Вступление

Привет!

В данной статье я поделюсь опытом построения микросервисной архитектуры для проекта, использующего нейронные сети.

Поговорим о требованиях к архитектуре, посмотрим на различные структурные диаграммы, разберем каждый из компонентов готовой архитектуры, а также оценим технические метрики решения.

Приятного чтения!

Пару слов о задаче и ее решении

Основная идея – на основе фото дать оценку привлекательности человека по десятибалльной шкале.

В данной статье мы отойдем от описания как используемых нейронных сетей, так и процесса подготовки данных, обучения. Однако, в одной из следующих публикаций, мы обязательно вернемся к разбору пайплайна оценки на углубленном уровне.

Сейчас же мы верхнеуровнево пройдемся по пайплайну оценки, а упор сделаем на взаимодействие микросервисов в контексте общей архитектуры проекта. 

При работе над пайплайном оценки привлекательности, задача была декомпозирована на следующие составляющие:

1. Выделение лиц на фото
2. Оценка каждого из лиц
3. Рендер результата

Первое решается силами предобученной MTCNN. Для второго была обучена сверточная нейросеть на PyTorch, в качестве backbone был использован ResNet34 – из баланса «качество / скорость инференса на CPU»

Функциональная диаграмма пайплайна оценки

Анализ требований к архитектуре проекта

В жизненном цикле ML проекта этапы работы над архитектурой и автоматизацией развертывания модели, зачастую, одни из самых затратных по времени и ресурсам.

Жизненный цикл ML проекта

Данный проект не исключение – было принято решение обернуть пайплайн оценки в онлайн-сервис, для этого требовалось погрузиться в архитектуру. Были обозначены следующие базовые требования:

1. Единое хранилище логов – все сервисы должны писать логи в одно место, их должно быть удобно анализировать
2. Возможность горизонтального масштабирования сервиса оценки — как наиболее вероятного Bottleneck
3. На оценку каждого изображения должно быть выделено одинаковое кол-во ресурсов процессора — во избежание выбросов в распределении времени на инференс
4. Быстрое (пере)развертывание как конкретных сервисов, так и стэка в целом
5. Возможность, при необходимости, использовать в разных сервисах общие объекты

Архитектура

После анализа требований стало очевидно, что микросервисная архитектура вписывается практически идеально.

Для того, чтобы избавиться от лишней головной боли, в качестве фронтенда был выбран Telegram API.

Для начала рассмотрим структурную диаграмму готовой архитектуры, далее перейдем к описанию каждого из компонентов, а также формализуем процесс успешной обработки изображения.

Структурная диаграмма готовой архитектуры

Поговорим подробнее о каждом из компонентов диаграммы, обозначим их Single Responsibility в процессе оценки изображения.

Микросервис «attrai-telegram-bot»

Данный микросервис инкапсулирует все взаимодействия с Telegram API. Можно выделить 2 основных сценария – работа с пользовательским изображением и работа с результатом пайплайна оценки. Разберем оба сценария в общем виде.

При получении пользовательского сообщения с изображением:

1. Производится фильтрация, состоящая из следующих проверок:
   
   • Наличия оптимального размера изображения
   • Количества изображений пользователя, уже находящихся в очереди
2. При прохождении первичной фильтрации изображение сохраняется в docker volume
3. В очередь “to_estimate” продьюсится таска, в которой, в том числе, фигурирует путь до изображения, лежащего в нашем volume
4. Если вышеперечисленные этапы пройдены успешно – пользователь получит сообщение с примерным временем обработки изображения, которое рассчитывается на основе количества тасков в очереди. В случае ошибки пользователь будет явным образом об этом оповещен – путем отправки сообщения с информацией о том, что могло пойти не так.

Также, данный микросервис, как celery worker, слушает очередь «after_estimate», которая предназначается для тасков, прошедших через пайплайн оценки.

При получении новой таски из “after_estimate”:

1. Если изображение обработано успешно – отправляем результат пользователю, если нет – оповещаем об ошибке
2. Удаляем изображение, являющееся результатом пайплайна оценки

Микросервис оценки «attrai-estimator»

Данный микросервис является celery worker и инкапсулирует в себе всё, что связано с пайплайном оценки изображения. Алгоритм работы тут один – разберем его.

При получении новой таски из “to_estimate”:

1. Прогоняем изображение через пайплайн оценки:
   
   1. Загружаем изображение в память
   2. Приводим изображение к нужному размеру
   3. Находим все лица (MTCNN)
   4. Оцениваем все лица (оборачиваем найденные в прошлом пункте лица в батч и инференсим ResNet34)
   5. Рендерим итоговое изображением
      
      1. Отрисоваем bounding boxes
      2. Отрисовываем оценки
2. Удаляем пользовательское (исходное) изображение
3. Сохраняем выход с пайплайна оценки
4. Кладем таску в очередь “after_estimate”, которую слушает разобранный выше микросервис “attrai-telegram-bot”

Graylog (+ mongoDB + Elasticsearch)

Graylog — это решение для централизованного управления логами. В данном проекте, он использовался по своему прямому назначению.

Выбор пал именно на него, а не на привычный всем ELK стэк, по причине удобства работы с ним из под Python. Все, что необходимо сделать для логирования в Graylog, это добавить GELFTCPHandler из пакета graypy к остальным root logger handlers нашего python-микросервиса.

Я, как человек, который до этого работал только с ELK стэком, в целом, получил позитивный опыт во время работы с Graylog. Единственное, что удручает – превосходство по фичам Kibana над веб-интерфейсом Graylog.

RabbitMQ

RabbitMQ — это брокер сообщений на основе протокола AMQP.

В данном проекте он использовался как наиболее стабильный и проверенный временем брокер для Celery и работал в durable режиме.

Redis

Redis — это NoSQL СУБД, работающая со структурами данных типа «ключ — значение»

Иногда возникает необходимость использовать в разных python-микросервисах общие объекты, реализующие какие-либо структуры данных.

Например, в Redis хранится hashmap вида «telegram_user_id => количество активных тасок в очереди», что позволяет ограничить количество запросов от одного пользователя определенным значением и, тем самым, предотвратить DoS-атаки.

Формализуем процесс успешной обработки изображения

1. Пользователь отправляет изображение в Telegram бота
2. «attrai-telegram-bot» получает сообщение от Telegram API и разбирает его
3. Таск с изображением добавляется в асинхронную очередь «to_estimate»
4. Пользователь получает сообщение с планируемым временем оценки
5. «attrai-estimator» берет таск из очереди «to_estimate», прогоняет через пайплайн оценки и продьюсит таск в очередь «after_estimate»
6. «attrai-telegram-bot», слушающий очередь «after_estimate», отправляет результат пользователю

DevOps

Наконец, после обзора архитектуры, можно перейти к не менее интересной части — DevOps

Docker Swarm

Docker Swarm  - система кластеризации, функционал которой реализован внутри Docker Engine и доступен из коробки.

При помощи «роя», все ноды нашего кластера можно разделить на 2 типа – worker и manager. На машинах первого типа разворачиваются группы контейнеров (стэки), машины второго типа отвечают за скалирование, балансировку и другие классные фичи. Менеджеры по умолчанию являются и воркерами.

Кластер с одним leader manager и тремя worker

Минимально возможный размер кластера – 1 нода, единственная машина будет одновременно выступать как leader manager и worker. Исходя из размера проекта и минимальных требований к отказоустойчивости, было принято решение использовать именно этот подход.

Забегая вперед, скажу, что с момента первой production-поставки, которая была в середине июня, проблем, связанных с данной организацией кластера, не было (но это не значит, что подобная организация хоть сколько-нибудь допустима в любых средне-крупных проектах, на которые накладываются требования по отказоустойчивости).

Docker Stack

В режиме «роя» за развертывание стэков (наборов docker services) отвечает docker stack

Он поддерживает docker-compose конфиги, позволяя дополнительно использовать deploy параметры.  

Например, при помощи данных параметров были ограничены ресурсы на каждый из инстансов микросервиса оценки (выделяем на N инстансов N ядер, в самом микросервисе ограничиваем кол-во ядер, используемое PyTorch`ем, одним)

attrai_estimator:
  image: 'erqups/attrai_estimator:1.2'
  deploy:
    replicas: 4
    resources:
      limits:
        cpus: '4'
    restart_policy:
      condition: on-failure
      …

Важно отметить, что Redis, RabbitMQ и Graylog — stateful сервисы и масштабировать их так же просто, как «attrai-estimator», не получится

Предвещая вопрос — почему не Kubernetes?

Кажется, что использование Kubernetes в проектах маленького и среднего размера – оверхед, весь необходимый функционал можно получить от Docker Swarm, который довольно user friendly для оркестратора контейнеров, а также имеет низкий порог вхождения.

Инфраструктура

Развертывалось это все на VDS со следующими характеристиками:

• CPU: 4 ядра Intel® Xeon® Gold 5120 CPU @ 2.20GHz
• RAM: 8 GB
• SSD: 160 GB

После локального нагрузочного тестирования, казалось, что при серьезном наплыве пользователей, данной машинки будет хватать впритык.

Но, сразу после деплоя, я запостил ссылку на одну из самых популярных в СНГ имиджборд (ага, ту самую), после чего люди заинтересовались и за несколько часов сервис успешно обработал десятки тысяч изображений. При этом в пиковые моменты ресурсы CPU и RAM не были использованы даже наполовину.

Еще немного графики

Количество уникальных пользователей и запросов на оценку, с момента деплоя, в зависимости от дня

Распределение времени инференса пайплайна оценки

Выводы

Резюмируя, могу сказать, что архитектура и подход к оркестрации контейнеров полностью себя оправдали — даже в пиковые моменты не было падений и проседаний по времени обработки. 

Думаю, проекты маленького и среднего размеров, использующие в своем процессе реалтайм инференс нейронных сетей на CPU, успешно могут перенять практики, описанные в данной статье.

Добавлю, что изначально статья была больше, но, дабы не постить лонгрид, решил некоторые моменты в данной статье опустить — вернемся к ним в следующих публикациях.

Потыкать бота можно в Telegram — @AttraiBot, работать будет, как минимум, до конца осени 2020 года. Напомню — никакие пользовательские данные не хранятся — ни исходные изображения, ни результаты пайплайна оценки — все сносится после обработки.