KubeFlow-Pipeline及Argo实现原理速析

Argo是一个开源原生容器工作流引擎用于在Kubernetes上开发和运行应用程序。Argo Workflow流程引擎，可以编排容器流程来执行业务逻辑，在20年4月8日进入CNCF孵化器组。

而KubeFlow的Pipeline子项目，由Google开源，其全面依赖Argo作为底层实现，并增强持久层来补充流程管理能力，同时通过Python-SDK来简化流程的编写。

一. Argo流程引擎

Argo的步骤间可以传递信息，即下一步（容器）可以获取上一步（容器）的结果。结果传递有2种：

1. 文件：上一步容器新生成的文件，会直接出现在下一步容器里面。

2. 信息：上一步的执行结果信息（如某文件内容），下一步也可以拿到。

下面我们就来解读一下，Argo怎么实现“信息”在容器间的传递的，以及它和其他的流程引擎实现传递的区别。

1.1文件怎么从上一个容器跑到下一个容器里的？

Argo流程，可以指定2个步骤之间，传递结果文件（Artifact）。即假设流程为：A->B，那么A容器跑完，B容器可以取得上一个容器的输出文件。

如下：A容器生成一个 /tmp/hello_world.txt 文件，Argo将这个文件，放到了B容器里面，并重命名为 /tmp/message文件。

注意：流程上的每个步骤，都对应执行一个容器。在A跑完后容器就退出了，然后才跑的B（这时候已经没有A容器在运行了）。

所以Argo怎么把一个文件从A容器“拷贝”到B容器里面的？

1.1.1容器间通过共享存储？（NO）

一般容器间共享文件，首先想到的都是：咱使用共享存储呀，大家都挂载同一个PVC不就行了。

确实共享存储可以实现容器共享文件，但是这里Argo可以：

（1）任意指定文件传递。（2）传递后文件可以改名字。

这2个是共享Volume做不到的，毕竟容器挂载目录得提前设定好，然后文件名大家看到的也是一样的。所以显然文件传递，不是通过共享PVC挂载实现的。

（Ps：不过Argo也在考虑这种实现方式，毕竟共享目录不需要任何额外IO，透传效率更高。见：https://github.com/argoproj/argo/issues/1349）

1.1.2通过管理面中转？（YES）

没有共享目录，那中转文件，只能是通过先取出来，再塞回去的方式喽。实际上Argo也确实这么做的，只是实现上还有些约束。

（1）“临时中转仓库”需要引入第三方软件（Minio）

（2）文件不能太大

（3）需要在用户容器侧，增加“代理”帮忙上传&下载文件。

1.1.3中转文件具体实现（docker cp）

现在我们打开Argo看看具体怎么实现的。因为你要取一个容器里面的文件，或者把一个文件放入一个容器，也不容易实现呢。

（1）小滑头Argo居给用户容器设置了一个SideCar容器，通过这个SideCar去读取用户的文件，然后上传到临时仓库。

（2）一个Pod里面的两个Container，文件系统也是独立的，并不能直接取到另一个Container的文件。所以Sidecar容器为了取另一个容器里的文件，又把主机上面的docker.sock挂载进来了。这样就相当于拿到了主机Root权限，可以任意cp主机上任意容器里面的文件。

事实上，Sidecar里面取文件的实现是：

docker cp -a 023ce:/tmp/hello_world.txt - | gzip > /argo/outputs/artifacts/hello-art.tgz

感觉稍微有点暴力。

1.1.4中转实现的其他方式

实际上，通过sidecar容器提权到root权限，然后从用户的容器里面copy任意文件（即 docker cp命令），只是Argo默认的实现。毕竟它自己也发现这样做安全上有点说不过去。

所以呢，它也留了其他方式去copy用户容器里面的文件。比如：kubectl 也是可以cp容器里面的文件的嘛。其他方式可参见：

https://github.com/argoproj/argo/blob/master/docs/workflow-executors.md

1.2 下一步容器怎么拿到上一步容器的结果？

Argo流程，2个步骤之间，除了传递文件，还可以传递结果信息（Information）。如：A->B，那么A容器跑完，B容器可以取得上一个容器的一些Information（不是整个文件）。

一般流程引擎透传信息，都是中转：

不过显然Argo自己没有存储Information的临时仓库，所以它得找个地方记录这些临时待中转的information（虽然Argo找了Minio这个对象存储用来暂存中转文件，但是显然这货只能存文件，没有存Metadata元数据功能）。这里Argo又找了Pod里面的Annotation字段，当做临时中转仓库。先把信息记这里，下一步容器想要，就来这里取。

相信这里应该是有更好的实现方式的，这种把信息记录到Annotation的做法，约束比较大的（特别是ETCD的单个对象不能超过1M大小）。

可以考虑使用单独的Configmap来中转也可以。

二. KubeFlow-Pipeline项目

KubeFlow-Pipeline项目（简称KFP），是Kubeflow社区开源的一个工作流项目，用于管理、部署端到端的机器学习工作流。KFP提供了一个流程管理方案，方便将机器学习中的应用代码按照流水线的方式编排部署，形成可重复的工作流。

2.1为什么要在Argo之上重新开发一套？

部署一套Argo很简单，启动一个K8s-Controller就行。可是部署一套Kubeflow-Pipeline系统就复杂多了，总共下来有8个组件。那是Argo什么地方不足，需要新开发一套KFP，并搞这么复杂呢？主要的原因还在于Argo是基于K8s云原生这套理念，即ETCD充当“数据库”来运行的，导致约束比较大。

像：流程模板，历史执行记录，这些大量的信息很明显需要一个持久化层（数据库）来记录的，单纯依赖ETCD会有单条记录不能超过1M，总记录大小不能超过8G的约束。

所以一个完整的流程引擎，包含一个数据库也都是很常规的。因此KFP在这一层做了较大的增强。

另外，在ML领域的用户界面层，KFP也做了较多的用户体验改进。包括可以查看每一步的训练输出结果，直接通过UI进行可视化的图形展示。

https://www.kubeflow.org/docs/pipelines/sdk/output-viewer/

2.2 Kubeflow-Pipeline后续演进点

见：https://github.com/kubeflow/pipelines/issues/3550

Dag引擎组件的水平扩展（HPA）是其重要的一个特性，也是要成为一个成熟引擎所必要的能力。

当前KFP在稳定性以及组件的水平扩展上都还有待改进，因此商业使用还需要一段时间，这将是KFP未来的一个重要目标。

同时，使用权限过于高的Sidecar容器作为其实现步骤之间元数据传递的途径，也会是KFP生产级使用的一道门槛。或许在权限控制方面，KFP需要思考一下其他规避途径，至少需要稍微增强一下。

概括一下：（1）水平扩展（HPA），（2）生产级可靠性，（3）安全增强。

三. 流程引擎核心&分层

3.1 DAG核心

一个DAG流程引擎，核心代码也就7行大概能实现了：

例如下图示例：遍历发现步骤D没有依赖其他步骤，那么本次可以执行D步骤。

所以一般程序员一周时间总能开发一个“还能用”的流程引擎。但是完整的流程引擎却并不轻松

3.2 世界上为什么有这么多的流程引擎

DAG基础核心非常简单，同时，各个领域想要做的事情却迥然不同。即使一个简单的步骤，大数据步骤说：“这一步要执行的SQL语句是xxx”，而K8s任务步骤却说：“这一步执行需要的Docker镜像是yyy”。

所以，各种各样的流程引擎就自然的出现了。

举几个例子：

AWS：Cloudformation编排，Batch服务，SageMaker-ML Pipeline，Data Pipeline

Azure：Pipeline服务，ML Pipeline，Data Factory

Aliyun：函数Pipeline服务，ROS资源编排，Batch服务，PAI-Studio

大数据领域：Oozie，AirFlow

软件部署：Puppet，Chef，Ansible

基因分析：DNAnexus，NextFlow，Cromwell

每个领域总能找出一两个流程引擎，来控制谁先干活谁后干活。

总结一下：

（1）DAG引擎核心很小

（2）各领域步骤的描述方式不一样

这就是为什么各个领域，总会有一个自己的流程引擎，而不像K8s能一统容器平台一样，出现一个能一统江湖的流程引擎。

3.3 DAG引擎分层架构

成熟的流程引擎，应该有如下4层架构：

第一层：用户交互层。如：模板语法规则，Console界面等

第二层：API持久化层。如：模板记录，历史执行记录等

第三层：引擎实例层。如：能否水平扩容，流程是否有优先级等

第四层：驱动层。如：一个步骤能干什么活。跑一个容器还是跑一个Spark任务。

基本比较成熟的引擎都符合这种架构，例如AirFlow流程引擎，华为云的应用编排（AOS）引擎，数据湖工厂（DLF）引擎等都是如此。

目前Argo以及Kubeflow-Pipeline在引擎核心组件的水平扩展上，也即第三层引擎能力层稍有不足。同时其驱动层，目前也只能对接K8s（即只能跑容器任务）。在选型的时候需要考虑进去。

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