像Google一样构建机器学习系统2 - 开发你的机器学习工作流

2022-05-09 08:12:12

本系列将利用阿里云容器服务，帮助您上手Kubeflow Pipelines.

按照上篇文章搭建了一套Kubeflow Pipelines之后，我们一起小试牛刀，用一个真实的案例，学习如何开发一套基于Kubeflow Pipelines的机器学习工作流。

准备工作

机器学习工作流是一个任务驱动的流程，同时也是数据驱动的流程，这里涉及到数据的导入和准备，模型训练Checkpoint的导出评估，到最终模型的导出。这就需要分布式存储作为传输的媒介，这里使用NAS作为分布式存储。

  • 创建分布式存储，这里以NAS为例。这里NFS_SERVER_IP需要替换成真实NAS服务器地址

1.创建阿里云NAS服务，可以参考文档

2.需要在 NFS Server 中创建 /data

# mkdir -p /nfs
# mount -t nfs -o vers=4.0 NFS_SERVER_IP:/ /nfs
# mkdir -p /data
# cd /
# umount /nfs

3.创建对应的Persistent Volume.

# cat nfs-pv.yaml
apiVersion: v1
kind: PersistentVolume
metadata:
  name: user-susan
  labels:
    user-susan: pipelines
spec:
  persistentVolumeReclaimPolicy: Retain
  capacity:
    storage: 10Gi
  accessModes:
  - ReadWriteMany
  nfs:
    server: NFS_SERVER_IP
    path: "/data"
    
# kubectl create -f nfs-pv.yaml

4.创建Persistent Volume Claim

# cat nfs-pvc.yaml
apiVersion: v1
kind: PersistentVolumeClaim
metadata:
  name: user-susan
  annotations:
    description: "this is the mnist demo"
    owner: Tom
spec:
  accessModes:
    - ReadWriteMany
  resources:
    requests:
       storage: 5Gi
  selector:
    matchLabels:
      user-susan: pipelines
# kubectl create -f nfs-pvc.yaml

开发Pipeline

由于Kubeflow Pipelines提供的例子都是依赖于Google的存储服务，这导致国内的用户无法真正体验Pipelines的能力。阿里云容器服务团队提供了训练MNIST模型的例子，方便您在阿里云上使用和学习Kubeflow Pipelines。具体步骤为3步:
(1)下载数据
(2)利用TensorFlow进行模型训练
(3)模型导出

这3个步骤中后一个步骤都依赖与前一个步骤完成。

在Kubeflow Pipelines中可以用Python代码描述了这样一个流程, 完整代码可以查看standalone_pipeline.py。我们在这个例子中使用了arena_op这是对于Kubeflow默认的container_op封装，能够实现对于分布式训练MPI和PS模式的无缝衔接，另外也支持使用GPU和RDMA等异构设备和分布式存储的简单接入，同时也方便从git源同步代码。是一个比较实用的工具API。而arena_op是基于开源项目Arena。

@dsl.pipeline(
  name='pipeline to run jobs',
  description='shows how to run pipeline jobs.'
)
def sample_pipeline(learning_rate='0.01',
    dropout='0.9',
    model_version='1',
    commit='f097575656f927d86d99dd64931042e1a9003cb2'):
  """A pipeline for end to end machine learning workflow."""
  data=["user-susan:/training"]
  gpus=1

# 1. prepare data
  prepare_data = arena.standalone_job_op(
    name="prepare-data",
    image="byrnedo/alpine-curl",
    data=data,
    command="mkdir -p /training/dataset/mnist && \
  cd /training/dataset/mnist && \
  curl -O https://code.aliyun.com/xiaozhou/tensorflow-sample-code/raw/master/data/t10k-images-idx3-ubyte.gz && \
  curl -O https://code.aliyun.com/xiaozhou/tensorflow-sample-code/raw/master/data/t10k-labels-idx1-ubyte.gz && \
  curl -O https://code.aliyun.com/xiaozhou/tensorflow-sample-code/raw/master/data/train-images-idx3-ubyte.gz && \
  curl -O https://code.aliyun.com/xiaozhou/tensorflow-sample-code/raw/master/data/train-labels-idx1-ubyte.gz")

  # 2. downalod source code and train the models
  train = arena.standalone_job_op(
    name="train",
    image="tensorflow/tensorflow:1.11.0-gpu-py3",
    sync_source="https://code.aliyun.com/xiaozhou/tensorflow-sample-code.git",
    env=["GIT_SYNC_REV=%s" % (commit)],
    gpus=gpus,
    data=data,
    command='''
    echo %s;python code/tensorflow-sample-code/tfjob/docker/mnist/main.py \
    --max_steps 500 --data_dir /training/dataset/mnist \
    --log_dir /training/output/mnist  --learning_rate %s \
    --dropout %s''' % (prepare_data.output, learning_rate, dropout),
    metrics=["Train-accuracy:PERCENTAGE"])
  # 3. export the model
  export_model = arena.standalone_job_op(
    name="export-model",
    image="tensorflow/tensorflow:1.11.0-py3",
    sync_source="https://code.aliyun.com/xiaozhou/tensorflow-sample-code.git",
    env=["GIT_SYNC_REV=%s" % (commit)],
    data=data,
    command="echo %s;python code/tensorflow-sample-code/tfjob/docker/mnist/export_model.py --model_version=%s --checkpoint_path=/training/output/mnist /training/output/models" % (train.output, model_version))

Kubeflow Pipelines会将上面的代码转化成一个有向无环图(DAG),其中的每一个节点就是Component(组件)，而Component(组件)之间的连线代表它们之间的依赖关系。从Pipelines UI可以看到DAG图:

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首先具体理解一下数据准备的部分，这里我们提供了arena.standalone_job_op的Python API, 需要指定该步骤的名称:name，需要使用的容器镜像:image,要使用的数据以及其对应到容器内部的挂载目录:data，这里的data是一个数组格式, 如data=["user-susan:/training"]，表示可以挂载到多个数据。 user-susan是之前创建的Persistent Volume Claim，而/training为容器内部的挂载目录。

prepare_data = arena.standalone_job_op(
    name="prepare-data",
    image="byrnedo/alpine-curl",
    data=data,
    command="mkdir -p /training/dataset/mnist && \
  cd /training/dataset/mnist && \
  curl -O https://code.aliyun.com/xiaozhou/tensorflow-sample-code/raw/master/data/t10k-images-idx3-ubyte.gz && \
  curl -O https://code.aliyun.com/xiaozhou/tensorflow-sample-code/raw/master/data/t10k-labels-idx1-ubyte.gz && \
  curl -O https://code.aliyun.com/xiaozhou/tensorflow-sample-code/raw/master/data/train-images-idx3-ubyte.gz && \
  curl -O https://code.aliyun.com/xiaozhou/tensorflow-sample-code/raw/master/data/train-labels-idx1-ubyte.gz")

而上述步骤实际上是从指定地址利用curl下载数据到分布式存储对应的目录/training/dataset/mnist，请注意这里的/training为分布式存储的根目录，类似大家熟悉的根mount点；而/training/dataset/mnist是子目录。其实后面的步骤可以通过使用同样的根mount点，读到数据，进行运算。

第二步是利用下载到分布式存储的数据,并通过git指定固定commit id下载代码，并进行模型训练

train = arena.standalone_job_op(
    name="train",
    image="tensorflow/tensorflow:1.11.0-gpu-py3",
    sync_source="https://code.aliyun.com/xiaozhou/tensorflow-sample-code.git",
    env=["GIT_SYNC_REV=%s" % (commit)],
    gpus=gpus,
    data=data,
    command='''
    echo %s;python code/tensorflow-sample-code/tfjob/docker/mnist/main.py \
    --max_steps 500 --data_dir /training/dataset/mnist \
    --log_dir /training/output/mnist  --learning_rate %s \
    --dropout %s''' % (prepare_data.output, learning_rate, dropout),
    metrics=["Train-accuracy:PERCENTAGE"])

可以看到这个步骤比数据准备要相对复杂一点，除了和第一步骤中的name，image, data和command之外，在模型训练步骤中，还需要指定:

  • 获取代码的方式: 从可重现实验的角度来看，对于运行试验代码的追本溯源，是非常重要的一环。可以在API调用时指定sync_source的git代码源，同时通过设定env中GIT_SYNC_REV指定训练代码的commit id
  • gpu: 默认为0，就是不使用GPU；如果为大于0的整数值，就代表该步骤需要这个数量的GPU数。
  • metrics: 同样是从可重现和可比较的实验目的出发，用户可以将需要的一系列指标导出，并且通过Pipelines UI上直观的显示和比较。具体使用方法分为两步，1.在调用API时以数组的形式指定要收集指标的metrics name和指标的展示格式PERCENTAGE或者是RAW，比如metrics=["Train-accuracy:PERCENTAGE"]。2.由于Pipelines默认会从stdout日志中收集指标，你需要在真正运行的模型代码中输出{metrics name}={value}或者{metrics name}:{value}, 可以参考具体样例代码

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值得注意的是：

在本步骤中指定了和prepare_data相同的data参数["user-susan:/training"]，就可以在训练代码中读到对应的数据，比如--data_dir /training/dataset/mnist，

另外由于该步骤依赖于prepare_data，可以在方法中通过指定prepare_data.output表示两个步骤的依赖关系。

最后export_model是基于train训练产生的checkpoint，生成训练模型：

export_model = arena.standalone_job_op(
    name="export-model",
    image="tensorflow/tensorflow:1.11.0-py3",
    sync_source="https://code.aliyun.com/xiaozhou/tensorflow-sample-code.git",
    env=["GIT_SYNC_REV=%s" % (commit)],
    data=data,
    command="echo %s;python code/tensorflow-sample-code/tfjob/docker/mnist/export_model.py --model_version=%s --checkpoint_path=/training/output/mnist /training/output/models" % (train.output, model_version))

export_model和第二步train类似，甚至要更为简单，它只是从git同步模型导出代码并且利用共享目录/training/output/mnist中的checkpoint执行模型导出。

整个工作流程看起来还是很直观的, 下面就可以定义一个Python方法将整个流程贯穿在一起。

@dsl.pipeline(
  name='pipeline to run jobs',
  description='shows how to run pipeline jobs.'
)
def sample_pipeline(learning_rate='0.01',
    dropout='0.9',
    model_version='1',
    commit='f097575656f927d86d99dd64931042e1a9003cb2'):

@dsl.pipeline是表示工作流的装饰器，这个装饰器中需要定义两个属性，分别是name和description

入口方法sample_pipeline中定义了4个参数learning_rate,dropout,model_version和commit,分别可以在上面的train和export_model阶段使用。这里的参数的值实际上是 dsl.PipelineParam类型，定义成dsl.PipelineParam的目的在于可以通过Kubeflow Pipelines的原生UI可以将其转换成输入表单，表单的关键字是参数名称，而默认值为参数的值. 值得注意的是，这里的dsl.PipelineParam对应值的实际上只能是字符串和数字型；而数组和map，以及自定义类型都是无法通过转型进行变换的。

而实际上，这些参数都可以在用户提交工作流时进行覆盖，以下就是提交工作流对应的UI：

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提交Pipeline

您可以在自己的Kubernetes内将前面开发工作流的Python DSL提交到Kubeflow Pipelines服务中, 实际提交代码很简单:

  KFP_SERVICE="ml-pipeline.kubeflow.svc.cluster.local:8888"
  import kfp.compiler as compiler
  compiler.Compiler().compile(sample_pipeline, __file__ + '.tar.gz')
  client = kfp.Client(host=KFP_SERVICE)
  try:
    experiment_id = client.get_experiment(experiment_name=EXPERIMENT_NAME).id
  except:
    experiment_id = client.create_experiment(EXPERIMENT_NAME).id
  run = client.run_pipeline(experiment_id, RUN_ID, __file__ + '.tar.gz',
                            params={'learning_rate':learning_rate,
                                     'dropout':dropout,
                                    'model_version':model_version,
                                    'commit':commit})

利用compiler.compile将Python代码编译成执行引擎(Argo)识别的DAG配置文件

通过Kubeflow Pipeline的客户端创建或者找到已有的实验，并且提交之前编译出的DAG配置文件

在集群内准备一个python3的环境，并且安装Kubeflow Pipelines SDK

# kubectl create job pipeline-client --namespace kubeflow --image python:3 -- sleep infinity
# kubectl  exec -it -n kubeflow $(kubectl get po -l job-name=pipeline-client -n kubeflow | grep -v NAME| awk '{print $1}') bash

登录到Python3的环境后,执行如下命令，连续提交两个不同参数的任务

# pip3 install http://kubeflow.oss-cn-beijing.aliyuncs.com/kfp/0.1.14/kfp.tar.gz --upgrade
# pip3 install http://kubeflow.oss-cn-beijing.aliyuncs.com/kfp-arena/kfp-arena-0.4.tar.gz --upgrade
# curl -O https://raw.githubusercontent.com/cheyang/pipelines/update_standalone_sample/samples/arena-samples/standalonejob/standalone_pipeline.py
# python3 standalone_pipeline.py --learning_rate 0.0001 --dropout 0.8 --model_version 2
# python3 standalone_pipeline.py --learning_rate 0.0005 --dropout 0.8 --model_version 3

查看运行结果

登录到Kubeflow Pipelines的UI: https://{pipeline地址}/pipeline/#/experiments， 比如

https://11.124.285.171/pipeline/#/experiments

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点击Compare runs按钮，可以比较两个实验的输入，花费的时间和精度等一系列指标。让实验可追溯是让实验可重现的第一步；而利用Kubeflow Pipelines本身的实验管理能力则是开启实验可重现的第一步。

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总结

实现一个可以运行的Kubeflow Pipeline需要的步骤是：

1.构建Pipeline(流水线)中需要的最小执行单元Component(组件)，如果是利用原生定义的dsl.container_ops,需要构建两部分代码：

  • 构建运行时代码：通常是为每个步骤构建容器镜像，作为Pipelines和真正执行业务逻辑代码之间的适配器。它所做的事情为获取Pipelines上下文的输入参数，调用业务逻辑代码，并且将需要传递到下个步骤的输出按照Pipelines的规则放到容器内的指定位置，由底层工作流组件负责传递。 这样产生的结果是运行时代码与业务逻辑代码会耦合在一起。可以参考Kubeflow Pipelines的例子
  • 构建客户端代码：这个步骤通常是长成下面的样子, 熟悉Kubernetes的朋友会发现这个步骤实际上就是在编写Pod Spec：
container_op = dsl.ContainerOp(
        name=name,
        image='<train-image>',
        arguments=[
            '--input_dir', input_dir,
            '--output_dir', output_dir,
            '--model_name', model_name,
            '--model_version', model_version,
            '--epochs', epochs
        ],
        file_outputs={'output': '/output.txt'}
    )
container_op.add_volume(k8s_client.V1Volume(
            host_path=k8s_client.V1HostPathVolumeSource(
                path=persistent_volume_path),
            name=persistent_volume_name))
container_op.add_volume_mount(k8s_client.V1VolumeMount(
            mount_path=persistent_volume_path,
            name=persistent_volume_name))

利用原生定义的dsl.container_ops的好处在于灵活，由于开放了和Pipelines的交互接口，用户可以在container_ops这个层面做许多事情。但是它的问题在于：

  • 复用度低，每个Component都需要构建镜像和开发运行时代码
  • 复杂度高，使用者需要了解Kubernetes的概念，比如resource limit, PVC, node selector等一系列概念
  • 支持分布式训练困难，由于container_op为单容器操作，如果需要支持分布式训练就需要在container_ops中提交和管理类似TFJob的任务。这里会带来复杂度和安全性的双重挑战，复杂度比较好理解，安全性是说提交TFJob这类任务的权限会需要开放额外的权限给Pipeline的开发者。

另一种方式是使用arena_op这种可以重用的Component API，它使用通用运行时代码，可以免去重复构建运行时代码的工作；同时利用通用一套的arena_op API简化用户的使用；也支持Parameter Server和MPI等场景。建议您使用这种方式编译Pipelines

2.将构建好的Component(组件)拼接成Pipeline(流水线)

3.将Pipeline(流水线)编译后Argo的执行引擎(Argo)识别的DAG配置文件， 并提交的DAG配置文件到Kubeflow Pipelines, 并利用Kubeflow Pipelines自身的UI查看流程结果。

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