Visão geral da ferramenta Escalonador automático

Nesta página, apresentamos a ferramenta de escalonamento automático do Spanner, uma ferramenta de código aberto que pode ser usada como complemento do Spanner. Essa ferramenta permite aumentar ou reduzir automaticamente a capacidade de computação em uma ou mais instâncias do Spanner com base na capacidade em uso.

Para mais informações sobre escalonamento no Spanner, consulte Escalonamento automático do Spanner. Para informações sobre como implantar a ferramenta de escalonamento automático, consulte:

Nesta página, apresentamos os recursos, a arquitetura, a configuração e as topologias de implantação do escalonador automático. Os tópicos desta série orientam você sobre a implantação do escalonador automático em cada uma das diferentes topologias.

Escalonador automático

A ferramenta Autoescalador é útil para gerenciar a utilização e o desempenho das implantações do Spanner. Para ajudar você a equilibrar o controle de custos com as necessidades de desempenho, a ferramenta escalonador automático monitora as instâncias e adiciona ou remove automaticamente nós ou unidades de processamento para garantir que eles permaneçam dentro dos parâmetros a seguir:

Com o escalonamento automático de implantações do Spanner, sua infraestrutura se adapta e escalona automaticamente para atender aos requisitos de carga com pouca ou nenhuma intervenção. O escalonamento automático também dimensiona a infraestrutura provisionada, o que pode ajudar a reduzir custos.

Arquitetura

Nesta seção, descrevemos os componentes do escalonador automático e as respectivas finalidades em mais detalhes.

A arquitetura da ferramenta de escalonador automático consiste no Cloud Scheduler, dois tópicos do Pub/Sub, dois no Cloud Functions e no Firestore. A API Cloud Monitoring é usada para receber métricas de utilização da CPU e de armazenamento para instâncias do Spanner.

Cloud Scheduler

Com o Cloud Scheduler, você define com que frequência a ferramenta de escalonamento automático verifica as instâncias do Spanner para escalonar os limites de métricas. Um job do Cloud Scheduler pode verificar instâncias individuais ou ao mesmo tempo. É possível definir quantas programações de jobs forem necessárias.

Poller Cloud Function

A função de pesquisa do Cloud é responsável por coletar e processar as métricas de séries temporais para uma ou mais instâncias do Spanner. O Poller pré-processa os dados de métricas de cada instância do Spanner para que apenas os pontos de dados mais relevantes sejam avaliados e enviados à função do Cloud Functions do escalonador. O pré-processamento feito pela função do Cloud Poller também simplifica o processo de avaliação de limites para instâncias regionais, birregionais e multirregionais do Spanner.

Scaler Cloud Function

O Scaler Cloud Function avalia os pontos de dados recebidos da função do Cloud Poller e determina se você precisa ajustar o número de nós ou unidades de processamento e, em caso afirmativo, o valor. A função do Cloud compara os valores das métricas com o limite, mais ou menos uma margem permitida, e ajusta o número de nós ou unidades de processamento com base no método de escalonamento configurado. Para mais detalhes sobre métodos de escalonamento, consulte Recursos do escalonador automático.

Fluxo operacional

Nesta seção, detalhamos o modelo operacional da ferramenta escalonador automático, conforme mostrado no diagrama de arquitetura a seguir.

Modelo operacional do escalonador automático.

  1. Você define a programação, o horário e a frequência dos jobs de escalonamento automático no Cloud Scheduler.
  2. Na programação que você define, o Cloud Scheduler envia uma mensagem contendo um payload JSON com os parâmetros de configuração da ferramenta escalonador automático para uma ou mais instâncias do Spanner para o tópico de pesquisa do Pub/Sub.
  3. Quando a mensagem é publicada no tópico de pesquisa, uma instância da função de pesquisa do Cloud Functions é criada para processar a mensagem.
  4. A função de pesquisa do Cloud lê o payload da mensagem e consulta a API Cloud Monitoring para recuperar as métricas de utilização para cada instância do Spanner.
  5. Para cada instância do Spanner enumerada na mensagem, a função Poller envia uma mensagem para o tópico "Escalonamento do Pub/Sub", contendo as métricas e os parâmetros de configuração a serem avaliados para a instância específica do Spanner.

  6. Para cada mensagem enviada ao tópico "Escalonador", a Função do Cloud do escalonador faz o seguinte:

    1. Compara as métricas da instância do Spanner com os limites configurados, mais ou menos uma margem configurável.

    Você pode configurar a margem ou usar o valor padrão. 1. Determina se a instância deve ser escalonada. 1. Calcula o número de nós ou unidades de processamento para o qual a instância precisa ser escalonada com base no método de escalonamento escolhido.

  7. A Função do Cloud de escalonamento recupera a hora em que a instância foi escalonada pela última vez no Firestore e a compara com o horário atual para determinar se o escalonamento vertical é permitido com base nos períodos de espera.

  8. Se o período de espera configurado tiver passado, a função do Cloud do escalonador enviará uma solicitação à instância do Spanner para aumentar ou diminuir a escala.

Ao longo do fluxo, a ferramenta autoescalador grava um resumo das recomendações e ações no Cloud Logging para rastreamento e auditoria.

Independentemente da topologia de implantação escolhida, a operação geral da ferramenta escalonador automático permanece a mesma.

Recursos do escalonador automático

Nesta seção, descrevemos os principais recursos da ferramenta Autoescalador.

Gerenciar várias instâncias

A ferramenta de escalonamento automático gerencia várias instâncias do Spanner em diversos projetos. As instâncias multirregionais, birregionais e regionais têm limites de utilização diferentes usados no escalonamento. Por exemplo, as implantações multirregionais e birregionais são escalonadas em 45% de utilização de CPU de alta prioridade, enquanto as implantações regionais são escalonadas a 65% de utilização de CPU de alta prioridade, tanto mais ou menos a margem permitida. Para mais informações sobre os diferentes limites de escalonamento, consulte Alertas de alta utilização da CPU.

Parâmetros de configuração independentes

Cada instância do Spanner com escalonamento automático pode ter uma ou mais programações de pesquisa. Cada programação de pesquisa tem o próprio conjunto de parâmetros de configuração.

Esses parâmetros determinam os seguintes fatores:

  • Os números mínimo e máximo de nós ou unidades de processamento que controlam o tamanho da instância, ajudando você a controlar os custos.
  • O método de escalonamento usado para ajustar a instância do Spanner específica para sua carga de trabalho.
  • Os períodos de espera para permitir que o Spanner gerencie divisões de dados.

Diferentes métodos de escalonamento para cargas de trabalho distintas

A ferramenta de escalonamento automático fornece três métodos diferentes para aumentar e diminuir o escalonamento das instâncias do Spanner: passo a passo, linear e direto. Cada método foi projetado para aceitar diferentes tipos de cargas de trabalho. É possível aplicar um ou mais métodos a cada instância do Spanner que está sendo escalonada automaticamente ao criar programações de pesquisa independentes.

Etapas

O escalonamento gradual é útil para cargas de trabalho com picos pequenos ou múltiplos. Ele provisiona capacidade para suavizar tudo isso com um único evento de escalonamento automático.

O gráfico a seguir mostra um padrão de carga com vários platôs ou etapas de carga, em que cada um tem vários picos pequenos. Esse padrão é adequado para o método por etapas.

Padrão de carga com várias etapas.

Quando o limite de carga é ultrapassado, esse método provisiona e remove nós ou unidades de processamento usando um número fixo, mas configurável. Por exemplo, três nós são adicionados ou removidos para cada ação de escalonamento. Ao alterar a configuração, é possível permitir que incrementos de capacidade maiores sejam adicionados ou removidos a qualquer momento.

Linear

O escalonamento linear é melhor usado com padrões de carga que mudam mais gradualmente ou têm alguns picos grandes. O método calcula o número mínimo de nós ou unidades de processamento necessárias para manter a utilização abaixo do limite de escalonamento. O número de nós ou unidades de processamento adicionados ou removidos em cada evento de escalonamento não está limitado a um valor fixo da etapa.

O padrão de carregamento de amostra no gráfico a seguir mostra aumentos e quedas repentinas maiores na carga. Essas flutuações não são agrupadas em etapas compreensíveis como estão no gráfico anterior. Esse padrão é facilitado com mais facilidade usando o escalonamento linear.

Carregar padrão com flutuações.

A ferramenta de escalonamento automático usa a proporção de utilização observada sobre o limite de utilização para calcular se é necessário adicionar ou subtrair nós ou unidades de processamento do número total atual.

A fórmula para calcular o novo número de nós ou unidades de processamento é a seguinte:

newSize = currentSize * currentUtilization / utilizationThreshold

Direta

O escalonamento direto aumenta a capacidade imediatamente. Esse método destina-se a aceitar cargas de trabalho em lote em que uma contagem de nós maior predeterminada é necessária periodicamente em uma programação com um horário de início conhecido. Esse método escalona a instância até o número máximo de nós ou unidades de processamento especificado na programação e destina-se a ser usado junto com um método linear ou passo a passo.

O gráfico a seguir mostra o grande aumento planejado na carga, que o escalonador automático pré-provisionado para usar o método direto.

Padrão de carga com escalonamento direto pré-provisionado.

Depois que a carga de trabalho em lote for concluída e a utilização retornar aos níveis normais, dependendo da configuração, o escalonamento linear ou em etapa será aplicado para reduzir a instância automaticamente.

Métodos de implantação

A ferramenta de escalonamento automático pode ser implantada em um projeto individual ou junto com as instâncias do Spanner que gerencia. Essa ferramenta foi projetada para oferecer flexibilidade e acomodar a separação atual de responsabilidades entre as equipes de operação e de aplicativo. A responsabilidade de configurar o escalonamento automático de instâncias do Spanner pode ser centralizada com uma única equipe de operações ou distribuída para as equipes mais próximas aos aplicativos atendidos por essas instâncias do Spanner.

Os diferentes modelos de implantação são discutidos com mais detalhes em Topologias de implantação.

Sem servidor para facilitar a implantação e o gerenciamento

O escalonador automático é criado usando apenas ferramentas do Google Cloud sem servidor e de baixo gerenciamento, como Cloud Functions, Pub/Sub, Cloud Scheduler e Firestore. Essa abordagem minimiza o custo e o overhead operacional da execução da ferramenta autoescalador.

Usando as ferramentas integradas do Google Cloud, a ferramenta de escalonamento automático pode aproveitar ao máximo o IAM (IAM) para autenticação e autorização.

Configuração

A ferramenta de escalonamento automático tem diferentes opções de configuração que podem ser usadas para gerenciar o escalonamento das implantações do Spanner. As próximas seções descrevem as opções de configuração básica e mais avançadas.

Configuração básica

A ferramenta de escalonamento automático gerencia instâncias do Spanner por meio da configuração definida no Cloud Scheduler. Se várias instâncias do Spanner precisarem ser pesquisadas com o mesmo intervalo, recomendamos que você as configure no mesmo job do Cloud Scheduler. A configuração de cada instância é representada como um objeto JSON. Veja a seguir um exemplo de configuração em que duas instâncias do Spanner são gerenciadas com um job do Cloud Scheduler:

   [
    {
        "projectId": "my-spanner-project", "instanceId": "spanner1",
        "scalerPubSubTopic": "projects/my-spanner-project/topics/spanner-scaling",
        "units": "NODES", "minSize": 1, "maxSize": 3
     },
     {
        "projectId":
        "different-project", "instanceId": "another-spanner1", "scalerPubSubTopic":
        "projects/my-spanner-project/topics/spanner-scaling", "units":
        "PROCESSING_UNITS", "minSize": 500, "maxSize": 3000, "scalingMethod": "DIRECT"
    }
   ]

As instâncias do Spanner podem ter várias configurações em diferentes jobs do Cloud Scheduler. Por exemplo, uma instância pode ter uma configuração do escalonador automático com o método linear para operações normais, mas também ter outra configuração do escalonador automático com o método direto para cargas de trabalho em lote planejada.

Quando o job do Cloud Scheduler é executado, ele envia uma mensagem do Pub/Sub para o tópico de pesquisa do Pub/Sub. O payload dessa mensagem é a matriz JSON dos objetos de configuração para todas as instâncias configuradas no mesmo job. Consulte a lista completa de opções de configuração no arquivo README da função de pesquisa.

Configuração avançada

A ferramenta de escalonamento automático tem opções de configuração avançadas que permitem controlar com mais precisão quando e como as instâncias do Spanner são gerenciadas. As seções a seguir apresentam uma seleção desses controles.

Limites personalizados

A ferramenta de escalonamento automático determina o número de nós ou unidades de processamento a serem adicionados ou subtraídos a uma instância usando os limites recomendados do Spanner para as seguintes métricas de carga:

  • CPU de alta prioridade
  • CPU em média contínua de 24 horas
  • Uso do armazenamento

Recomendamos que você use os limites padrão, conforme descrito em Como criar alertas para métricas do Spanner. No entanto, em alguns casos, talvez você queira modificar os limites usados pela ferramenta autoescalador. Por exemplo, é possível usar limites mais baixos para que a ferramenta de escalonamento automático reaja mais rapidamente do que para limites mais altos. Essa modificação ajuda a evitar que alertas sejam acionados em limites mais altos.

Métricas personalizadas

As métricas padrão na ferramenta escalonador automático abordam a maioria dos cenários de desempenho e escalonamento. No entanto, em algumas situações, pode ser necessário especificar as próprias métricas usadas para determinar quando aumentar e diminuir o escalonamento. Nesses cenários, você define métricas personalizadas na configuração usando a propriedade metrics.

Margens

Uma margem define um limite superior e um limite menor em torno do limite. A ferramenta de escalonamento automático aciona um evento de escalonamento automático apenas quando o valor da métrica é maior ou menor que o limite máximo.

O objetivo desse parâmetro é evitar que eventos de escalonamento automático sejam acionados por pequenas flutuações de carga de trabalho ao redor do limite, reduzindo a quantidade de flutuação nas ações do escalonador automático. O limite e a margem juntos definem o intervalo a seguir, de acordo com o valor da métrica que você quer que seja: 

[threshold - margin, threshold + margin]
. Quanto menor a margem, mais estreito será o intervalo, resultando em uma maior probabilidade de acionamento de um evento de escalonamento automático.

Especificar um parâmetro de margem para uma métrica é opcional e o padrão é cinco pontos percentuais antes e abaixo do parâmetro.

Topologias de implantação

Para implantar a ferramenta de escalonador automático, decida qual das topologias a seguir é melhor para atender às suas necessidades técnicas e operacionais:

  • Topologia por projeto: a infraestrutura do escalonador automático é implantada no mesmo projeto que o Spanner, que precisa ser escalonado automaticamente.
  • Topologia centralizada: a ferramenta de escalonamento automático é implantada em um projeto e gerencia uma ou mais instâncias do Spanner em projetos diferentes.
  • Topologia distribuída: a maior parte da infraestrutura do escalonador automático é implantada em um projeto, mas alguns componentes são implantados com as instâncias do Spanner sendo escalonadas automaticamente em projetos diferentes.

Topologia por projeto

Em uma implantação de topologia por projeto, cada projeto com uma instância do Spanner que precisa ser escalonado automaticamente também tem sua própria implantação independente dos componentes do escalonador automático. Recomendamos essa topologia para equipes independentes que querem gerenciar a própria configuração e infraestrutura para o escalonador automático. Também é um bom ponto de partida para testar os recursos da ferramenta Escalonador automático.

No diagrama a seguir, mostramos uma visão conceitual de alto nível de uma implantação por projeto.

Implantação conceitual por projeto.

As implantações por projeto descritas no diagrama anterior têm estas características:

  • Dois aplicativos, Aplicativo 1 e Aplicativo 2, usam as próprias instâncias do Spanner.
  • As instâncias do Spanner (A) residem nos respectivos projetos do Aplicativo 1 e do Aplicativo 2.
  • Um escalonador automático independente (B) é implantado em cada projeto para controlar o escalonamento automático das instâncias em um projeto.

Para um diagrama mais detalhado de uma implantação por projeto, consulte a seção Arquitetura.

Uma implantação por projeto tem as seguintes vantagens e desvantagens.

Vantagens:

  • Design mais simples: a topologia por projeto é o design mais simples das três topologias, já que todos os componentes do escalonador automático são implantados junto com as instâncias do Spanner que estão sendo escalonadas automaticamente.
  • Configuração: o controle sobre os parâmetros do programador pertence à equipe proprietária da instância do Spanner. Isso dá à equipe mais liberdade para adaptar a ferramenta do escalonador automático às necessidades do que uma topologia centralizada ou distribuída.
  • Liberação clara da responsabilidade da infraestrutura: o design de uma topologia por projeto estabelece um limite claro de responsabilidade e segurança em relação à infraestrutura do escalonador automático porque o proprietário da equipe das instâncias do Spanner também é proprietária da infraestrutura do escalonador automático.

Desvantagens:

  • Mais manutenção geral: cada equipe é responsável pela configuração e pela infraestrutura do escalonador automático. Por isso, pode ser difícil garantir que todas as ferramentas dele na empresa sigam as mesmas diretrizes de atualização.
  • Auditoria mais complexa: como cada equipe tem um alto nível de controle, uma auditoria centralizada pode se tornar mais complexa.

Para saber como configurar o escalonador automático usando uma topologia por projeto, consulte Implantar uma ferramenta de escalonador automático centralizada ou por projeto no Spanner.

Topologia centralizada

Assim como na topologia por projeto, em uma implantação de topologia centralizada, todos os componentes da ferramenta do escalonador automático residem no mesmo projeto. No entanto, as instâncias do Spanner estão localizadas em diferentes projetos. Essa implantação é adequada para uma equipe que gerencia a configuração e a infraestrutura de várias instâncias do Spanner a partir de uma única implantação da ferramenta escalonador automático em um local central.

O diagrama a seguir mostra uma visão conceitual de alto nível de uma implantação de projeto centralizado:

Implantação conceitual de projeto centralizado.

A implantação centralizada mostrada no diagrama anterior tem as seguintes características:

  • Dois aplicativos, Aplicativo 1 e Aplicativo 2, usam as próprias instâncias do Spanner.
  • As instâncias do Spanner (A) estão nos respectivos projetos do Aplicativo 1 e do Aplicativo 2.
  • O escalonador automático (B) é implantado em um projeto separado para controlar o escalonamento automático das instâncias do Spanner nos projetos do Aplicativo 1 e do Aplicativo 2.

Para um diagrama mais detalhado de uma implantação de projeto centralizado, consulte Implantar uma ferramenta de escalonamento automático centralizada por projeto ou centralizada para o Spanner.

Uma implantação centralizada tem as seguintes vantagens e desvantagens:

Vantagens:

  • Configuração e infraestrutura centralizadas: uma única equipe controla os parâmetros do programador e a infraestrutura do escalonador automático. Essa abordagem pode ser útil em setores muito regulamentados.
  • Menor manutenção geral: a manutenção e a configuração geralmente exigem menos esforço de manutenção em comparação com uma implantação por projeto.
  • Políticas centralizadas e auditoria: pode ser mais fácil especificar e encapsular as práticas recomendadas entre equipes. Pode ser mais fácil fazer as auditorias.

Desvantagens:

  • Configuração centralizada: qualquer alteração nos parâmetros do escalonador automático precisa passar pela equipe centralizada, mesmo que a equipe que solicitou a alteração seja proprietária da instância do Spanner.
  • Potencial de risco adicional: a própria equipe centralizada pode se tornar um ponto único de falha, mesmo que a infraestrutura do escalonador automático seja projetada tendo a alta disponibilidade em mente.

Para ver um tutorial passo a passo de como configurar a ferramenta de escalonamento automático usando essa opção, consulte Implantar uma ferramenta de escalonamento automático centralizada por projeto ou centralizada para o Spanner.

Topologia distribuída

Em uma implantação de topologia distribuída, as instâncias do Cloud Scheduler e do Spanner que precisam ser escalonadas automaticamente residem no mesmo projeto. Os componentes restantes da ferramenta escalonador automático residem em um projeto gerenciado centralmente. Esta é uma implantação híbrida. As equipes que possuem as instâncias do Spanner gerenciam apenas os parâmetros de configuração do escalonador automático para suas instâncias, e uma equipe central gerencia a infraestrutura restante do escalonador automático.

O diagrama a seguir mostra uma visualização conceitual de alto nível de uma implantação de projeto distribuído.

Implantação conceitual de projeto distribuído.

A implantação híbrida representada no diagrama anterior tem as seguintes características:

  • Dois aplicativos, Aplicativo 1 e Aplicativo 2, usam as próprias instâncias do Spanner.
  • As instâncias do Spanner (A) estão nos projetos do Aplicativo 1 e do Aplicativo 2.
  • Um componente independente do Cloud Scheduler (C) é implantado em cada projeto: Aplicativo 1 e Aplicativo 2.
  • Os componentes restantes do escalonador automático (B) são implantados em um projeto separado.
  • A ferramenta de escalonamento automático faz o escalonamento automático das instâncias do Spanner nos projetos do Aplicativo 1 e do Aplicativo 2 usando as configurações enviadas pelos componentes independentes do Cloud Scheduler em cada projeto.

Para um diagrama mais detalhado da implantação do projeto centralizado, consulte Implantar uma ferramenta de escalonador automático distribuído para o Spanner.

Uma implantação distribuída tem as seguintes vantagens e desvantagens.

Vantagens:

  • Equipes de aplicativo controlam a configuração e as programações: o Cloud Scheduler é implantado junto com as instâncias do Spanner que estão sendo escalonadas automaticamente, oferecendo às equipes de aplicativos mais controle sobre a configuração e a programação.
  • A equipe de operações controla a infraestrutura: os componentes principais da ferramenta escalonador automático são implantados de forma centralizada, para que as equipes de operações controlem a infraestrutura do escalonador automático.
  • Manutenção centralizada: a infraestrutura do escalonador é centralizada, reduzindo a sobrecarga.

Desvantagens:

  • Configuração mais complexa: as equipes de aplicativos precisam fornecer contas de serviço para fazer gravações no tópico de pesquisa.
  • Potencial de risco adicional: a infraestrutura compartilhada pode se tornar um ponto único de falha, mesmo que seja projetada tendo a alta disponibilidade em mente.

Para aprender a configurar a ferramenta Autoescalador em uma implantação distribuída, consulte Implantar uma ferramenta de Autoescalador distribuído para o Spanner.

Divisão de dados

O Spanner atribui intervalos de dados chamados divisões a nós ou subdivisões de um nó chamado unidades de processamento. O nó ou as unidades de processamento gerenciam e veiculam os dados de maneira independente nas divisões repartidas. As divisões de dados são criadas com base em vários fatores, incluindo volume de dados e padrões de acesso. Para mais detalhes, consulte Spanner: esquema e modelo de dados.

Os dados são organizados em divisões, e o Spanner gerencia automaticamente as divisões. Portanto, quando a ferramenta de escalonamento automático adiciona ou remove nós ou unidades de processamento, é necessário que o back-end do Spanner tenha tempo suficiente para reatribuir e reorganizar as divisões à medida que nova capacidade é adicionada ou removida das instâncias.

A ferramenta de escalonamento automático usa períodos de espera em eventos de aumento e redução de escalonamento para controlar a rapidez com que é possível adicionar ou remover nós ou unidades de processamento de uma instância. Esse método dá à instância o tempo necessário para reorganizar as relações entre as notas de computação ou as unidades de processamento e as divisões de dados. Por padrão, os períodos de espera de escalonamento vertical e redução são definidos como os seguintes valores mínimos:

  • Valor de escalonamento vertical: 5 minutos
  • Valor de redução: 30 minutos

Para mais informações sobre recomendações de escalonamento e períodos de espera, consulte Como escalonar instâncias do Spanner.

Custos

O consumo de recursos da ferramenta escalonador automático é mínimo, portanto, na maioria dos casos de uso, os custos são insignificantes. Não há custo quando o escalonador automático é usado no Google Cloud. Por exemplo, a execução de uma ferramenta de escalonador automático para gerenciar três instâncias do Spanner com um intervalo de pesquisa de cinco minutos para cada instância está disponível sem custos financeiros. Essa estimativa inclui o seguinte:

  • 3 jobs do Cloud Scheduler
  • 0,15 GB de mensagens do Pub/Sub
  • 51.840 invocações de 500 ms do Cloud Functions
  • Menos de 10 MB de dados no Firestore

A estimativa não inclui os custos de operação do banco de dados do Spanner. Use a calculadora de preços para gerar uma estimativa de custo com base na projeção de uso.

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