Pruebas de carga distribuidas con Google Kubernetes Engine

Last reviewed 2022-04-22 UTC

En este instructivo se explica cómo usar Google Kubernetes Engine (GKE) con el fin de implementar un framework de prueba de carga distribuida que use contenedores múltiples para crear tráfico hacia una sola API basada en REST. Este instructivo realiza pruebas de carga de una aplicación web implementada en App Engine que expone extremos de estilo REST para responder solicitudes HTTP POST entrantes.

Puedes usar este mismo patrón con el fin de frameworks de pruebas de carga para una variedad de situaciones y aplicaciones, como los sistemas de mensajería, los sistemas de administración de flujos de datos y los sistemas de bases de datos.

Objetivos

Definir variables de entorno para controlar la configuración de implementación
Crear un clúster de GKE
Realizar pruebas de carga
Escalar la cantidad de usuarios o extender el patrón para otros casos prácticos, opcionalmente

Costos

En este documento, usarás los siguientes componentes facturables de Google Cloud:

App Engine
Artifact Registry
Cloud Build
Cloud Storage
Google Kubernetes Engine

Para generar una estimación de costos en función del uso previsto, usa la calculadora de precios. Es posible que los usuarios nuevos de Google Cloud califiquen para obtener una prueba gratuita.

Antes de comenzar

Accede a tu cuenta de Google Cloud. Si eres nuevo en Google Cloud, crea una cuenta para evaluar el rendimiento de nuestros productos en situaciones reales. Los clientes nuevos también obtienen $300 en créditos gratuitos para ejecutar, probar y, además, implementar cargas de trabajo.

En la página del selector de proyectos de la consola de Google Cloud, selecciona o crea un proyecto de Google Cloud.

Ir al selector de proyectos

Asegúrate de que la facturación esté habilitada para tu proyecto de Google Cloud.

Habilita las API de App Engine, Artifact Registry, Cloud Build, Compute Engine, Resource Manager, Google Kubernetes Engine, and Identity and Access Management.

Habilita las API

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Habilita las API

Cuando finalices las tareas que se describen en este documento, puedes borrar los recursos que creaste para evitar que continúe la facturación. Para obtener más información, consulta Cómo realizar una limpieza.

Otorga roles a tu Cuenta de Google. Ejecuta el siguiente comando una vez para cada uno de los siguientes roles de IAM: roles/serviceusage.serviceUsageAdmin, roles/container.admin, roles/appengine.appAdmin, roles/appengine.appCreator, roles/artifactregistry.admin, roles/resourcemanager.projectIamAdmin, roles/compute.instanceAdmin.v1, roles/iam.serviceAccountUser, roles/cloudbuild.builds.builder, roles/iam.serviceAccountAdmin
```
gcloud projects add-iam-policy-binding PROJECT_ID --member="user:EMAIL_ADDRESS" --role=ROLE
```
- Reemplaza PROJECT_ID con el ID del proyecto.
- Reemplaza EMAIL_ADDRESS por tu dirección de correo electrónico.
- Reemplaza ROLE por cada rol individual.

Carga de trabajo de ejemplo

En el siguiente diagrama, se muestra una carga de trabajo de ejemplo en la que las solicitudes van del cliente a la aplicación.

Solicitudes que van del cliente a la aplicación.

Para modelar esta interacción, puedes usar Locust, una herramienta de prueba de carga distribuida basada en Python que puede distribuir solicitudes a través de varias rutas de destino. Por ejemplo, Locust puede distribuir solicitudes a las rutas de destino /login y /metrics. La carga de trabajo se modela como un conjunto de tareas en Locust.

Arquitectura

Esta arquitectura incluye dos componentes principales:

La imagen de contenedor de Locust Docker
El mecanismo de organización y administración de contenedores

La imagen de contenedor de Locust Docker contiene el software Locust. El Dockerfile, que se obtiene después de clonar el repositorio de GitHub que acompaña a este instructivo, utiliza una imagen de Python básica y también incluye secuencias de comandos para iniciar el servicio de Locust y ejecutar las tareas. Para aproximarse a los clientes del mundo real, cada tarea de Locust está ponderada. Por ejemplo, el registro se realiza una vez por cada mil solicitudes totales de clientes.

GKE proporciona organización y administración de contenedores. Con GKE, puedes especificar el número de nodos de contenedor que proporcionan la base para tu framework de pruebas de carga. También puedes organizar tus trabajadores de pruebas de carga en pods y especificar cuántos pods deseas que GKE siga ejecutando.

Para implementar las tareas de prueba de carga, haz lo siguiente:

Implementa un principal de la prueba de carga.
Implementa un grupo de trabajadores de pruebas de carga. Con estos trabajadores de pruebas de carga, puedes crear una cantidad sustancial de tráfico para fines de prueba.

En el siguiente diagrama, se muestra la arquitectura que demuestra las pruebas de carga mediante una aplicación de muestra. El Pod principal entrega la interfaz web que se usa para operar y supervisar las pruebas de carga. Los Pods trabajadores generan el tráfico de la solicitud de REST para la aplicación que se somete a prueba y envían métricas a la instancia principal.

El Pod principal entrega la interfaz web que se usa para operar y supervisar las pruebas de carga. Los Pods trabajadores generan el tráfico de la solicitud de REST para la aplicación que se somete a prueba.

Información acerca del principal de pruebas de carga

El principal de Locust es el punto de entrada para ejecutar las tareas de prueba de carga. La configuración del principal de Locust especifica varios elementos, incluidos los puertos predeterminados que usa el contenedor:

8089 para la interfaz web
5557 y 5558 para comunicarse con los trabajadores

Esta información se usa más tarde para configurar los trabajadores de Locust.

Implementa un objeto Service para asegurarte de que otros Pods dentro del clúster puedan acceder a los puertos necesarios a través de hostname:port. También se puede hacer referencia a estos puertos a través de un nombre de puerto descriptivo.

Este Service permite que los trabajadores de Locust detecten fácilmente y se comuniquen de manera confiable con el principal, incluso si el principal falla y la implementación lo reemplaza por un nuevo Pod.

Se implementa un segundo Service con la anotación necesaria para crear un balanceador de cargas de red de transferencia interno que haga que el Service de la aplicación web de Locust sea accesible para los clientes fuera de tu clúster que usen la misma red de VPC y se encuentren en la misma región de Google Cloud que tu clúster.

Después de implementar la instancia principal de Locust, puedes abrir la interfaz web con la dirección IP privada aprovisionada por el balanceador de cargas de red de transferencia interno. Después de implementar los trabajadores de Locust, puedes iniciar la simulación y ver estadísticas adicionales a través de la interfaz web de Locust.

Sobre los trabajadores de pruebas de carga

Los trabajadores de Locust ejecutan las tareas de prueba de carga. Usas una única implementación para crear múltiples Pods. Los Pods se extienden a través del clúster de Kubernetes. Cada Pod usa variables de entorno para controlar la información de configuración, como el nombre de host del sistema a prueba y el nombre de host de la instancia principal de Locust.

En el siguiente diagrama, se muestra la relación entre el principal y los trabajadores de Locust.

El principal de Locust se encuentra en la parte superior de una jerarquía con varios trabajadores debajo.

Inicializa variables comunes

Debes definir muchas variables que controlen dónde se implementan los elementos de la infraestructura.

Abre Cloud Shell:

Abra Cloud Shell

Ejecuta todos los comandos de terminal en este instructivo desde Cloud Shell.
Configura las variables de entorno que requieran personalización:
```
export GKE_CLUSTER=GKE_CLUSTER
export AR_REPO=AR_REPO
export REGION=REGION
export ZONE=ZONE
export SAMPLE_APP_LOCATION=SAMPLE_APP_LOCATION
```
Reemplaza lo siguiente:
- GKE_CLUSTER: Es el nombre del clúster de GKE.
- AR_REPO: Es el nombre de tu repositorio de Artifact Registry.
- REGION: la región en la que se creará el repositorio de clústeres de GKE y el repositorio de Artifact Registry
- ZONE: la zona de tu región en la que se creará tu instancia de Compute Engine.
- SAMPLE_APP_LOCATION: la ubicación (regional) en la que se implementará tu aplicación de App Engine de ejemplo
Los comandos deben ser similares al siguiente ejemplo:
```
export GKE_CLUSTER=gke-lt-cluster
export AR_REPO=dist-lt-repo
export REGION=us-central1
export ZONE=us-central1-b
export SAMPLE_APP_LOCATION=us-central
```

Configura las siguientes variables de entorno adicionales:

export GKE_NODE_TYPE=e2-standard-4
export GKE_SCOPE="https://www.googleapis.com/auth/cloud-platform"
export PROJECT=$(gcloud config get-value project)
export SAMPLE_APP_TARGET=${PROJECT}.appspot.com

Establece la zona predeterminada para que no tengas que especificar estos valores en los comandos posteriores:
```
gcloud config set compute/zone ${ZONE}
```

Crear un clúster de GKE

Crea una cuenta de servicio con los permisos mínimos que requiere el clúster:

gcloud iam service-accounts create dist-lt-svc-acc
gcloud projects add-iam-policy-binding  ${PROJECT} --member=serviceAccount:dist-lt-svc-acc@${PROJECT}.iam.gserviceaccount.com --role=roles/artifactregistry.reader
gcloud projects add-iam-policy-binding  ${PROJECT} --member=serviceAccount:dist-lt-svc-acc@${PROJECT}.iam.gserviceaccount.com --role=roles/container.nodeServiceAccount

Crea el clúster de GKE:

gcloud container clusters create ${GKE_CLUSTER} \
--service-account=dist-lt-svc-acc@${PROJECT}.iam.gserviceaccount.com \
--region ${REGION} \
--machine-type ${GKE_NODE_TYPE} \
--enable-autoscaling \
--num-nodes 3 \
--min-nodes 3 \
--max-nodes 10 \
--scopes "${GKE_SCOPE}"

Conéctate al clúster de GKE:

gcloud container clusters get-credentials ${GKE_CLUSTER} \
   --region ${REGION} \
   --project ${PROJECT}

Configure el entorno

Clona el repositorio de muestra de GitHub:

git clone https://github.com/GoogleCloudPlatform/distributed-load-testing-using-kubernetes

Cambia tu directorio de trabajo al repositorio clonado:
```
cd distributed-load-testing-using-kubernetes
```

Compila la imagen del contenedor

Crea un repositorio de Artifact Registry:

gcloud artifacts repositories create ${AR_REPO} \
    --repository-format=docker  \
    --location=${REGION} \
    --description="Distributed load testing with GKE and Locust"

Compila la imagen del contenedor y guárdala en tu repositorio de Artifact Registry:

export LOCUST_IMAGE_NAME=locust-tasks
export LOCUST_IMAGE_TAG=latest
gcloud builds submit \
    --tag ${REGION}-docker.pkg.dev/${PROJECT}/${AR_REPO}/${LOCUST_IMAGE_NAME}:${LOCUST_IMAGE_TAG} \
    docker-image

La imagen de Docker de Locust que se encuentra adjunta incorpora una tarea de prueba que llama a los extremos /login y /metrics en la aplicación de muestra. En este conjunto de tareas de prueba de ejemplo, la proporción respectiva de las solicitudes enviadas a estos dos extremos será 1 a 999.


class MetricsTaskSet(TaskSet):
    _deviceid = None

    def on_start(self):
        self._deviceid = str(uuid.uuid4())

    @task(1)
    def login(self):
        self.client.post(
            '/login', {"deviceid": self._deviceid})

    @task(999)
    def post_metrics(self):
        self.client.post(
            "/metrics", {"deviceid": self._deviceid, "timestamp": datetime.now()})

class MetricsLocust(FastHttpUser):
    tasks = {MetricsTaskSet}

Verifica que la imagen de Docker esté en tu repositorio de Artifact Registry:

gcloud artifacts docker images list ${REGION}-docker.pkg.dev/${PROJECT}/${AR_REPO} | \
    grep ${LOCUST_IMAGE_NAME}

El resultado es similar a este:

Listing items under project PROJECT, location REGION, repository AR_REPO

REGION-docker.pkg.dev/PROJECT/AR_REPO/locust-tasks  sha256:796d4be067eae7c82d41824791289045789182958913e57c0ef40e8d5ddcf283  2022-04-13T01:55:02  2022-04-13T01:55:02

Implementa la aplicación de ejemplo

Crea y, luego, implementa la aplicación web de muestra como App Engine:

gcloud app create --region=${SAMPLE_APP_LOCATION}
gcloud app deploy sample-webapp/app.yaml \
--project=${PROJECT}

Cuando se te solicite, escribe y para continuar con la implementación.

El resultado es similar a este:

File upload done.
Updating service [default]...done.
Setting traffic split for service [default]...done.
Deployed service [default] to [https://PROJECT.appspot.com]

La aplicación de App Engine de ejemplo implementa los extremos /login y /metrics:

@app.route('/login',  methods=['GET', 'POST'])
def login():
    deviceid = request.values.get('deviceid')
    return '/login - device: {}\n'.format(deviceid)

@app.route('/metrics',  methods=['GET', 'POST'])
def metrics():
    deviceid = request.values.get('deviceid')
    timestamp = request.values.get('timestamp')

    return '/metrics - device: {}, timestamp: {}\n'.format(deviceid, timestamp)

Implementa el Pod principal y los Pods trabajadores:

Sustituye los valores de las variables de entorno por los parámetros de imagen, proyecto y host de destino en los archivos locust-master-controller.yaml y locust-worker-controller.yaml, y crea las implementaciones principales y de trabajador de Locust:

envsubst < kubernetes-config/locust-master-controller.yaml.tpl | kubectl apply -f -
envsubst < kubernetes-config/locust-worker-controller.yaml.tpl | kubectl apply -f -
envsubst < kubernetes-config/locust-master-service.yaml.tpl | kubectl apply -f -

Verifica las implementaciones de Locust:

kubectl get pods -o wide

El resultado presenta el siguiente aspecto:

NAME                             READY   STATUS    RESTARTS   AGE   IP           NODE
locust-master-87f8ffd56-pxmsk    1/1     Running   0          1m    10.32.2.6    gke-gke-load-test-default-pool-96a3f394
locust-worker-58879b475c-279q9   1/1     Running   0          1m    10.32.1.5    gke-gke-load-test-default-pool-96a3f394
locust-worker-58879b475c-9frbw   1/1     Running   0          1m    10.32.2.8    gke-gke-load-test-default-pool-96a3f394
locust-worker-58879b475c-dppmz   1/1     Running   0          1m    10.32.2.7    gke-gke-load-test-default-pool-96a3f394
locust-worker-58879b475c-g8tzf   1/1     Running   0          1m    10.32.0.11   gke-gke-load-test-default-pool-96a3f394
locust-worker-58879b475c-qcscq   1/1     Running   0          1m    10.32.1.4    gke-gke-load-test-default-pool-96a3f394

Verifica los Services:

kubectl get services

El resultado presenta el siguiente aspecto:

NAME                TYPE           CLUSTER-IP      EXTERNAL-IP   PORT(S)             AGE
kubernetes          ClusterIP      10.87.240.1     <none>        443/TCP             12m
locust-master       ClusterIP      10.87.245.22    <none>        5557/TCP,5558/TCP    1m
locust-master-web   LoadBalancer   10.87.246.225   <pending>     8089:31454/TCP       1m

Ejecuta un bucle de observación mientras la dirección IP privada del balanceador de cargas de red de transferencia interno (dirección IP externa de GKE) se aprovisiona para el Service de aplicación web principal de Locust:
```
kubectl get svc locust-master-web --watch
```
Presiona Ctrl+C para salir del bucle de observación una vez que se aprovisiona una dirección EXTERNAL-IP.

Conéctate al frontend web de Locust

Puedes utilizar la interfaz web principal de Locust para ejecutar las tareas de prueba de carga en el sistema a prueba.

Obtén la dirección IP del balanceador de cargas interno del servicio de host web:

export INTERNAL_LB_IP=$(kubectl get svc locust-master-web  \
                               -o jsonpath="{.status.loadBalancer.ingress[0].ip}") && \
                               echo $INTERNAL_LB_IP

Según tu configuración de red, hay dos formas de conectarte a la aplicación web de Locust a través de la dirección IP aprovisionada:
- Enrutamiento de red. Si la red está configurada para permitir el enrutamiento desde la estación de trabajo a la red de VPC del proyecto, puedes acceder directamente a la dirección IP del balanceador de cargas de red de transferencia interno desde la estación de trabajo.
- Proxy y túnel SSH. Si no hay una ruta de red entre tu estación de trabajo y tu red de VPC, puedes enrutar el tráfico a la dirección IP del balanceador de cargas de red de transferencia interno si creas una instancia de Compute Engine con un proxy nginx y un túnel SSH entre tu estación de trabajo y la instancia.

Enrutamiento de herramientas de redes

Si hay una ruta para el tráfico de red entre tu estación de trabajo y tu red de VPC del proyecto de Google Cloud, abre tu navegador y, luego, abre la interfaz web de la instancia principal de Locust. Sustituye [INTERNAL_LB_IP] en la siguiente URL por la dirección IP que observaste en el paso anterior: http://[INTERNAL_LB_IP]:8089.

Proxy y túnel SSH

Configura una variable de entorno con el nombre de la instancia.
```
export PROXY_VM=locust-nginx-proxy
```

Inicia una instancia con un contenedor de Docker ngnix configurado para usar un proxy en el puerto de aplicación web Locust 8089 en el balanceador de cargas de red de transferencia interno:

gcloud compute instances create-with-container ${PROXY_VM} \
   --zone ${ZONE} \
   --container-image gcr.io/cloud-marketplace/google/nginx1:latest \
   --container-mount-host-path=host-path=/tmp/server.conf,mount-path=/etc/nginx/conf.d/default.conf \
   --metadata=startup-script="#! /bin/bash
     cat <<EOF  > /tmp/server.conf
     server {
         listen 8089;
         location / {
             proxy_pass http://${INTERNAL_LB_IP}:8089;
         }
     }
EOF"

Abre un túnel SSH desde Cloud Shell a la instancia de proxy:

gcloud compute ssh --zone ${ZONE} ${PROXY_VM} \
                 -- -N -L 8089:localhost:8089

Haz clic en el ícono Vista previa en la Web () y selecciona Cambiar puerto en las opciones mencionadas.
En el cuadro de diálogo Cambiar puerto de vista previa, ingresa 8089 en el campo Número de puerto y selecciona Cambiar y obtener vista previa.

En un momento, se abrirá una pestaña del navegador con la interfaz web de Locust.

Ejecuta una prueba de carga básica en tu aplicación de ejemplo

Después de abrir el frontend de Locust en tu navegador, verás un cuadro de diálogo que se puede usar para iniciar una nueva prueba de carga.
Especifica la cantidad total de usuarios (simultaneidad máxima) como 10 y la tasa de generación (usuarios iniciados/segundo) como usuarios de 5 por segundo.
A continuación, haz clic en Comenzar a generar (Start swarming) para comenzar la simulación.

Después de que las solicitudes comienzan a generarse, las estadísticas empiezan a agregarse para las métricas de simulación, como la cantidad de solicitudes y las solicitudes por segundo, como se muestra en la siguiente imagen:
Mira el servicio implementado y otras métricas desde la consola de Google Cloud.

Nota: Después de la prueba de generador, es posible que el panel de App Engine tarde varios minutos para mostrar las métricas.
Cuando hayas observado el comportamiento de la aplicación sometida a prueba, haz clic en Detener para terminar la prueba.

Escala verticalmente la cantidad de usuarios (opcional)

Si deseas probar una mayor carga en la aplicación, puedes agregar usuarios simulados. Para poder agregar usuarios simulados, debes asegurarte de que haya suficientes recursos para soportar el aumento de la carga. Con Google Cloud, puedes agregar Pods de trabajadores de Locust a la implementación sin volver a implementar los Pods existentes, siempre que tengas los recursos de VM subyacentes para admitir una mayor cantidad de Pods. El clúster de GKE inicial comienza con 3 nodos y puede escalar de forma automática hasta 10 nodos.

Escala el grupo de pods trabajadores de Locust a 20.
```
kubectl scale deployment/locust-worker --replicas=20
```
Implementa e inicia los Pods nuevos lleva unos minutos.

Si ves el error Pod Unschedulable, debes agregar más nodos al clúster. Para obtener más información, consulta Cambia el tamaño de un clúster de GKE.

Después de que se inicien los Pods, vuelve a la interfaz web del principal de Locust y reinicia las pruebas de carga.

Extiende el patrón

Para extender este patrón, puedes crear nuevas tareas de Locust o incluso cambiar a un framework de pruebas de carga diferente.

Puedes personalizar las métricas que recopilas. Por ejemplo, es posible que desees medir las solicitudes por segundo, supervisar la latencia de la respuesta a medida que aumenta la carga o verificar las tasas de error de respuesta y los tipos de errores.

Para obtener más información, consulta la documentación de Cloud Monitoring.

Realiza una limpieza

Una vez que terminaste el instructivo, puedes limpiar los recursos que creaste para que no se facturen en el futuro.

Borra el proyecto

La manera más fácil de eliminar la facturación es borrar el proyecto que creaste para el instructivo.

Para borrar el proyecto, sigue estos pasos:

Precaución: Borrar un proyecto tiene estas consecuencias:

Se borra todo en el proyecto. Si usaste un proyecto existente para las tareas de este documento, cuando lo borres, también se borrará cualquier otro trabajo que hayas realizado en el proyecto.
Se pierden los ID personalizados de proyectos. Cuando creaste este proyecto, es posible que hayas creado un ID del proyecto personalizado que desees utilizar en el futuro. Para conservar las URL que utilizan el ID del proyecto, como una URL appspot.com, borra los recursos seleccionados dentro del proyecto en lugar de borrar todo el proyecto.

Si planeas explorar varias infraestructuras, instructivos y guías de inicio rápido la reutilización de proyectos puede ayudarte a evitar exceder los límites de las cuotas del proyecto.

En la consola de Google Cloud, ve a la página Administrar recursos.
Ir a Administrar recursos
En la lista de proyectos, elige el proyecto que quieres borrar y haz clic en Borrar.
En el diálogo, escribe el ID del proyecto y, luego, haz clic en Cerrar para borrar el proyecto.

Borra el clúster de GKE

Si no quieres borrar todo el proyecto, ejecuta el comando siguiente para borrar el clúster de GKE:

   gcloud container clusters delete ${GKE_CLUSTER} --region ${REGION}

Pasos siguientes

Cómo compilar aplicaciones web escalables y resistentes.
Revisa la documentación de GKE con más detalle.
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