使用Kubeflow构建机器学习流水线

在此前的文章中，我已经向你介绍了Kubeflow，这是一个为团队设置的机器学习平台，需要构建机器学习流水线。

在本文中，我们将了解如何采用现有的机器学习详细并将其变成Kubeflow的机器学习流水线，进而可以部署在Kubernetes上。在进行本次练习的时候，请考虑你该如何将现有的机器学习项目转换到Kubeflow上。

我将使用Fashion MNIST作为例子，因为在本次练习中模型的复杂性并不是我们需要解决的主要目标。对于这一简单的例子，我将流水线分为3个阶段：

• Git clone代码库
• 下载并重新处理训练和测试数据
• 训练评估

当然，你可以根据自己的用例将流水线以任意形式拆分，并且可以随意扩展流水线。

获取代码

你可以从Github上获取代码：

% git clone https://github.com/benjamintanweihao/kubeflow-mnist.git

以下是我们用来创建流水线的完整清单。实际上，你的代码很可能跨多个库和文件。在我们的例子中，我们将代码分为两个脚本，preprocessing.py和train.py。

from tensorflow import keras
import argparse
import os
import pickle


def preprocess(data_dir: str):
    fashion_mnist = keras.datasets.fashion_mnist
    (train_images, train_labels), (test_images, test_labels) = fashion_mnist.load_data()

    train_images = train_images / 255.0
    test_images = test_images / 255.0

    os.makedirs(data_dir, exist_ok=True)

    with open(os.path.join(data_dir, 'train_images.pickle'), 'wb') as f:
  pickle.dump(train_images, f)

    with open(os.path.join(data_dir, 'train_labels.pickle'), 'wb') as f:
  pickle.dump(train_labels, f)

    with open(os.path.join(data_dir, 'test_images.pickle'), 'wb') as f:
        pickle.dump(test_images, f)

    with open(os.path.join(data_dir, 'test_labels.pickle'), 'wb') as f:
        pickle.dump(test_labels, f)

if __name__ == '__main__':
    parser = argparse.ArgumentParser(description='Kubeflow MNIST training script')
    parser.add_argument('--data_dir', help='path to images and labels.')
    args = parser.parse_args()

    preprocess(data_dir=args.data_dir)

处理脚本采用单个参数data_dir。它下载并预处理数据，并将pickled版本保存在data_dir中。在生产代码中，这可能是TFRecords的存储目录。

train.py

import calendar
import os
import time

import tensorflow as tf
import pickle
import argparse

from tensorflow import keras
from constants import PROJECT_ROOT


def train(data_dir: str):
    # Training
    model = keras.Sequential([
          keras.layers.Flatten(input_shape=(28, 28)),
          keras.layers.Dense(128, activation='relu'),
          keras.layers.Dense(10)])

    model.compile(optimizer='adam',
              loss=tf.keras.losses.SparseCategoricalCrossentropy(from_logits=True),
                  metrics=['accuracy'])

    with open(os.path.join(data_dir, 'train_images.pickle'), 'rb') as f:
        train_images = pickle.load(f)

    with open(os.path.join(data_dir, 'train_labels.pickle'), 'rb') as f:
        train_labels = pickle.load(f)

    model.fit(train_images, train_labels, epochs=10)

    with open(os.path.join(data_dir, 'test_images.pickle'), 'rb') as f:
        test_images = pickle.load(f)

    with open(os.path.join(data_dir, 'test_labels.pickle'), 'rb') as f:
        test_labels = pickle.load(f)

    # Evaluation
    test_loss, test_acc = model.evaluate(test_images, test_labels, verbose=2)

    print(f'Test Loss: {test_loss}')
    print(f'Test Acc: {test_acc}')

    # Save model
    ts = calendar.timegm(time.gmtime())
    model_path = os.path.join(PROJECT_ROOT, f'mnist-{ts}.h5')
    tf.saved_model.save(model, model_path)

    with open(os.path.join(PROJECT_ROOT, 'output.txt'), 'w') as f:
        f.write(model_path)
        print(f'Model written to: {model_path}')


if __name__ == '__main__':
    parser = argparse.ArgumentParser(description='Kubeflow FMNIST training script')
    parser.add_argument('--data_dir', help='path to images and labels.')
    args = parser.parse_args()

    train(data_dir=args.data_dir)

在train.py中，将建立模型，并使用data_dir指定训练和测试数据的位置。模型训练完毕并且开始执行评估后，将模型写入带有时间戳的路径。请注意，该路径也已写入output.txt。稍后将对此进行引用。

开发Kubeflow流水线

为了开始创建Kubeflow流水线，我们需要拉取一些依赖项。我准备了一个environment.yml，其中包括了kfp 0.5.0、tensorflow以及其他所需的依赖项。

你需要安装Conda，然后执行以下步骤：

% conda env create -f environment.yml
% source activate kubeflow-mnist
% python preprocessing.py --data_dir=/path/to/data
% python train.py --data_dir=/path/to/data

现在我们来回顾一下我们流水线中的几个步骤：

• Git clone代码库
• 下载并预处理训练和测试数据
• 训练并进行评估

在我们开始写代码之前，需要从宏观上了解Kubeflow流水线。

流水线由连接组件构成。一个组件的输出成为另一个组件的输入，每个组件实际上都在容器中执行（在本例中为Docker）。将发生的情况是，我们会执行一个我们稍后将要指定的Docker镜像，它包含了我们运行preprocessing.py和train.py所需的一切。当然，这两个阶段会有它们的组件。

我们还需要额外的一个镜像以git clone项目。我们需要将项目bake到Docker镜像，但在实际项目中，这可能会导致Docker镜像的大小膨胀。

说到Docker镜像，我们应该先创建一个。

Step0：创建一个Docker镜像

如果你只是想进行测试，那么这个步骤不是必须的，因为我已经在Docker Hub上准备了一个镜像。这是Dockerfile的全貌：

FROM tensorflow/tensorflow:1.14.0-gpu-py3
LABEL MAINTAINER "Benjamin Tan <[e-mail]>"
SHELL ["/bin/bash", "-c"]

# Set the locale
RUN echo 'Acquire {http::Pipeline-Depth "0";};' >> /etc/apt/apt.conf
RUN DEBIAN_FRONTEND="noninteractive"
RUN apt-get update  && apt-get -y install --no-install-recommends locales && locale-gen en_US.UTF-8
ENV LANG en_US.UTF-8
ENV LANGUAGE en_US:en
ENV LC_ALL en_US.UTF-8

RUN apt-get install -y --no-install-recommends \
    wget \
    git \
    python3-pip \
    openssh-client \
    python3-setuptools \
    google-perftools && \
    rm -rf /var/lib/apt/lists/*

# install conda
WORKDIR /tmp
RUN wget --quiet https://repo.anaconda.com/miniconda/Miniconda3-4.7.12-Linux-x86_64.sh -O ~/miniconda.sh && \
    /bin/bash ~/miniconda.sh -b -p /opt/conda && \
    rm ~/miniconda.sh && \
    ln -s /opt/conda/etc/profile.d/conda.sh /etc/profile.d/conda.sh && \
    echo ". /opt/conda/etc/profile.d/conda.sh" >> ~/.bashrc

# build conda environments
COPY environment.yml /tmp/kubeflow-mnist/conda/
RUN /opt/conda/bin/conda update -n base -c defaults conda
RUN /opt/conda/bin/conda env create -f /tmp/kubeflow-mnist/conda/environment.yml
RUN /opt/conda/bin/conda clean -afy

# Cleanup
RUN rm -rf /workspace/{nvidia,docker}-examples && rm -rf /usr/local/nvidia-examples && \
    rm /tmp/kubeflow-mnist/conda/environment.yml

# switch to the conda environment
RUN echo "conda activate kubeflow-mnist" >> ~/.bashrc
ENV PATH /opt/conda/envs/kubeflow-mnist/bin:$PATH
RUN /opt/conda/bin/activate kubeflow-mnist

# make /bin/sh symlink to bash instead of dash:
RUN echo "dash dash/sh boolean false" | debconf-set-selections && \
    DEBIAN_FRONTEND=noninteractive dpkg-reconfigure dash

# Set the new Allocator
ENV LD_PRELOAD /usr/lib/x86_64-linux-gnu/libtcmalloc.so.

关于Dockerfile值得关注的重要一点是Conda环境是否设置完成并准备就绪。要构建镜像：

% docker build -t your-user-name/kubeflow-mnist . -f Dockerfile
% docker push your-user-name/kubeflow-mnist

那么，现在让我们来创建第一个组件！

在pipeline.py中可以找到以下代码片段。

Step1：Git Clone

在这一步中，我们将从远程的Git代码库中执行一个git clone。特别是，我想要向你展示如何从私有仓库中进行git clone，因为这是大多数企业的项目所在的位置。当然，这也是一个很好的机会来演示Rancher中一个很棒的功能，它能简单地添加诸如SSH密钥之类的密钥。

使用Rancher添加密钥

访问Rancher界面。在左上角，选择local，然后选择二级菜单的Default：

然后，选择Resources下的Secrets

你应该看到一个密钥的列表，它们正在被你刚刚选择的集群所使用。点击Add Secret：

使用你在下图中所看到的值来填写该页面。如果kubeflow没有在命名空间栏下展示出来，你可以通过选择Add to a new namespace并且输入kubeflow简单地创建一个。

确保Scope仅是个命名空间。如果将Scope设置为所有命名空间，那么将使得在Default项目中的任意工作负载都能够使用你的ssh密钥。

在Secret Values中，key是id_rsa，值是id_rsa的内容。完成之后，点击Save。

如果一些进展顺利，你将会看到下图的内容。现在你已经成功地在kubeflow命名空间中添加了你的SSH密钥，并且无需使用kubectl！

既然我们已经添加了我们的SSH key，那么是时候回到代码。我们如何利用新添加的SSH密钥来访问私有git仓库？

def git_clone_darkrai_op(repo_url: str):

    volume_op = dsl.VolumeOp(
        name="create pipeline volume",
        resource_name="pipeline-pvc",
        modes=["ReadWriteOnce"],
        size="3Gi"
    )

    image = 'alpine/git:latest'

    commands = [
        "mkdir ~/.ssh",
        "cp /etc/ssh-key/id_rsa ~/.ssh/id_rsa",
        "chmod 600 ~/.ssh/id_rsa",
        "ssh-keyscan bitbucket.org >> ~/.ssh/known_hosts",
        f"git clone {repo_url} {PROJECT_ROOT}",
        f"cd {PROJECT_ROOT}"]

    op = dsl.ContainerOp(
        name='git clone',
        image=image,
        command=['sh'],
        arguments=['-c', ' && '.join(commands)],
        container_kwargs={'image_pull_policy': 'IfNotPresent'},
        pvolumes={"/workspace": volume_op.volume}
    )

    # Mount Git Secrets
    op.add_volume(V1Volume(name='ssh-key-volume',
                           secret=V1SecretVolumeSource(secret_name='ssh-key-secret')))
    op.add_volume_mount(V1VolumeMount(mount_path='/etc/ssh-key', name='ssh-key-volume', read_only=True))

    return op

首先，创建一个Kubernetes volume，预定义大小为3Gi。其次，将image变量指定为我们将要使用的alpine/git Docker镜像。之后是在Docker容器中执行的命令列表。这些命令实质上是设置SSH密钥的，以便于流水线可以从私有仓库git clone，或者使用git://URL来代替 https://。

该函数的核心是下面一行，返回一个dsl.ContainerOp。

command和arguments指定了执行镜像之后需要执行的命令。

最后一个变量十分有趣，是pvolumes，它是Pipeline Volumes简称。它创建一个Kubernetes volume并允许流水线组件来共享单个存储。该volume被挂载在/workspace上。那么这个组件要做的就是把仓库git clone到/workspace中。

使用Secrets

再次查看命令和复制SSH密钥的位置。

流水线volume在哪里创建呢？当我们将所有组件都整合到一个流水线中时，就会看到创建好的volume。我们在/etc/ssh-key/上安装secrets：

op.add_volume_mount(V1VolumeMount(mount_path='/etc/ssh-key', name='ssh-key-volume', read_only=True))

请记得我们将secret命名为ssh-key-secret：

op.add_volume(V1Volume(name='ssh-key-volume',
                           secret=V1SecretVolumeSource(secret_name='ssh-key-secret')))

通过使用相同的volume名称ssh-key-volume，我们可以把一切绑定在一起。

Step2：预处理

def preprocess_op(image: str, pvolume: PipelineVolume, data_dir: str):
    return dsl.ContainerOp(
        name='preprocessing',
        image=image,
        command=[CONDA_PYTHON_CMD, f"{PROJECT_ROOT}/preprocessing.py"],
        arguments=["--data_dir", data_dir],
        container_kwargs={'image_pull_policy': 'IfNotPresent'},
        pvolumes={"/workspace": pvolume}
    )

正如你所看到的， 预处理步骤看起来十分相似。

image指向我们在Step0中创建的Docker镜像。

这里的command使用指定的conda python简单地执行了preprocessing.py脚本。变量data_dir被用于执行preprocessing.py脚本。

在这一步骤中pvolume将在/workspace里有仓库，这意味着我们所有的脚本在这一阶段都是可用的。并且在这一步中预处理数据会存储在/workspace下的data_dir中。

Step3：训练和评估

def train_and_eval_op(image: str, pvolume: PipelineVolume, data_dir: str, ):
    return dsl.ContainerOp(
        name='training and evaluation',
        image=image,
        command=[CONDA_PYTHON_CMD, f"{PROJECT_ROOT}/train.py"],
        arguments=["--data_dir", data_dir],
        file_outputs={'output': f'{PROJECT_ROOT}/output.txt'},
        container_kwargs={'image_pull_policy': 'IfNotPresent'},
        pvolumes={"/workspace": pvolume}
    )

最后，是时候进行训练和评估这一步骤。这一步唯一的区别在于file_outputs变量。如果我们再次查看train.py，则有以下代码段：

    with open(os.path.join(PROJECT_ROOT, 'output.txt'), 'w') as f:
        f.write(model_path)
        print(f'Model written to: {model_path}')

我们正在将模型路径写入名为output.txt的文本文件中。通常，可以将其发送到下一个流水线组件，在这种情况下，该参数将包含模型的路径。

将一切放在一起

要指定流水线，你需要使用dsl.pipeline来注释流水线功能：

@dsl.pipeline(
    name='Fashion MNIST Training Pipeline',
    description='Fashion MNIST Training Pipeline to be executed on KubeFlow.'
)
def training_pipeline(image: str = 'benjamintanweihao/kubeflow-mnist',
                      repo_url: str = 'https://github.com/benjamintanweihao/kubeflow-mnist.git',
                      data_dir: str = '/workspace'):
    git_clone = git_clone_darkrai_op(repo_url=repo_url)

    preprocess_data = preprocess_op(image=image,
                                    pvolume=git_clone.pvolume,
                                    data_dir=data_dir)

    _training_and_eval = train_and_eval_op(image=image,
                                           pvolume=preprocess_data.pvolume,
                                           data_dir=data_dir)

if __name__ == '__main__':
    import kfp.compiler as compiler
    compiler.Compiler().compile(training_pipeline, __file__ + '.tar.gz')

还记得流水线组件的输出是另一个组件的输入吗？在这里，git clone、container_op的pvolume将传递到preprocess_cp。

最后一部分将pipeline.py转换为可执行脚本。最后一步是编译流水线：

% dsl-compile --py pipeline.py --output pipeline.tar.gz

上传并执行流水线

现在要进行最有趣的部分啦！第一步，上传流水线。点击Upload a pipeline：

接下来，填写Pipeline Name和Pipeline Description，然后选择Choose file并且指向pipeline.tar.gz以上传流水线。

下一页将会展示完整的流水线。我们所看到的是一个流水线的有向无环图，在本例中这意味着依赖项会通往一个方向并且它不包含循环。点击蓝色按钮Create run 以开始训练。

大部分字段已经已经填写完毕。请注意，Run parameters与使用@ dsl.pipeline注释的training_pipeline函数中指定的参数相同：

最后，当你点击蓝色的Start按钮时，整个流水线就开始运转了！你点击每个组件并查看日志就能够知道发生了什么。当整个流水线执行完毕时，在所有组件的右方会有一个绿色的确认标志，如下所示：

结论

如果你从上一篇文章开始就一直在关注，那么你应该已经安装了Kubeflow，并且应该能体会到大规模管理机器学习项目的复杂性。

在这篇文章中，我们先介绍了为Kubeflow准备一个机器学习项目的过程，然后是构建一个Kubeflow流水线，最后是使用Kubeflow接口上传并执行流水线。这种方法的奇妙之处在于，你的机器学习项目可以是简单的，也可以是复杂的，只要你愿意，你就可以使用相同的技术。

因为Kubeflow使用Docker容器作为组件，你可以自由地加入任何你喜欢的工具。而且由于Kubeflow运行在Kubernetes上，你可以让Kubernetes处理机器学习工作负载的调度。

我们还了解了一个我喜欢的Rancher功能，它十分方便，可以轻松添加secrets。立刻，你就可以轻松地组织secrets（如SSH密钥），并选择将其分配到哪个命名空间，而无需为Base64编码而烦恼。就像Rancher的应用商店一样，这些便利性使Kubernetes的工作更加愉快，更不容易出错。

当然，Rancher提供的服务远不止这些，我鼓励你自己去做一些探索。我相信你会偶然发现一些让你大吃一惊的功能。Rancher作为一个开源的企业级Kubernetes管理平台，Run Kubernetes Everywhere一直是我们的愿景和宗旨。开源和无厂商锁定的特性，可以让用户轻松地在不同的基础设施部署和使用Rancher。此外，Rancher极简的操作体验也可以让用户在不同的场景中利用Rancher提升效率，帮助开发人员专注于创新，而无需在繁琐的小事中浪费精力。