置為 。 關于 CronJobs ，它們的狀態將按照我們的預期進行定義 suspend: true 。

注意點

請注意，默認的寬限期為 15 分鐘適用于新的 Nginx 部署，即

• 如果當前時間不在 ，它不會立即縮小 Mon-Fri 9-17 (Buenos Aires timezone) ，而是在 15 分鐘后縮小。downscaler最終會記錄如下內容：

INFO: Scaling down Deployment default/nginx from 1 to 0 replicas (uptime: Mon-Fri 09:00-17:00 America/Buenos_Aires, downtime: never)

請注意，如果 HorizontalPodAutoscaler （HPA） 與部署一起使用，請考慮以下事項：

• 如果需要縮減到 0 個副本，則應在 上 Deployment 應用注釋。這是一種特殊情況，因為 minReplicas 不允許在 HPA 上為 0。將部署副本設置為 0 實質上會禁用 HPA。在這種情況下，HPA 將發出事件，例如 failed to get memory utilization: unable to get metrics for resource memory: no metrics returned from resource metrics API 沒有 Pod 可以從中檢索指標。
• 如果需要縮小大于 0，則應在 HPA 上應用注釋。這允許在停機期間根據外部流量動態擴展 Pod，并在停機期間保持較低的 minReplicas 流量，如果沒有低流量。如果對部署而不是 HPA 進行批注，則會導致爭用條件，即縮減部署， kube-downscaler HPA 在部署更高時 minReplicas 將其升級。

若要使用 在 HPA 上 --downtime-replicas=1 啟用downscaler，請確保將以下注釋添加到部署和 HPA。

$ kubectl annotate deploy nginx 'downscaler/exclude=true'
$ kubectl annotate hpa nginx 'downscaler/downtime-replicas=1'
$ kubectl annotate hpa nginx 'downscaler/uptime=Mon-Fri 09:00-17:00 America/Buenos_Aires'

詳細配置

Uptime/downtime spec

downscaler通過命令行參數、環境變量或 Kubernetes 注釋進行配置。

時間定義（例如 DEFAULT_UPTIME ）接受以逗號分隔的規范列表，例如，以下配置將縮小非工作時間的所有部署：

DEFAULT_UPTIME="Mon-Fri 07:30-20:30 Europe/Berlin"

僅在周末和周五 20：00 后縮小：

DEFAULT_DOWNTIME="Sat-Sun 00:00-24:00 CET,Fri-Fri 20:00-24:00 CET'

每個時間規范可以采用以下兩種格式之一：

• 重復規范格式 <WEEKDAY-FROM>-<WEEKDAY-TO-INCLUSIVE> <HH>:<MM>-<HH>:<MM> <TIMEZONE> .時區值可以是任何時區，例如“US/Eastern”、“PST”或“UTC”。
• 絕對規范格式， <TIME_FROM>-<TIME_TO> 其中每個 <TIME> 格式都是ISO 8601日期和時間的格式 <YYYY>-<MM>-<DD>T<HH>:<MM>:<SS>[+-]<TZHH>:<TZMM> 。

基于periods的替代邏輯

您可以選擇升級或縮減的時間段，而不是嚴格的正常運行時間或停機時間。時間定義是相同的。在這種情況下，放大或縮小只發生在時間段，其余時間將被忽略。

如果配置了升級或縮減周期，將忽略正常運行時間和停機時間。這意味著某些選項是互斥的，例如，您可以使用或 --default-downtime ，但不能同時使用 --downscale-period 兩者。

此定義將在 19：00 到 20：00 之間縮減群集。如果手動升級集群，則在第二天 19：00-20：00 之前不會縮減集群。

DOWNSCALE_PERIOD="Mon-Sun 19:00-20:00 Europe/Berlin"

命令行選項

可用的命令行選項：

• --dry-run僅運行模式：不更改任何內容，只需打印將要執行的操作
• --debug調試模式：打印更多信息
• --once僅運行一次循環并退出
• --interval循環間隔（默認：30 秒）
• --namespace將downscaler限制為僅在單個命名空間（默認：所有命名空間）中工作。這主要適用于 kube-downscaler 的部署者只能訪問給定命名空間（而不是集群訪問權限）的部署場景。如果與 同時 --exclude-namespaces使用 ，則不應用任何應用。
• --include-resources將此類資源縮小為逗號分隔列表。
• --grace-period新部署在縮減部署之前的寬限期（以秒為單位）（默認值：15 分鐘）。寬限期從創建部署時開始計算，即無論寬限期如何，更新的部署都將立即縮減。
• --upscale-period僅在給定時間段內縱向擴展的替代邏輯（默認：從不），也可以通過環境變量 UPSCALE_PERIOD 或通過每個部署 downscaler/upscale-period 上的注釋進行配置
• --downscale-period僅在給定時間段內縮減的替代邏輯（默認：從不），也可以通過環境變量 DOWNSCALE_PERIOD 或通過每個部署 downscaler/downscale-period 上的注釋進行配置
• --default-uptime要縱向擴展的默認時間范圍（默認：始終），也可以通過環境變量 DEFAULT_UPTIME 或通過每個部署 downscaler/uptime 上的注釋進行配置
• --default-downtime要縮減的默認時間范圍（默認：從不），也可以通過環境變量 DEFAULT_DOWNTIME 或通過每個部署 downscaler/downtime 上的注釋進行配置
• --exclude-namespaces從降級中排除命名空間（正則表達式模式列表，默認：kube-system），也可以通過環境變量 EXCLUDE_NAMESPACES 進行配置。如果與 同時 --namespace 使用 ，則不應用任何應用。
• --exclude-deployments從降級中排除特定部署/狀態集/cronjobs（默認：kube-downscaler，downscaler），也可以通過環境變量 EXCLUDE_DEPLOYMENTS 進行配置。盡管名稱如此，但此選項將與任何包含的資源類型（Deployment，StatefulSet，CronJob等）的名稱匹配。
• --downtime-replicas縮小到的副本的默認值，注釋 downscaler/downtime-replicas 優先于此值。
• --deployment-time-annotation可選：將使用的注釋的名稱，而不是資源的創建時間戳。如果您希望資源在部署后的寬限期 （ --grace-period ） 內保持縱向擴展，則應使用此選項。注釋的時間戳值的格式必須與 Kubernetes 的格式完全相同： creationTimestamp %Y-%m-%dT%H:%M:%SZ 。建議：通過部署工具自動設置此批注。
• --matching-labels可選：kube-downscaleer 范圍涵蓋的工作負載標簽列表。標簽與列表中的任何工作負載都不匹配的所有工作負載都將被忽略。為了向后兼容，如果未指定此參數，kube-downscaler 將應用于所有資源。

Namespace Defaults命名空間默認值

DEFAULT_UPTIME 、 DEFAULT_DOWNTIME 和 FORCE_UPTIME 排除也可以使用命名空間注釋進行配置。在配置的情況下，這些值將取代其他全局默認值。

apiVersion: v1
kind: Namespace
metadata:
    name: foo
    labels:
        name: foo
    annotations:
        downscaler/uptime: Mon-Sun 07:30-18:00 CET

命名空間級別支持以下批注：

• downscaler/upscale-period。
• downscaler/downscale-period。
• downscaler/uptime ：為此命名空間中的所有資源設置“正常運行時間”。
• downscaler/downtime ：為此命名空間中的所有資源設置“停機時間”。
• downscaler/force-downtime ：強制縮減此命名空間中的所有資源 - 可以是 true / false。
• downscaler/force-uptime ：強制向上擴展此命名空間中的所有資源 - 可以是 true / false。
• downscaler/exclude ：設置為 以 true 排除命名空間中的所有資源。
• downscaler/exclude-until ：暫時排除命名空間中的所有資源，直到給定的時間戳。
• downscaler/downtime-replicas ：覆蓋默認目標副本以縮小到（默認值：零）。

使用案例

該工具的主要用例是通過優化 Kubernetes 集群資源的利用率來降低成本。不過，它也可以用來預熱集群，避免過度依賴 HPA。 

雖然這不是其主要目的，但這種組合提供了一種替代解決方案，可確保應用程序的高可用性，同時最大限度地降低基礎設施成本。

降低成本

kube-downscaler 的另一個用例是防止高峰使用期間的服務中斷。通過定義在高需求期間擴展資源的計劃，kube-downscaler 可以幫助預先擴展部署并避免 HPA 延遲，以確保應用程序即使在高峰使用期間也保持可用和響應。

服務中斷預防

kube-downscaler 的另一個用例是防止高峰使用期間的服務中斷。通過定義在高需求期間擴展資源的計劃，kube-downscaler 可以幫助預先擴展部署并避免 HPA 延遲，以確保應用程序即使在高峰使用期間也保持可用和響應。

建議

基于預定義計劃的擴展，這可能并不適合所有用例。此外，它不支持自動縮放，這意味著用戶必須手動調整縮放計劃以滿足不斷變化的需求。

另一種可供考慮的解決方案是 Keda。 Keda是一個開源項目，為Kubernetes應用程序提供動態自動伸縮功能。使用 Keda，用戶可以根據各種指標（例如隊列長度、CPU 使用率或自定義指標）設置自定義擴展規則。

這允許對資源使用進行更精細的控制，并確保應用程序始終能夠正確擴展以滿足需求。

此外，Keda 兼容廣泛的 Kubernetes 應用程序，包括有狀態和無狀態應用程序，并支持多種事件源，例如 Azure Event Hubs、Kafka 和 RabbitMQ。

結論

Kube-downscaler 是管理 Kubernetes 集群中資源使用情況的強大工具。通過定義擴展計劃，用戶可以優化集群中的資源使用并降低成本，同時確保應用程序即使在高峰使用期間也保持可用和響應。

雖然 kube-downscaler 是管理 Kubernetes 集群中資源使用情況的一個有價值的工具，但它可能有一些限制。如果需要對資源擴展進行更精細的控制或需要自動擴展功能，那么可能值得考慮像 Keda 這樣的替代解決方案。