基于MindSpore Serving部署分布式推理服务

Linux Ascend Serving 中级 高级

概述

分布式推理是指推理阶段采用多卡进行推理，针对超大规模神经网络模型参数个数过多、模型无法完全加载至单卡中进行推理的问题，可利用多卡进行分布式推理。本文介绍部署分布式推理服务的流程，与单卡推理服务部署流程大致相同，可以相互参考。

分布式推理服务的架构如图所示：

master提供客户端访问的接口，管理分布式worker并进行任务管理与分发；分布式worker根据模型配置自动调度agent完成分布式推理；每一个agent包含一个分布式模型的切片，占用一个device，加载模型执行推理。

上图展示了rank_size为16，stage_size为2的场景，每个stage包含8个agent，占用8个device。rank_size表示推理使用的device的个数，stage表示流水线的一段，stage_size表示流水线的段数。分布式worker向agent发送推理请求并从agent获取推理结果。agent之间使用HCCL通信。

当前对分布式模型有以下限制：

第一个stage的模型接收相同的输入数据。
其他的stage的模型不接收数据。
最后一个stage的所有模型都返回相同的数据。
仅支持Ascend 910推理。

下面以一个简单的分布式网络MatMul为例，演示部署流程。

环境准备

运行示例前，需确保已经正确安装了MindSpore Serving。如果没有，可以参考MindSpore Serving安装页面，将MindSpore Serving正确地安装到你的电脑当中，同时参考MindSpore Serving环境配置页面完成环境变量配置。

导出分布式模型

导出分布式模型需要的文件可以参考export_model目录，需要如下文件列表：

export_model
├── distributed_inference.py
├── export_model.sh
├── net.py
└── rank_table_8pcs.json

net.py为MatMul网络定义。
distributed_inference.py配置分布式相关的参数。
export_model.sh在当前机器上创建device目录并且导出每个device对应的模型文件。
rank_table_8pcs.json为配置当前多卡环境的组网信息的json文件，可以参考rank_table。

使用net.py，构造一个包含MatMul、Neg算子的网络。

import numpy as np
from mindspore import Tensor, Parameter, ops
from mindspore.nn import Cell


class Net(Cell):
    def __init__(self, matmul_size, transpose_a=False, transpose_b=False, strategy=None):
        super().__init__()
        matmul_np = np.full(matmul_size, 0.5, dtype=np.float32)
        self.matmul_weight = Parameter(Tensor(matmul_np))
        self.matmul = ops.MatMul(transpose_a=transpose_a, transpose_b=transpose_b)
        self.neg = ops.Neg()
        if strategy is not None:
            self.matmul.shard(strategy)

    def construct(self, inputs):
        x = self.matmul(inputs, self.matmul_weight)
        x = self.neg(x)
        return x

使用distributed_inference.py，配置分布式模型。可以参考分布式推理。

import numpy as np
from net import Net
from mindspore import context, Model, Tensor, export
from mindspore.communication import init


def test_inference():
    """distributed inference after distributed training"""
    context.set_context(mode=context.GRAPH_MODE)
    init(backend_name="hccl")
    context.set_auto_parallel_context(full_batch=True, parallel_mode="semi_auto_parallel",
                                      device_num=8, group_ckpt_save_file="./group_config.pb")

    predict_data = create_predict_data()
    network = Net(matmul_size=(96, 16))
    model = Model(network)
    model.infer_predict_layout(Tensor(predict_data))
    export(model._predict_network, Tensor(predict_data), file_name="matmul", file_format="MINDIR")


def create_predict_data():
    """user-defined predict data"""
    inputs_np = np.random.randn(128, 96).astype(np.float32)
    return Tensor(inputs_np)

使用export_model.sh，导出分布式模型。执行成功后会在上一级目录创建model目录，结构如下：

model
├── device0
│   ├── group_config.pb
│   └── matmul.mindir
├── device1
├── device2
├── device3
├── device4
├── device5
├── device6
└── device7

每个device目录都包含两个文件group_config.pb和matmul.mindir，分别表示模型分组配置文件与模型文件。

部署分布式推理服务

启动分布式推理服务，可以参考matmul_distributed，需要如下文件列表：

matmul_distributed
├── agent.py
├── master_with_worker.py
├── matmul
│   └── servable_config.py
├── model
└── rank_table_8pcs.json

model为存放模型文件的目录。
master_with_worker.py为启动服务脚本。
agent.py为启动agent脚本。
servable_config.py为模型配置文件，通过declare_distributed_servable声明了一个rank_size为8、stage_size为1的分布式模型，同时定义了一个分布式servable的方法predict。

模型配置文件内容如下：

from mindspore_serving.worker import distributed
from mindspore_serving.worker import register

distributed.declare_distributed_servable(rank_size=8, stage_size=1, with_batch_dim=False)


@register.register_method(output_names=["y"])
def predict(x):
    y = register.call_servable(x)
    return y

启动master与分布式worker

使用master_with_worker.py，调用start_distributed_servable_in_master方法部署共进程的master和分布式worker。

import os
import sys
from mindspore_serving import master
from mindspore_serving.worker import distributed


def start():
    servable_dir = os.path.dirname(os.path.realpath(sys.argv[0]))
    distributed.start_distributed_servable_in_master(servable_dir, "matmul",
                                                     rank_table_json_file="rank_table_8pcs.json",
                                                     version_number=1,
                                                     worker_ip="127.0.0.1", worker_port=6200,
                                                     wait_agents_time_in_seconds=0)
    master.start_grpc_server("127.0.0.1", 5500)
    master.start_restful_server("127.0.0.1", 1500)


if __name__ == "__main__":
    start()

servable_dir为servable存放的目录。
servable_name为servable的名称，对应一个存放模型配置文件的目录。
rank_table_json_file为配置当前多卡环境的组网信息的json文件。
worker_ip 为分布式worker的ip地址。
worker_port为分布式worker的port。
wait_agents_time_in_seconds设置等待所有agent注册完成的时限，默认为0表示会一直等待。

启动Agent

使用agent.py，调用startup_worker_agents方法会在当前机器上启动的8个agent进程。agent会从分布式worker获取rank_table，这样agent之间才能利用HCCL进行通信。

from mindspore_serving.worker import distributed


def start_agents():
    """Start all the worker agents in current machine"""
    model_files = []
    group_configs = []
    for i in range(8):
        model_files.append(f"model/device{i}/matmul.mindir")
        group_configs.append(f"model/device{i}/group_config.pb")

    distributed.startup_worker_agents(worker_ip="127.0.0.1", worker_port=6200, model_files=model_files,
                                      group_config_files=group_configs, agent_start_port=7000, agent_ip=None,
                                      rank_start=None)


if __name__ == '__main__':
    start_agents()

worker_ip为分布式worker的ip地址。
worker_port为分布式worker的port。
model_files为模型文件路径的列表。
group_config_files为模型分组配置文件路径的列表。
agent_start_port表示agent占用的起始端口，默认为7000。
agent_ip为agent的ip地址，默认为None。agent与分布式worker通信的ip默认会从rank_table获取，如果该ip地址不可用，则需要同时设置agent_ip与rank_start。
rank_start为当前机器起始的rank_id，默认为None。

执行推理

通过gRPC访问推理服务，client需要指定gRPC服务器的ip地址和port。运行client.py，调用matmul分布式模型的predict方法，执行推理。

import numpy as np
from mindspore_serving.client import Client


def run_matmul():
    """Run client of distributed matmul"""
    client = Client("localhost", 5500, "matmul", "predict")
    instance = {"x": np.ones((128, 96), np.float32)}
    result = client.infer(instance)
    print("result:\n", result)


if __name__ == '__main__':
    run_matmul()

执行后显示如下返回值，说明Serving分布式推理服务已正确执行MatMul网络的推理：

result:
[{'y': array([[-48., -48., -48., ..., -48., -48., -48.],
      [-48., -48., -48., ..., -48., -48., -48.],
      [-48., -48., -48., ..., -48., -48., -48.],
      ...,
      [-48., -48., -48., ..., -48., -48., -48.],
      [-48., -48., -48., ..., -48., -48., -48.],
      [-48., -48., -48., ..., -48., -48., -48.]], dtype=float32)}]