DEPLOY.md

# PaddlePaddle分布式训练和Serving流程化部署

* [ 环境配置](#head0)
* [ 分布式训练](#head1)
	* [ 1、集群配置](#head2)
		* [1.1 创建集群](#head3)
		* [1.2 配置集群环境](#head4)
	* [2、 配置开发机环境](#head5)
		* [2.1 安装KubeCtl](#head6)
		* [2.2 安装Helm](#head7)
		* [2.3 配置文件](#head8)
		* [2.4 安装Go](#head9)
	* [ 3、安装volcano](#head10)
	* [ 4、执行训练](#head11)
	* [ 5、模型产出](#head12)
		* [5.1 模型裁剪](#head13)
		* [5.2 稀疏参数产出](#head14)
* [ 大规模稀疏参数服务Cube的部署和使用](#head15)
	* [1. 编译](#head16)
	* [2. 分片cube server部署](#head17)
		* [2.1 配置文件修改](#head18)
		* [2.2 拷贝可执行文件和配置文件到物理机](#head19)
		* [2.3 启动 cube server](#head20)
	* [3. cube-builder部署](#head21)
		* [3.1 配置文件修改](#head22)
		* [3.2 拷贝可执行文件到物理机](#head23)
		* [3.3 启动cube-builder](#head24)
	* [4. cube-transfer部署](#head25)
		* [4.1 cube-transfer配置修改](#head26)
		* [4.2 拷贝cube-transfer到物理机](#head27)
		* [4.3 启动cube-transfer](#head28)
	* [4.4 验证](#head29)
* [ 预测服务部署](#head30)
	* [ 1、Server端](#head31)
		* [1.1 Cube服务](#head32)
		* [1.2 Serving编译](#head33)
		* [1.3 配置修改](#head34)
			* [1.3.1 conf/gflags.conf](#head35)
			* [1.3.2 conf/model_toolkit.prototxt](#head36)
			* [1.3.3 conf/cube.conf](#head37)
			* [1.3.4 模型文件](#head38)
		* [1.4 启动Serving](#head39)
	* [ 2、Client端](#head40)
		* [2.1 测试数据](#head41)
		* [2.2 Client编译与部署](#head42)
			* [2.2.1 配置修改](#head43)
			* [2.2.2 运行服务](#head44)

在搜索、推荐、在线广告等业务场景中，embedding参数的规模常常非常庞大，达到数百GB甚至T级别；训练如此规模的模型需要用到多机分布式训练能力，将参数分片更新和保存；另一方面，训练好的模型，要应用于在线业务，也难以单机加载。Paddle Serving提供大规模稀疏参数读写服务，用户可以方便地将超大规模的稀疏参数以kv形式托管到参数服务，在线预测只需将所需要的参数子集从参数服务读取回来，再执行后续的预测流程。

本文以CTR预估任务为例，提供一个完整的基于PaddlePaddle的分布式训练和Serving的流程化部署过程。基于此流程，用户可定制自己的端到端深度学习训练和应用解决方案。

本文演示的基于PaddlePaddle的分布式训练和Serving流程化部署，基于CTR预估任务，原始模型可参见[PaddlePaddle公开模型github repo](https://github.com/PaddlePaddle/models/tree/develop/PaddleRec/ctr)。 整体拓扑架构如下图所示：

![PaddlePaddle分布式训练和Serving流程化部署拓扑](./deploy/ctr-prediction-end-to-end-deployment.png)

其中：
1. 分布式训练集群在百度云k8s集群上搭建，并通过[volcano](https://volcano.sh/)提交分布式训练任务和资源管理
2. 分布式训练产出dense参数和ProgramDesc，通过http服务直接下载到Serving端，给Serving加载
3. 分布式训练产出sparse embedding，由于体积太大，通过cube稀疏参数服务提供给serving访问
4. 在线预测时，Serving通过访问cube集群获取embedding数据，与dense参数配合完成预测计算过程

以下从3部分分别介绍上图中各个组件：
1) 分布式训练集群和训练任务提交
2) 稀疏参数服务部署与使用
3) Paddle Serving的部署
4) 客户端访问Paddle Serving完成CTR预估任务预测请求
## <span id="head0"> 环境配置</span>

**环境要求** ：helm、kubectl、go

## <span id="head1"> 分布式训练</span>

分布式训练采用[volcano](https://github.com/volcano-sh/volcano)开源框架以及云平台实现，文档中以[百度智能云](https://cloud.baidu.com/?from=console)以及CTR预估模型为例，演示如何实现大规模稀疏参数模型的分布式训练。

### <span id="head2"> 1、集群配置</span>

#### <span id="head3">1.1 创建集群</span>

登录百度智能云官网，参考[帮助文档](https://cloud.baidu.com/doc/CCE/s/zjxpoqohb)创建容器引擎。

#### <span id="head4">1.2 配置集群环境</span>

进入“产品服务>容器引擎CCE”，点击“集群管理>集群列表”，可看到用户已创建的集群列表。从集群列表中查看创建的集群信息。

![img](./deploy/cluster-info.png)

点击左侧的"Helm>Helm实例"，点击安装链接为集群一键安装helm。百度智能云为集群安装的helm版本为2.12.3，kubectl版本为1.13.4

为了能够从外部登录集群节点，需要为集群中安装了tiller的节点申请弹性公网。点击"更多操作>控制台"。

![concole](./deploy/concole.png)

点击"命名空间"选择kube-system，点击"容器组"，查看tiller开头的节点。

![tiller](./deploy/tiller.png)

点击"产品服务>网络>弹性公网"

![eip](./deploy/eip.png)

创建弹性公网实例，完成后选择创建的实例，点击"更多操作>绑定到BCC"，填写tiller开头的节点信息进行绑定。

### <span id="head5">2、 配置开发机环境</span>

配置过程需要开发机的root权限。

#### <span id="head6">2.1 安装KubeCtl</span>

KubeCtl可以实现在本地开发机上连接百度智能云的Kubernets集群，建议参考百度云操作指南文档中[通过KubeCtl连接集群](https://cloud.baidu.com/doc/CCE/s/6jxpotcn5)部分进行安装。

#### <span id="head7">2.2 安装Helm</span>

建议参考[Helm官方安装文档](https://helm.sh/docs/using_helm/#installing-helm)进行安装。

**注意事项：**

开发机上的kubectl与helm的版本需要与集群上的版本相一致，目前百度智能云为集群安装的helm版本为2.12.3，kubectl版本为1.13.4。

#### <span id="head8">2.3 配置文件</span>

点击"集群列表"界面的"配置文件下载"，下载配置文件。

![conf download](./deploy/conf-download.png)

将下载的配置文件移动到~/.kube文件夹下，文件名修改为config。

通过之前创建的弹性公网ip登录运行tiller的节点，账户密码为创建集群时设置的账户和密码，默认账户为root。

将节点上的以下三个文件

> /etc/kubernetes/pki/ca.pem
>
> /etc/kubernetes/pki/admin.pem
>
> /etc/kubernetes/pki/admin-key.pem

下载至开发机并放在相同的路径，添加四个环境变量

```bash
export HELM_TLS_ENABLE=true

export HELM_TLS_CA_CERT=/etc/kubernetes/pki/ca.pem

export HELM_TLS_CERT=/etc/kubernetes/pki/admin.pem

export HELM_TLS_KEY=/etc/kubernetes/pki/admin-key.pem
```

分别执行`kubectl version`与`helm version`，如果返回client端与server端信息，则证明配置成功。

示例：

![kubectl version](./deploy/kubectl-version.png)

![helm version](./deploy/helm-version.png)

如果只返回client端信息，server端信息显示"Forbidden"，检查开发机是否使用了代理，若有可以尝试关闭代理再次执行命令检查。

#### <span id="head9">2.4 安装Go</span>

推荐安装Go 1.12

下载安装包

```bash
wget https://studygolang.com/dl/golang/go1.12.7.linux-amd64.tar.gz --no-check-certificate
```

解压到 /usr/local/路径下

```bash
tar zxvf go1.12.7.linux-amd64.tar.gz -C /usr/local/
```

设置环境变量

```bash
export GOPATH=/usr/local/go
```

### <span id="head10"> 3、安装volcano</span>

参考[volcano官方文档](https://github.com/volcano-sh/volcano#quick-start-guide)。

通过yaml文件安装

```bash
kubectl apply -f https://raw.githubusercontent.com/volcano-sh/volcano/master/installer/volcano-development.yaml
```

安装完成后执行`kubectl get pods --namespace volcano-system`

若出现以下信息则证明安装成功：

![volcano](./deploy/volcano.png)

### <span id="head11"> 4、执行训练</span>

创建cluster role和service account，[defaultserviceaccountclusterrole.yaml](./resource/defaultserviceaccountclusterrole.yaml) 文件示例如下：

```yaml
kind: ClusterRole
apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1
metadata:
name: default
namespace: default
rules:
- apiGroups: [""]
resources: ["pods"]
verbs: ["get", "list", "watch"]

---
kind: ClusterRoleBinding
apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1
metadata:
name: default
namespace: default
subjects:
- kind: ServiceAccount
name: default
namespace: default
roleRef:
kind: ClusterRole
name: default
apiGroup: rbac.authorization.k8s.io
```

执行

```bash
kubectl create -f defaultserviceaccountclusterrole.yaml 
```

CTR模型的训练镜像存放在[dockerhub](https://hub.docker.com/)网站，通过kubectl加载yaml文件启动训练任务，CTR预估模型训练任务的yaml文件为[volcano-ctr-demo-baiduyun.yaml](./resource/volcano-ctr-demo-baiduyun.yaml)。

执行

```bash
kubectl apply -f volcano-ctr-demo-baiduyun.yaml
```

通过`kubectl get pods`命令可以查看训练任务的运行情况

![ctr running](./deploy/ctr-running.png)

通过`kubectl logs $POD_NAME`可以查看对应的日志，例如`kubectl logs edl-demo-trainer-0`

![trainer log](./deploy/trainer-log.png)

也可以通过百度云平台提供的web页面观察集群的工作负载

![工作负载](./deploy/workload.png)

### <span id="head12"> 5、模型产出</span>

CTR预估模型包含了embedding部分以及dense神经网络两部分，其中embedding部分包含的稀疏参数较多，在某些场景下单机的资源难以加载整个模型，因此需要将这两部分分割开来，稀疏参数部分放在分布式的稀疏参数服务器，dense网络部分加载到serving服务中。

#### <span id="head13">5.1 模型裁剪</span>

产出用于paddle serving预测服务的dense模型需要对保存的原始模型进行裁剪操作，修改模型的输入以及内部结构。具体操作请参考文档[模型裁剪]([https://github.com/PaddlePaddle/Serving/blob/develop/doc/CTR_PREDICTION.md#2-%E6%A8%A1%E5%9E%8B%E8%A3%81%E5%89%AA](https://github.com/PaddlePaddle/Serving/blob/develop/doc/CTR_PREDICTION.md#2-模型裁剪))。

#### <span id="head14">5.2 稀疏参数产出</span>

分布式稀疏参数服务器由paddle serving的cube模块实现。cube服务器中加载的数据格式为seqfile格式，因此需要对paddle保存出的模型文件进行格式转换。

可以通过[格式转换脚本](http://icode.baidu.com/repos/baidu/personal-code/wangguibao/blob/master:ctr-embedding-to-sequencefile/dumper.py)

使用方法：

```bash
python dumper.py --model_path=xxx --output_data_path=xxx
```

**注意事项：**文档中使用的CTR模型训练镜像中已经包含了模型裁剪以及稀疏参数产出的脚本，并且搭建了一个http服务用于从外部获取产出的dense模型以及稀疏参数文件。


## <span id="head15"> 大规模稀疏参数服务Cube的部署和使用</span>

Cube大规模稀疏参数服务服务组件，用于承载超大规模稀疏参数的查询、更新等各功能。上述分布式训练产出的稀疏参数，在k8s中以http文件服务的形式提供下载；cube则负责将稀疏参数读取、加工，切分成多个分片，灌入稀疏参数服务集群，提供对外访问。

Cube一共拆分成三个组件，共同完成上述工作：

1) cube-transfer 负责监听上游数据产出，当判断到数据更新时，将数据下载到cube-builder建库端
2) cube-builder 负责从上游数据构建cube内部索引格式，并切分成多个分片，配送到由多个物理节点组成的稀疏参数服务集群
3) cube-server 每个单独的cube服务承载一个分片的cube数据

关于Cube的详细说明文档，请参考[Cube设计文档](https://github.com/PaddlePaddle/Serving/tree/develop/cube/doc/DESIGN.md)。本文仅描述从头部署Cube服务的流程。

### <span id="head16">1. 编译</span>

Cube是Paddle Serving内置的组件，只要按常规步骤编译Serving即可。要注意的是，编译Cube需要Go语言编译器。

```bash
$ git clone https://github.com/PaddlePaddle/Serving.git
$ cd Serving
$ makedir build
$ cd build
$ cmake -DWITH_GPU=OFF .. # 不需要GPU
$ make -jN                # 这里可修改并发编译线程数
$ make install
$ cd output/
$ ls bin
cube  cube-builder  cube-transfer  pdcodegen
$ ls conf
gflags.conf  transfer.conf
```

其中：
1) bin/cube, bin/cube-builder, bin/cube-transfer是上述3个组件的可执行文件。**bin/cube是cube-server的可执行文件**
2) conf/gflags.conf是配合bin/cube使用的配置文件，主要包括端口配置等等
3) conf/transfer.conf是配合bin/cube-transfer使用的配置文件，主要包括要监听的上游数据地址等等

接下来我们按cube server, cube-builder, cube-transfer的顺序，介绍Cube的完整部署流程



### <span id="head17">2. 分片cube server部署</span>


#### <span id="head18">2.1 配置文件修改</span>

首先修改cube server的配置文件，将端口改为我们需要的端口：

```
--port=8000
--dict_split=1
--in_mem=true
```

#### <span id="head19">2.2 拷贝可执行文件和配置文件到物理机</span>

将bin/cube和conf/gflags.conf拷贝到多个物理机上。假设拷贝好的文件结构如下：

```
$ tree
.
|-- bin
|   `-- cube
`-- conf
`-- gflags.conf
```

#### <span id="head20">2.3 启动 cube server</span>

```bash
nohup bin/cube &
```

### <span id="head21">3. cube-builder部署</span>

#### <span id="head22">3.1 配置文件修改</span>

cube-builder配置项说明：

TOBE FILLED

修改如下：

```
下游节点地址列表
TOBE FILLED
```


#### <span id="head23">3.2 拷贝可执行文件到物理机</span>

部署完成后目录结构如下：
```
TOBE FILLED
```

#### <span id="head24">3.3 启动cube-builder</span>

```
启动cube-builder命令
```

### <span id="head25">4. cube-transfer部署</span>

#### <span id="head26">4.1 cube-transfer配置修改</span>

cube-transfer配置文件是conf/transfer.conf，配置比较复杂；各个配置项含义如下：

1) TOBE FILLED
2) TOBE FILLED
...

我们要将上游数据地址配置到配置文件中：

```
cube-transfer配置文件修改地方：TOBE FILLED
```

#### <span id="head27">4.2 拷贝cube-transfer到物理机</span>

拷贝完成后，目录结构如下：

```
TOBE FILLED
```

#### <span id="head28">4.3 启动cube-transfer</span>

```
启动cube-transfer命令
```

### <span id="head29">4.4 验证</span>

一旦cube-transfer部署完成，它就不断监听我们配置好的数据位置，发现有数据更新后，即启动数据下载，然后通知cube-builder执行建库和配送流程，将新数据配送给各个分片的cube-server。

在上述过程中，经常遇到如下问题，可自行排查解决：
1) TOBE FILLED
2) TOBE FILLED
3) TOBE FILLED


## <span id="head30"> 预测服务部署</span>

### <span id="head31"> 1、Server端</span>

通过wget命令从集群获取dense部分模型用于Server端。

```bash
wget "${公网ip}:/path/to/models"
```

K8s集群上CTR预估任务训练完成后，模型参数分成2部分：一是embedding数据，经过dumper.py已经转成hadoop SequenceFile格式，传输给cube建库流程构建索引和灌cube；二是除embedding之外的参数文件，连同save_program.py裁剪后的program，一起配合传输给Serving加载。save_program.py裁剪原始模型的具体背景和详细步骤请参考文档[Paddle Serving CTR预估模型说明](https://github.com/PaddlePaddle/Serving/blob/develop/doc/CTR_PREDICTION.md)。

本文介绍Serving使用上述模型参数和program加载模型提供预测服务的流程。

#### <span id="head32">1.1 Cube服务</span>

假设Cube服务已经成功部署，用于cube客户端API的配置文件如下所示：

```json
[{
"dict_name": "dict",
"shard": 2,
"dup": 1,
"timeout": 200,
"retry": 3,
"backup_request": 100,
"type": "ipport_list",
"load_balancer": "rr",
"nodes": [{
"ipport_list": "list://192.168.1.1:8000"
},{
"ipport_list": "list://192.168.1.2:8000"
}]
}]
```

上述例子中，cube提供外部访问的表名是`dict`，有2个物理分片，分别在192.168.1.1:8000和192.168.1.2:8000

#### <span id="head33">1.2 Serving编译</span>

截至写本文时，Serving develop分支已经提供了CTR预估服务相关OP，参考[ctr_prediction_op.cpp](https://github.com/PaddlePaddle/Serving/blob/develop/demo-serving/op/ctr_prediction_op.cpp)，该OP从client端接收请求后会将每个请求的26个sparse feature id发给cube服务，获得对应的embedding向量，然后填充到模型feed variable对应的LoDTensor，执行预测计算。只要按常规步骤编译Serving即可。

```bash
$ git clone https://github.com/PaddlePaddle/Serving.git
$ cd Serving
$ makedir build
$ cd build
$ cmake -DWITH_GPU=OFF .. # 不需要GPU
$ make -jN                # 这里可修改并发编译线程数
$ make install
$ cd output/demo/serving
```

#### <span id="head34">1.3 配置修改</span>

##### <span id="head35">1.3.1 conf/gflags.conf</span>

将--enable_cube改为true:

```json
--enable_cube=true
```

##### <span id="head36">1.3.2 conf/model_toolkit.prototxt</span>

Paddle Serving自带的model_toolkit.prototxt如下所示，如有必要可只保留ctr_prediction一个：

```
engines {
name: "image_classification_resnet"
type: "FLUID_CPU_NATIVE_DIR"
reloadable_meta: "./data/model/paddle/fluid_time_file"
reloadable_type: "timestamp_ne"
model_data_path: "./data/model/paddle/fluid/SE_ResNeXt50_32x4d"
runtime_thread_num: 0
batch_infer_size: 0
enable_batch_align: 0
}
engines {
name: "text_classification_bow"
type: "FLUID_CPU_ANALYSIS_DIR"
reloadable_meta: "./data/model/paddle/fluid_time_file"
reloadable_type: "timestamp_ne"
model_data_path: "./data/model/paddle/fluid/text_classification_lstm"
runtime_thread_num: 0
batch_infer_size: 0
enable_batch_align: 0
}

engines {
name: "ctr_prediction"
type: "FLUID_CPU_ANALYSIS_DIR"
reloadable_meta: "./data/model/paddle/fluid_time_file"
reloadable_type: "timestamp_ne"
model_data_path: "./data/model/paddle/fluid/ctr_prediction"
runtime_thread_num: 0
batch_infer_size: 0
enable_batch_align: 0
sparse_param_service_type: REMOTE
sparse_param_service_table_name: "dict"
}
```

注意ctr_prediction model有如下2行配置：

```json
sparse_param_service_type: REMOTE
sparse_param_service_table_name: "dict"
```

##### <span id="head37">1.3.3 conf/cube.conf</span>

conf/cube.conf是一个完整的cube配置文件模板，其中只要修改nodes列表为真实的物理节点IP:port列表即可。例如 （与第1节cube配置文件内容一致）：

```json
[{
"dict_name": "dict",
"shard": 2,
"dup": 1,
"timeout": 200,
"retry": 3,
"backup_request": 100,
"type": "ipport_list",
"load_balancer": "rr",
"nodes": [{
"ipport_list": "list://192.168.1.1:8000"
},{
"ipport_list": "list://192.168.1.2:8000"
}]
}]
```

**注意事项：**如果修改了`dict_name`，需要同步修改1.3.2节中`sparse_param_service_table_name`字段

##### <span id="head38">1.3.4 模型文件</span>

Paddle Serving自带了一个可以工作的CTR预估模型，是从BCE上下载下来的，其制作方法为： 1) 分布式训练CTR预估任务，保存模型program和参数文件 2) 用save_program.py保存一份用于预测的program (文件名为**model**)。save_program.py随trainer docker image发布 3) 第2步中保存的program (**model**) 覆盖到第1)步保存的模型文件夹中**model**文件，打包成.tar.gz上传到BCE

如果只是为了验证demo流程，serving此时已经可以用自带的CTR模型加载模型并提供预测服务能力。

为了应用重新训练的模型，只需要从k8s集群暴露的ftp服务下载新的.tar.gz，解压到data/model/paddle/fluid下，覆盖原来的ctr_prediction目录即可。从K8S集群暴露的ftp服务下载训练模型，请参考文档[PaddlePaddle分布式训练和Serving流程化部署](http://icode.baidu.com/repos/baidu/personal-code/wangguibao/blob/master:ctr-embedding-to-sequencefile/path/to/doc/DISTRIBUTED_TRANING_AND_SERVING.md)

#### <span id="head39">1.4 启动Serving</span>

执行`./bin/serving  `启动serving服务，在./log路径下可以查看serving日志。

### <span id="head40"> 2、Client端</span>

参考[从零开始写一个预测服务：client端]([https://github.com/PaddlePaddle/Serving/blob/develop/doc/CREATING.md#3-client%E7%AB%AF](https://github.com/PaddlePaddle/Serving/blob/develop/doc/CREATING.md#3-client端))文档，实现client端代码。

文档中使用的CTR预估任务client端代码存放在Serving代码库demo-client路径下，链接[ctr_prediction.cpp](https://github.com/PaddlePaddle/Serving/blob/develop/demo-client/src/ctr_prediction.cpp)。

#### <span id="head41">2.1 测试数据</span>

CTR预估任务样例使用的数据来自于[原始模型](https://github.com/PaddlePaddle/models/tree/develop/PaddleRec/ctr)的测试数据，在样例中提供了1000个测试样本，如果需要更多样本可以参照原始模型下载数据的[脚本](https://github.com/PaddlePaddle/models/blob/develop/PaddleRec/ctr/data/download.sh)。

#### <span id="head42">2.2 Client编译与部署</span>

按照[1.2Serving编译](#1.2 Serving编译)部分完成编译后，client端文件在output/demo/client/ctr_prediction路径下。

##### <span id="head43">2.2.1 配置修改</span>

修改conf/predictors.prototxt文件ctr_prediction_service部分

```
predictors {
name: "ctr_prediction_service"
service_name: "baidu.paddle_serving.predictor.ctr_prediction.CTRPredictionService"
endpoint_router: "WeightedRandomRender"
weighted_random_render_conf {
variant_weight_list: "50"
}
variants {
tag: "var1"
naming_conf {
cluster: "list://127.0.0.1:8010"
}
}
}
```

配置Server端ip与端口号，默认为本机ip、8010端口。

##### <span id="head44">2.2.2 运行服务</span>

执行`./bin/ctr_predictoin`启动client端，在./log路径下可以看到client端执行的日志。