在 GKE 上使用 Ray 部署多主機 TPU vLLM 推論

1. 簡介

在本程式碼研究室中,您將瞭解如何使用 Google Cloud TPU,在 Google Kubernetes Engine (GKE) 上部署高效能的多主機 vLLM (虛擬大型語言模型) 推論服務。您將使用 Ray 設定分散式推論,並使用 LeaderWorkerSets 在 GKE 上原生管理工作負載。

本逐步導覽會模擬正式環境設定,以便提供 Qwen 30B 等大型模型。

學習內容

  • 為加速器流量建立自訂虛擬私有雲網路。
  • 佈建 GKE 叢集,並使用 Ray 運算子和 GCS Fuse CSI 驅動程式。
  • 初始化 GCS Rapid Cache,加快模型載入速度。
  • 使用預留容量佈建多主機 TPU v6e 節點集區。
  • 設定 Workload Identity,安全存取模型權重。
  • 部署及測試 vLLM 引擎,提供 300 億個參數模型。

軟硬體需求

  • 已啟用計費功能的 Google Cloud 專案。
  • TPU v6e 資源的 Google Cloud 預訂 (32 個晶片,ct6e-standard-4t)。
  • 有權從來源 bucket 複製模型權重。
  • Cloud Shell 或已安裝 gcloud、kubectl 和 helm 的本機終端機。
  • 預計時間:60 分鐘
  • 預估費用: $60 美元以下 (假設拆除作業迅速完成)。

2. 事前準備

建立或選取 Google Cloud 專案

  1. 在 Google Cloud 控制台中,選取或建立 Google Cloud 專案。
  2. 確認 Cloud 專案已啟用計費功能。

啟動 Cloud Shell

  1. 點選 Google Cloud 控制台頂端的「啟用 Cloud Shell」。
  2. 驗證:
gcloud auth list
  1. 確認專案:
gcloud config get project
  1. 視需要設定:
export PROJECT_ID=<YOUR_PROJECT_ID>
gcloud config set project $PROJECT_ID

設定環境變數

為方便執行指令,請在殼層中定義下列變數。將 <YOUR_ZONE> 替換為您分配到的 TPU 區域,並將 <YOUR_RESERVATION_NAME> 替換為預訂 ID。您必須建立 Hugging Face 使用者存取權杖,才能下載封閉式模型權重。建立完成後,請將 <YOUR_HUGGING_FACE_TOKEN> 替換為新建立的權杖。

export PROJECT_ID=$(gcloud config get-value project)
export PROJECT_NUMBER=$(gcloud projects describe ${PROJECT_ID} --format="value(projectNumber)")
export ZONE="<YOUR_ZONE>" # e.g., us-east5-a
export REGION=${ZONE%-*}
export CLUSTER_NAME="qwen-serving-cluster"
export GVNIC_NETWORK_PREFIX="qwen-serving"
export BUCKET_NAME="inf-demo-model-storage-${PROJECT_NUMBER}"
export RESERVATION_NAME="<YOUR_RESERVATION_NAME>"
export NODE_POOL_NAME="tpu-v6e-32-resvd-pool"
export MULTIHOST_COLLECTION_NAME="tpu-6-collection"
export HF_TOKEN="<YOUR_HUGGING_FACE_TOKEN>" # Token with access to Qwen model if restricted

啟用 API

啟用必要的 Google Cloud 服務:

gcloud services enable \
    container.googleapis.com \
    compute.googleapis.com \
    iam.googleapis.com \
    cloudresourcemanager.googleapis.com

3. 建立自訂網路

多主機 TPU 工作負載需要特定網路設定,包括較大的 MTU 大小,才能有效率地進行加速器通訊。為叢集建立自訂虛擬私有雲網路。

  1. 建立 MTU 較大的虛擬私有雲網路 (8896):
    gcloud compute --project=${PROJECT_ID} \
        networks create ${GVNIC_NETWORK_PREFIX}-main \
        --subnet-mode=custom \
        --mtu=8896
    
  2. 建立叢集的子網路:
    gcloud compute --project=${PROJECT_ID} \
        networks subnets create ${GVNIC_NETWORK_PREFIX}-tpu \
        --network=${GVNIC_NETWORK_PREFIX}-main \
        --region=${REGION} \
        --range=192.168.100.0/24
    
  3. 建立防火牆規則,允許內部流量,讓工作人員能夠通訊:
    gcloud compute --project=${PROJECT_ID} firewall-rules create ${GVNIC_NETWORK_PREFIX}-allow-internal \
        --network=${GVNIC_NETWORK_PREFIX}-main \
        --allow=all \
        --source-ranges=172.16.0.0/12,192.168.0.0/16,10.0.0.0/8 \
        --description="Allow all internal traffic within the network."
    

4. 佈建 GKE 叢集

建立標準 GKE 叢集設定,支援 GCS Fuse 掛接和 Ray Operator 工作負載。

  1. 建立叢集:
    gcloud container clusters create ${CLUSTER_NAME} \
        --project=${PROJECT_ID} \
        --location=${REGION} \
        --release-channel=rapid \
        --machine-type=e2-standard-4 \
        --network=${GVNIC_NETWORK_PREFIX}-main \
        --subnetwork=${GVNIC_NETWORK_PREFIX}-tpu \
        --num-nodes=1 \
        --gateway-api=standard \
        --enable-managed-prometheus \
        --enable-dataplane-v2 \
        --enable-dataplane-v2-metrics \
        --workload-pool=${PROJECT_ID}.svc.id.goog \
        --addons=GcsFuseCsiDriver,RayOperator \
        --enable-ip-alias
    
  2. 擷取叢集憑證:
    gcloud container clusters get-credentials ${CLUSTER_NAME} --region=${REGION}
    
  3. 建立 Hugging Face Secret:安全地儲存權杖,以便下載容器存取權:
    kubectl create secret generic hf-secret \
        --from-literal=hf_api_token=${HF_TOKEN} \
        --dry-run=client -o yaml | kubectl apply -f -
    
  4. 透過 Helm 安裝 LeaderWorkerSet (LWS)。LWS 會管理必須一併排程的 Pod 群組:
    helm install lws oci://registry.k8s.io/lws/charts/lws \
        --version=0.7.0 \
        --namespace lws-system \
        --create-namespace \
        --wait
    

5. 啟用 GCS Rapid Cache

如要在服務期間加快從 Cloud Storage 讀取數十 GB 權重的速度,請建立 GCS bucket,並在可用區中啟用 GCS Rapid Cache。

  1. 建立 bucket:
    gcloud storage buckets create gs://$BUCKET_NAME \
        --location=$REGION \
        --uniform-bucket-level-access
    
  2. 在 TPU 區域中初始化 Rapid Cache:
    gcloud storage buckets anywhere-caches create gs://$BUCKET_NAME $ZONE \
        --ttl=1d \
        --admission-policy=ADMIT_ON_FIRST_MISS
    

6. 設定 Workload Identity 和儲存空間權限

設定身分連結,將權重值區安全地掛接到 GKE Pod 中,不必嵌入長期有效的金鑰。

  1. 建立專屬的 IAM 服務帳戶:
    gcloud iam service-accounts create tpu-reader-sa
    
  2. 授予值區讀取權限:
    gcloud storage buckets add-iam-policy-binding gs://${BUCKET_NAME} \
        --member="serviceAccount:tpu-reader-sa@${PROJECT_ID}.iam.gserviceaccount.com" \
        --role="roles/storage.objectAdmin"
    
  3. 為 default 命名空間 Kubernetes 服務帳戶建立 Workload Identity 繫結:
    gcloud iam service-accounts add-iam-policy-binding tpu-reader-sa@${PROJECT_ID}.iam.gserviceaccount.com \
        --role="roles/iam.workloadIdentityUser" \
        --member="serviceAccount:${PROJECT_ID}.svc.id.goog[default/default]"
    
  4. 為 Kubernetes SA 加入註解:
    kubectl annotate serviceaccount default iam.gke.io/gcp-service-account=tpu-reader-sa@${PROJECT_ID}.iam.gserviceaccount.com
    

7. 模型權重設定

如要提供 300 億參數模型,您需要從 Hugging Face 將權重下載至 GCS 值區。如要略過 Cloud Shell 磁碟配額限制 (5 GB),請使用 Standard Kubernetes Job 直接在叢集內下載,並安全地寫入已掛接的 GCS Fuse 磁碟區。

  1. 部署模型下載器工作:建立並套用下列資訊清單,啟動下載作業:
    cat <<EOF | kubectl apply -f -
    apiVersion: batch/v1
    kind: Job
    metadata:
      name: model-downloader
    spec:
      ttlSecondsAfterFinished: 60
      template:
        metadata:
          annotations:
            gke-gcsfuse/volumes: "true"
            gke-gcsfuse/memory-limit: "0"
        spec:
          serviceAccountName: default
          restartPolicy: OnFailure
          containers:
          - name: downloader
            image: python:3.10-slim
            command: ["/bin/sh", "-c"]
            args:
            - |
              pip install -U "huggingface_hub[hf_transfer]" filelock
              export HF_HUB_ENABLE_HF_TRANSFER=1
    
              python -c '
              import filelock
    
              class DummyLock:
                  def __init__(self, *args, **kwargs): pass
                  def __enter__(self): return self
                  def __exit__(self, *args): pass
                  def acquire(self, *args, **kwargs): pass
                  def release(self, *args, **kwargs): pass
    
              filelock.FileLock = DummyLock
    
              from huggingface_hub import snapshot_download
              snapshot_download(
                  repo_id="Qwen/Qwen3-30B-A3B", 
                  local_dir="/models/qwen3-30b-weights",
                  local_dir_use_symlinks=False
              )
              '
            env:
            - name: HF_TOKEN
              valueFrom:
                secretKeyRef:
                  name: hf-secret
                  key: hf_api_token
            volumeMounts:
            - name: model-weights
              mountPath: /models
          volumes:
          - name: model-weights
            csi:
              driver: gcsfuse.csi.storage.gke.io
              volumeAttributes:
                bucketName: ${BUCKET_NAME}
                mountOptions: "implicit-dirs"
    EOF
    
  2. 監控下載作業:查看下載器 Pod 的記錄,追蹤進度:
    kubectl logs -f job/model-downloader
    
    等待工作完成,且狀態為成功。

8. 建立預留 TPU 節點集區

使用現有的容量預留項目,佈建實際的多主機 TPU 配量。

  1. 執行建立指令:
    gcloud beta container node-pools create ${NODE_POOL_NAME} \
        --project=${PROJECT_ID} \
        --cluster=${CLUSTER_NAME} \
        --region=${REGION} \
        --node-locations=${ZONE} \
        --machine-type=ct6e-standard-4t \
        --tpu-topology=4x8 \
        --num-nodes=8 \
        --scopes=https://www.googleapis.com/auth/cloud-platform \
        --reservation-affinity=specific \
        --reservation=${RESERVATION_NAME} \
        --accelerator-network-profile=auto \
        --node-labels=cloud.google.com/gke-nodepool-group-name=${MULTIHOST_COLLECTION_NAME} \
        --node-labels=cloud.google.com/gke-workload-type=HIGH_AVAILABILITY \
        --node-labels=cloud.google.com/gke-networking-dra-driver=true
    
  2. 等待節點加入:您可以直接觀察節點匯總的資源調度。等待 8 個包含 ct6e 的節點加入 kubectl get nodes。

9. 部署 vLLM 服務

  1. 建立網路聲明:您需要要求網路環境:
    cat <<EOF | kubectl apply -f -
    apiVersion: resource.k8s.io/v1
    kind: ResourceClaimTemplate
    metadata:
      name: all-netdev
    spec:
      spec:
        devices:
          requests:
          - name: req-netdev
            exactly:
              deviceClassName: netdev.google.com
              allocationMode: All
    EOF
    
  2. 部署負載平衡器 API 端點:
    cat <<EOF | kubectl apply -f -
    apiVersion: v1
    kind: Service
    metadata:
      name: vllm-tpu-service
    spec:
      type: LoadBalancer
      selector:
        leaderworkerset.sigs.k8s.io/name: vllm-tpu-qwen
        leaderworkerset.sigs.k8s.io/worker-index: "0"
      ports:
      - protocol: TCP
        port: 8000
        targetPort: 8000
    EOF
    
  3. 部署 LeaderWorkerSet 工作負載:這個資訊清單會跨 8 個切片主機動態啟動 Ray head/worker 彙整。
    cat <<EOF | kubectl apply -f -
    apiVersion: leaderworkerset.x-k8s.io/v1
    kind: LeaderWorkerSet
    metadata:
      name: vllm-tpu-qwen
    spec:
      replicas: 1
      leaderWorkerTemplate:
        size: 8
        restartPolicy: RecreateGroupOnPodRestart
        workerTemplate:
          metadata:
            annotations:
              gke-gcsfuse/volumes: "true"
              gke-gcsfuse/memory-limit: "0"
            labels:
              leaderworkerset.sigs.k8s.io/name: vllm-tpu-qwen
              gke-gcsfuse/volumes: "true"
          spec:
            hostname: vllm-tpu-qwen
            serviceAccountName: default
            containers:
            - name: vllm-tpu
              image: vllm/vllm-tpu:nightly
              command: ["sh", "-c"]
              args:
              - |
                MY_TPU_IP=\$(hostname -I | awk '{print \$1}')
                echo "My TPU Network IP is: \$MY_TPU_IP"
    
                LEADER_DNS="vllm-tpu-qwen-0.vllm-tpu-qwen"
                until getent hosts \$LEADER_DNS; do
                  echo "DNS not ready. Sleeping 5s..."
                  sleep 5
                  done
                LEADER_IP=\$(getent hosts \$LEADER_DNS | awk '{print \$1}')
    
                export JAX_PLATFORMS=''
                export SCAN_TPU_CHIPS=True
                export TPU_MULTIHOST_BACKEND=ray
                export JAX_DISTRIBUTED_INITIALIZATION_TIMEOUT=300
                export LD_LIBRARY_PATH=\$LD_LIBRARY_PATH:/usr/local/lib
                export VLLM_HOST_IP=\$MY_TPU_IP
    
                if [ "\$LWS_WORKER_INDEX" = "0" ]; then
                  echo "Starting Ray Head..."
                  ray start --head --port=6379 --node-ip-address=\$MY_TPU_IP --resources='{"TPU": 4}' --block &
                  sleep 20
                  until ray status; do sleep 5; done
    
                  echo "Starting vLLM API Server..."
                  python3 -m vllm.entrypoints.openai.api_server \
                    --model=/models/qwen3-30b-weights \
                    --tensor-parallel-size=32 \
                    --pipeline-parallel-size=1 \
                    --distributed-executor-backend=ray \
                    --host=0.0.0.0 --port=8000 \
                    --enforce-eager \
                    --gpu-memory-utilization=0.90
                else
                  ray start --address=\${LEADER_IP}:6379 --node-ip-address=\$MY_TPU_IP --resources='{"TPU": 4}' --block
                fi
              ports:
              - containerPort: 8000
              - containerPort: 6379
              volumeMounts:
              - name: model-weights
                mountPath: /models
                readOnly: true
              - name: dshm
                mountPath: /dev/shm
              resources:
                claims:
                - name: net-resources
                limits:
                  google.com/tpu: 4
                  memory: "100Gi"
                requests:
                  google.com/tpu: 4
                  memory: "100Gi"
            nodeSelector:
              cloud.google.com/gke-tpu-accelerator: tpu-v6e-slice
              cloud.google.com/gke-tpu-topology: 4x8
              gke.networks.io/accelerator-network-profile: auto
            resourceClaims:
            - name: net-resources
              resourceClaimTemplateName: all-netdev
            volumes:
            - name: model-weights
              csi:
                driver: gcsfuse.csi.storage.gke.io
                volumeAttributes:
                  bucketName: ${BUCKET_NAME}
                  mountOptions: "implicit-dirs"
            - name: dshm
              emptyDir:
                medium: Memory
    EOF
    

10. 測試部署作業回應

LeaderWorkerSet 中的所有 Pod 可能需要 5 到 10 分鐘才能提取容器映像檔、初始化 Ray,並完全Ready。您可以監控 Pod 初始化作業,追蹤狀態:

kubectl get pods -l leaderworkerset.sigs.k8s.io/name=vllm-tpu-qwen -w

請等待所有 8 個 vllm-tpu-qwen- Pod 顯示 STATUS 為 Running,以及 READY 為 2/2,並確認負載平衡器已收到外部 IP,再繼續操作。這項作業應會在 7 到 10 分鐘內完成。

  1. 擷取外部 IP:
    export EXTERNAL_IP=$(kubectl get svc vllm-tpu-service -o jsonpath='{.status.loadBalancer.ingress[0].ip}')
    echo $EXTERNAL_IP
    

注意:在正式版服務中,這個端點應使用 Identity-Aware Proxy (IAP) 等服務加以保護

  1. 使用 curl 提交推論要求:
        curl -N -s http://$EXTERNAL_IP:8000/v1/chat/completions \
            -H "Content-Type: application/json" \
            -d '{
                "model": "/models/qwen3-30b-weights",
                "messages": [{"role": "user", "content": "Write a haiku about high-performance computing on TPUs."}],
                "temperature": 0.7,
                "max_tokens": 100,
                "stream": true
            }' | sed 's/^data: //' | grep -v '\[DONE\]' | grep -v '^$' | jq -rj '.choices[0].delta.content // empty' ; echo ""
    
    您應該會看到類似 JSON 回應的輸出內容,其中包含代表所產生推論的文字!

11. 清理

如要避免系統持續向您的 Google Cloud 帳戶收費,請刪除本程式碼研究室建立的資源。

  1. 刪除節點集區:
    gcloud container node-pools delete "${NODE_POOL_NAME}" \
        --cluster="${CLUSTER_NAME}" \
        --region="${REGION}" \
        --project="${PROJECT_ID}" --quiet
    
  2. 刪除叢集:
    gcloud container clusters delete "${CLUSTER_NAME}" \
        --region="${REGION}" \
        --project="${PROJECT_ID}" --quiet
    
  3. 刪除網路和防火牆設定:
    gcloud compute firewall-rules delete \
        "${GVNIC_NETWORK_PREFIX}-allow-internal" \
        --project="${PROJECT_ID}" --quiet
    
    gcloud compute networks subnets delete "${GVNIC_NETWORK_PREFIX}-tpu" \
        --region="${REGION}" --quiet
    
    gcloud compute networks delete "${GVNIC_NETWORK_PREFIX}-main" --quiet
    
  4. 取消繫結並刪除服務帳戶:
        # 1. Create the cleanup script
        cat << 'EOF' > clean_up_sa.sh
        #!/bin/bash
    
        # Validate that PROJECT_ID is available
        if [ -z "$PROJECT_ID" ]; then
          echo "Error: PROJECT_ID environment variable is not set."
          exit 1
        fi
    
        SA_EMAIL="tpu-reader-sa@${PROJECT_ID}.iam.gserviceaccount.com"
        SA_MEMBER="serviceAccount:${SA_EMAIL}"
    
        echo "Gathering IAM policy for ${SA_EMAIL}..."
    
        # Fetch roles assigned to this specific SA
        ROLES=$(gcloud projects get-iam-policy ${PROJECT_ID} \
            --flatten="bindings[].members" \
            --filter="bindings.members:${SA_MEMBER}" \
            --format="value(bindings.role)")
    
        if [ -z "$ROLES" ]; then
            echo "No IAM bindings found for this service account."
        else
            for ROLE in $ROLES; do
                echo "Removing binding for: ${ROLE}..."
                gcloud projects remove-iam-policy-binding ${PROJECT_ID} \
                    --member="${SA_MEMBER}" \
                    --role="${ROLE}" --quiet > /dev/null
            done
            echo "Successfully unbound all roles."
        fi
    
        # 2. Delete the service account itself
        echo "Deleting service account..."
        gcloud iam service-accounts delete ${SA_EMAIL} --project=${PROJECT_ID} --quiet
    
        echo "Cleanup complete."
        EOF
    
        # 2. Make the script executable and run it
        chmod +x clean_up_sa.sh
        ./clean_up_sa.sh
    
  5. 刪除 GCS Bucket:前往 Cloud 控制台,依序選取「Cloud Storage」->「Buckets」,選取「inf-demo-model-storage」,然後選擇「Delete」。

12. 恭喜

恭喜!您已成功部署多主機 TPU 高推論率 vLLM 堆疊,並透過 Google Kubernetes Engine 原生使用 Ray。

目前所學內容

  • 提供專為高速 TPU 流量量身打造的自訂路徑。
  • 使用 GCS Fuse 和區域快速快取掛接權重。
  • 透過 LeaderWorkerSets 自動調度管理多主機工作負載切片,並以原生方式同步處理。
  • 如要瞭解詳情,請參閱 vLLM 使用者指南和 llm-d 部署指南。