本文将从敏捷研发团队的环境需求与痛点出发，分享如何基于云构建可弹性伸缩的自动化生成式多测试环境；更在经济效益层面，提供了多种成本优化方案，以满足研发团队低成本、高效益的多测试环境运行目标。
一、当前遇到的环境问题
初期，根据实际研发需要，LigaAI主要应用了以下四套环境：
- Dev环境是开发环境，专供前/后端开发人员进行功能开发自测、联调等；
- Sit环境为测试环境，供测试成员进行迭代功能验收；
- Pre环境为预发布环境，主要承担整体测试、回归测试等；
- 最后，Prod环境为生产环境。
随着团队规模不断扩大、业务组划分走向清晰，以及微服务拆分愈发精细，环境资源开始逐步缩紧，资源紧张带来的冲突频繁制约着团队发展。
- 对迭代有风险的复杂需求需要剥离迭代，进行单独测试；
- 开发人员需要不同的Dev环境进行联调；
- 迭代小组的迭代进度各异，需要分批提测；
- 紧急Hotfix急需测试，但环境已被占用；
- 需要进行系统压测，却缺乏一套压测环境；
为缓解环境资源紧张问题，LigaAI对原有的Dev环境和Sit环境做了如下扩展。
如此虽一定程度上满足了不断增加的环境需求，但不可避免地导致了其他问题。因此，针对以下环境需求痛点，LigaAI着手搭建了一套高弹性、可伸缩的测试环境。
二、测试环境的改造目标
开始正式改造前，LigaAI结合研发流程和环境需求，对目标测试环境提出了几点要求：
- 多环境：针对不同的测试场景，可以提供不同的测试环境。
- 互相区隔：数据、配置信息和应用访问在不同环境之间要相互隔离。
- 高效稳定：环境要保持稳定且高效地运转，不能影响正常迭代进度。
- 低成本：产生尽可能较低的额外成本，任何时期都要将资源用在刀刃上。
- 可复用：针对特殊需求可快速扩展新环境；简化测试环境维护，让团队聚焦研发与测试。
第一步：测试环境的标准化改造
Step 1：搭建底层基础设施
围绕弹性、扩展和部署等关键词，LigaAI最终选用Amazon EKS作为环境伸缩的底层基础设施。
Amazon EKS即Amazon Elastic Kubernetes Service，是一项完全托管的服务。无需安装、操作或维护集群也可轻松运行Kubernetes，而其内置的控制面板则为LigaAI的集群管理提供了便利。
Step 2：规范中间件资源
为方便应用接入，我们梳理了系统中需要改造或命名规范化的基础资源和中间件，包括域名命名、数据库地址、消息队列、Redis和Elasticsearch等。
命名规范化可以以环境名称为统一标识，采用「资源名称_环境名称」等形式完成。
Step 3：应用改造
下一步，依据梳理好的基础资源和中间件规范，重新整理并统一测试环境配置信息，规范化应用配置和持久化数据。
应用改造目标是，只需注入环境名称，即可替换所有与环境相关的配置信息，如回调地址、消息队列、数据库信息等；而持久化的数据不应保存与环境信息相关的数据。
该阶段可能涉及到一部分代码改造，需要开发团队参与配合。
Step 4：制作环境模板
想要自动生成环境，首先必须有一套含有持久化数据、配置文件和应用包的环境模板；其中，应用包数据包括后端镜像和前端资源包。
在本次改造中，LigaAI指定Pre环境作为基准环境模板来源。
Step 5：一键搭建环境
为最大程度提高产研团队效率，环境搭建必须方便快捷，且满足可复用要求。
将环境搭建流程的各个环节脚本化，并将这些脚本集成到流水线任务当中，实现环境搭建的一键生成效果；其中，将部分流程并行处理，也会加快环境生成速度。
Step 6：环境登记责任人
除一键生成环境外，制定标准化的环境管理流程也很重要。明确环境负责人，将环境生成、重置与释放流程集成到运维平台，让申请信息可视化；
同时，通过信息通知集成IM，支持环境生成/释放信息、环境到期提醒等通知的及时触达。
四、标准化改造成果：环境生成自动化
至此，测试环境的标准化改造告一段落，而LigaAI也成功打通了环境模板生成流程和环境申请流程的数据传递通道。
左边：环境模板生成流程
发布生产后，触发模板构建任务；
通过提取Pre环境的数据，找出当前的镜像信息，打上Tag并标记为模板镜像；
再将环境模板所需要的数据库、配置文件和前端资源等数据上传到Amazon S3进行保存。
右边：环境申请流程
环境申请人先在运营平台登记申请，填写使用时间和使用范围；
提交申请后，触发任务：从Amazon S3拉取配置数据，初始化中间件资源，从镜像仓库拉取模板镜像部署应用，一键生成环境；
环境到期后会自动释放，如需继续使用，提交延长登记信息即可。
环境生成的标准化改造通过流水线任务自动搭建、环境自动释放和申请人登记，解决了环境需求的三大痛点。想要进一步解决环境资源紧缺或浪费的问题，需要继续完成测试环境的弹性伸缩改造。
第二步：测试环境的弹性伸缩改造
容器资源主要分为Pod级别和Node级别。每个Pod包含一个或多个应用容器，并以整体的形式在Node之上运行。
与资源分类对应，资源伸缩也有两种模式：
- Pod级别的资源伸缩为HPA，是Kubernetes的内置服务，主要用于副本数量的调整；
- Node级别的资源伸缩为Cluster Autoscaler，非Kubernetes内置服务，需要手动部署Deployment安装；
想要让服务器资源满足变化频繁的研发环境需求，则需要对Node级别进行弹性伸缩改造。
Amazon EC2 Auto Scaling groups（以下简称自动伸缩组）提供了弹性扩展服务器实例的功能，支持设置服务器的初始生成数量、最小数量以及最大数量限制。
当扩展策略生效时，自动伸缩组会在指定的最小和最大容量值之间调整组的所需容量，并根据需要启动或终止实例。
痛点4：服务器资源不足时，如何扩容？
环境申请成功后，Pod数量增加，但因节点资源饱和/不足，此时新的Pod会处于Pending状态。
Cluster Autoscaler定期（默认间隔 10 秒）检测节点资源的使用情况。一旦监测到Pending状态的Pod，便会触发节点扩容，调用Cloud Provider，创建新的Node以满足增加的环境需求。
痛点5：服务器资源过剩时，如何缩容？
测试完成后，环境资源释放，Pod被删除。此时，Node资源呈闲置状态。
当检测到一个Node已超过 10 分钟没有执行任何扩展操作，或资源利用率均低于 50% 时，Cluster Autoscaler会控制自动伸缩组进行回收节点，自动将其删除；原来的Pod也会自动调度到其他Node上。
以上，Cluster Autoscaler通过Cloud Provider插件，操作自动伸缩组完成服务器资源的扩展与回收，达成测试环境的弹性伸缩改造。
六、如何实现低成本，高效运行环境？
1. 中间件资源复用
云环境下，对数据库、Redis、Elasticsearch、配置中心和注册中心等中间件资源进行复用，可大幅节省使用成本和资源，降低环境扩展难度。
比如，在一个数据库实例上，以环境名称为索引标识，创建不同环境的数据库，以节省资源。
2. 合理分配资源
此外，还可以通过以下几个方面，控制云服务器上的成本支出。
第一，合理分配CPU和内存的Pod资源预留与资源限制。 资源预留（Requests）表示Pod需要占用的最小资源，即节点上必须有大于Request值的资源，才能调度这个节点；而资源限制（Limits）则表示Pod可使用资源的最大值，当容器占用资源超过Limit值时，就会被终止或重启。
CPU是弹性资源，而大部分IO密集型应用在测试时对CPU的使用率和消耗都比较低，因此建议将CPU的Requests设置小一些，将Limits调大一点。
Java应用分配内存则可以通过分析GC日志、应用监控信息、JVM监控信息等，根据GC频率和GC耗时的表现，找到一个可接受的内存设置平衡点，用较小的内存满足当前的服务需要。
第二，关注节点的配置比例和大小选取。CPU和内存的节点配置比例需要根据实际业务系统的需求确定。比例设置原则是避免CPU或内存成为明显的短板，常见的应用比例是 1:4 或者 1:8。
节点的选择上，一方面要避免选择配置低的小节点。因为节点上需要部署Kubernetes的基础组件，这会消耗固定的资源，且节点越多，整体开销和成本越大；此外，过小的节点还可能出现资源碎片的问题，所以建议适当挑选大一些的节点。
另一方面，切忌盲目追求大节点。大节点允许的Pod数量较多，一旦节点出现问题，影响范围也会更大。同时，大节点的自动伸缩成本更高，容易出现「杀鸡用牛刀」的情况。
第三，奉行勤俭节约原则。 一次性运行的任务或执行频率较低的周期任务，可以通过K8S Job和CronJob执行。另外，资源节约意识也表现在环境不用时及时回收、没有特别情况不随便申请环境、避免非常规环境空置等习惯之中。
3. 控制云上的成本
LigaAI的测试环境改造采用了多项亚马逊云科技服务，因此我们也通过减少云服务商的成本费用，进一步实现低成本的高效运行。
首先，挑选合适的区域很重要。就亚马逊云服务而言，不同区域的费用标准也会有所差异。可以多多对比中国区和外国区，或宁夏区域和北京区域的相关费用标准，选择最合适的区域服务。
其次，还可以关注云服务器的不同定价方案。以Amazon EC2云服务为例，我们主要考虑按需实例、预留实例和竞价实例三种定价方案。
- 按需实例/On-Demand Instances：按小时或秒（最少 60 秒）收费。
- 预留实例/Reserved Instances：类似按年付费；相比按需实例，最高可提供 72% 折扣。
- 竞价实例/Spot Instances：在服务器需求不高时，可出售空闲服务器资源；相比按需实例，最多可享 90% 折扣。
采用「预留实例+竞价实例」的组合方式，也能进一步实现经济效益最大化。
对于固定的环境，提前计算好需要的服务器数量，申请预留实例，并将其设置为自动伸缩组中的最小实例数量；再将额外的扩展环境设置为最大数量，以此实现弹性扩容。
对稳定性要求不高的环境或应用（如开发环境），可以通过Spot自动伸缩组进行环境扩容。
01 配置节点亲和性和污点
设置节点亲和性或污点，让对的Pod被调度到正确的节点上。节点亲和性使得Pod被吸引到一类具有特定标签的节点上，而节点污点（Taint）则相反，它使得Pod避免被调度到这些节点上。
通过将需要稳定运行的Pod固定在按需实例或预留实例的节点组上，将可容忍中断的Pod限制在Spot节点组上，也可满足成本控制的需要。
为了方便环境回收时的节点释放，按环境名称设置Pod亲和性，将同一环境的Pod尽量放置到相同的节点，减少节点中的Pod转移，提高节点回收率。
02 如何降低Spot节点中断的影响？
第一，选择多个可用区和多种实例类型。 注意，同一个节点组的实例类型的CPU核心数量跟内存大小必须一致，这样会有更充足的资源。
第二，设置Pod优先级。 对非关键Pod设置低优先级，可以在节点回收时，率先将重要的Pod转移到其它空闲资源中去；
第三，还可以在节点关闭前，先将Pod调度转移。具体实现路径如下：
首先，开启自动伸缩组的「容量再平衡设置」。开启后，如果Spot节点有中断风险，自动伸缩组就会提前发出容量再平衡通知，并重新分配一个新的Spot节点。
旧节点关闭前两分钟，自动伸缩组会发出终止实例的通知（需手动开启相应的通知配置）。
而在Kubernetes中，我们需要部署AWS Node Termination Handler服务，并通过它来接收事件，驱逐旧节点里的Pod；Pod驱逐完成后，再关闭旧的节点。
以上步骤可以基本保证Spot节点的相对稳定性。
4. 账单费用监控告警
最后，做好费用的监控预警也很重要。以下服务可用于监控费用明细，提供资源优化支撑，也可以对账单费用突增、预留实例覆盖率进行告警通知。
- Amazon Cost Explorer
- Amazon Budgets
- AWS Tweaker
本文内容整理自Apps Everywhere系列活动 - 深圳站（线上直播）的主题分享。该活动由亚马逊云科技User Group举办，聚焦云原生开发技术，探索云原生技术下的测试、交付、安全等话题的全新思维碰撞。
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