統合AIデモサービススタックにML/DLモデルをデプロイする

記事

Toshihiko Minamoto · 2022年2月14日 19m read

Open Exchange

#AI #IntegratedML #コンテナ化 #機械学習 #継続的インテグレーション #継続的デリバリー #開発者コミュニティ公式

キーワード: IRIS、IntegratedML、Flask、FastAPI、Tensorflow Serving、HAProxy、Docker、Covid-19

目的:

過去数か月に渡り、潜在的なICU入室を予測するための単純なCovid-19 Ｘ線画像分類器やCovid-19ラボ結果分類器など、ディープラーニングと機械学習の簡単なデモをいくつか見てきました。また、ICU分類器のIntegratedMLデモ実装についても見てきました。「データサイエンス」の旅路はまだ続いていますが、「データエンジニアリング」の観点から、AIサービスデプロイメントを試す時期が来たかもしれません。これまでに見てきたことすべてを、一式のサービスAPIにまとめることはできるでしょうか。このようなサービススタックを最も単純なアプローチで達成するには、どういった一般的なツール、コンポーネント、およびインフラストラクチャを活用できるでしょうか。

対象範囲

対象:

ジャンプスタートとして、docker-composeを使用して、次のDocker化されたコンポーネントをAWS Ubuntuサーバーにデプロイできます。

HAProxy - ロードバランサー
Gunicorn と Univorn - Webゲートウェイ****サーバー
Flask と FastAPI - WebアプリケーションUI、サービスAPI定義、およびヒートマップ生成などのアプリケーションサーバー
Tensorflow Model Serving と Tensorflow-GPU Model Serving - 画像や分類などのアプリケーションバックエンドサーバー
IRIS IntegratedML - SQL インターフェースを備えたアプリとデータベースを統合した AutoML
ベンチマーキング用クライアントをエミュレートする、JupyterノートブックのPython3
Dockerとdocker-compose
Testla T4 GPU搭載のAWS Ubuntu 16.04

注意: GPUを使用したTensorflow Servingはデモのみを目的としています。GPU関連の画像（dockerfile）と構成（docker-compose.yml）は、単純にオフにできます。

対象外またはウィッシュリスト:

Nginx またはApacheなどのWebサーバーは、今のところこのデモでは省略されています。
RabbitMQとRedis - IRISまたはEnsembleと置き換えられる、信頼性の高いメッセージングキューブローカー。
IAM（Intersystems API Manger）またはKongはウィッシュリストに含まれます。
SAM （InterSystemsのシステムアラートと監視）
Kubernetes Operator付きのICM（InterSystems Cloud Manager）- 誕生したときからずっとお気に入りの1つです。
FHIR（IntesyStems IRISベースのFHIR R4サーバーとFHIRアプリのSMART用FHIRサンドボックス）
CI/CD開発ツールまたはGithub Actions

「機械学習エンジニア」は、サービスのライフサイクルに沿って本番環境をプロビジョニングする際に、必然的にこれらのすべてのコンポーネントを操作しなければならないでしょう。今後徐々に、焦点を当てていきたいと思います。

GitHubリポジトリ

全ソースコードの場所: https://github.com/zhongli1990/covid-ai-demo-deployment

また、新しいリポジトリとともに、integratedML-demo-templateリポジトリも再利用します。

デプロイメントのパターン

以下に、この「DockerでのAIデモ」テストフレームワークの論理的なデプロイパターンを示します。

デモの目的により、意図的にディープラーニング分類とWebレンダリング用に個別のスタックを2つ作成し、HAProxyをソフトロードバランサーとして使用して、受信するAPIリクエストをこれらの2つのスタックでステートレスに分散できるようにしました。

Guniorn + Flask + Tensorflow Serving
Univcorn + FaskAPI + Tensorflow Serving GPU

前の記事のICU入室予測と同様に、機械学習デモのサンプルには、IntegratedMLを使用したIRISを使用します。

現在のデモでは、本番サービスでは必要または検討される共通コンポーネントをいくつか省略しました。

Webサーバー: NginxまたはApacheなど。 HAProxyとGunicorn/Uvicornの間で、適切なHTTPセッション処理を行うために必要となります（DoS攻撃を防止するなど）。
キューマネージャーとDB: RabbitMQやRedisなど。Flask/FastAPIとバックエンドサービングの間で、信頼性のある非同期サービングとデータ/構成の永続性などに使用されます。
APIゲートウェイ: IAMまたはKongクラスター。単一障害点を作らないように、HAProxyロードバランサーとAPI管理用Webサーバーの間に使用されます。
監視とアラート: SAMが適切でしょう。
CI/CD開発のプロビジョニング: クラウドニューラルデプロイメントと管理、およびその他の一般的な開発ツールによるCI/CDにはK8を使用したICMが必要です。

実際のところ、IRIS自体は、信頼性の高いメッセージングのためのエンタープライズ級のキューマネージャーとしても、高性能データベースとしても確実に使用することができます。パターン分析では、IRISがRabbitMQ/Redis/MongoDBなどのキューブローカーとデータベースの代わりになることは明らかであるため、レイテンシが大幅に低く、より優れたスループットパフォーマンスとさらに統合する方が良いでしょう。さらに、IRIS Webゲートウェイ（旧CSPゲートウェイ）は、GunicornやUvicornなどの代わりに配置できますよね？

環境トポロジー

上記の論理パターンを全Dockerコンポーネントに実装するには、いくつかの一般的なオプションがあります。頭に思い浮かぶものとしては以下のものがあります。

docker-compose
docker swarmなど
Kubernetesなど
K8演算を使用したICM

このデモは、機能的なPoCといくつかのベンチマーキングを行うために、「docker-compose」から始めます。もちろん、いつかはK8やICMを使いたいとも考えています。

docker-compose.ymlファイルに説明されているように、AWS Ubuntuサーバーでの環境トポロジーの物理的な実装は、以下のようになります。

上図は、全Dockerインスタンスのサービスポートが、デモの目的でどのようにマッピングされており、Ubuntuサーバーで直接公開されているかを示したものです。本番環境では、すべてセキュリティ強化される必要があります。また、純粋なデモの目的により、すべてのコンテナは同じDockerネットワークに接続されています。本番環境では、外部ルーティング可能と内部ルーティング不可能として分離されます。

Docker化コンポーネント

以下は、docker-compose.ymlファイルに示されるとおり、ホストマシン内でこれらのストレージボリュームが各コンテナインスタンスにどのようにマウントされているかを示します。

ubuntu@ip-172-31-35-104:/zhong/flask-xray$ tree ./ -L 2

./
├── covid19                             （Flask+GunicornコンテナとTensorflow Servingコンテナがここにマウントされます）
│   ├── app.py                                （Flaskメインアプリ:  WebアプリケーションとAPIサービスインターフェースの両方がここに定義されて実装されます）
│   ├── covid19_models               （CPU使用の画像分類Tensorflow Servingコンテナ用のTensorflowモデルはここに公開されてバージョン管理されます）
│   ├── Dockerfile                          （Flask サーバーとGunicorn:      CMD ["gunicorn", "app:app", "--bind", "0.0.0.0:5000", "--workers", "4", "--threads", "2"]）
│   ├── models                               （.h5形式のFlaskアプリ用モデルとＸ線画像へのGrad-CAMによるヒートマップ生成のAPIデモ）
│   ├── __pycache__
│   ├── README.md
│   ├── requirements.txt             （全Flask+Gunicornアプリに必要なPythonパッケージ） 
│   ├── scripts
│   ├── static                                  （Web静的ファイル）
│   ├── templates                         （Webレンダリングテンプレート）
│   ├── tensorflow_serving        （TensorFlow Servingサービスの構成ファイル）
│   └── test_images
├── covid-fastapi                   (FastAPI+UvicornコンテナとGPU使用のTensorflow Servingコンテナはここにマウントされます）
│   ├── covid19_models            （画像分類用のTensorflow Serving GPUモデルは、ここに公開されてバージョン管理されます）
│   ├── Dockerfile                       （Uvicorn+FastAPIサーバーはここから起動されます: CMD ["uvicorn", "main:app", "--host", "0.0.0.0", "--port", "8000", "--workers", "4" ]）
│   ├── main.py                           （FastAPIアプリ: WebアプリケーションとAPIサービスインターフェースの両方がここに定義されて実装されます）
│   ├── models                            （.h5形式のFastAPIアプリ用モデルとＸ線画像へのGrad-CAMによるヒートマップ生成のAPIデモ）
│   ├── __pycache__
│   ├── README.md
│   ├── requirements.txt
│   ├── scripts
│   ├── static
│   ├── templates
│   ├── tensorflow_serving
│   └── test_images
├── docker-compose.yml      （フルスタックDocker定義ファイル。  Docker GPU「nvidia runtime」用にバージョン2.3を使用。そうでない場合はバージョン3.xを使用可）
├── haproxy                             (HAProxy dockerサービスはここに定義されます。  注意: バックエンドLBにはスティッキーセッションを定義できます。 )                             
│   ├── Dockerfile
│   └── haproxy.cfg
└── notebooks                       （TensorFlow 2.2とTensorBoardなどを含むJupyterノートブックコンテナサービス）
    ├── Dockerfile
    ├── notebooks                  （機能テスト用に外部APIクライアントアプリをエミュレートするサンプルノートブックファイルとロードバランサーに対してPythonによるAPIベンチマークテストを行うサンプルノートブックファイル）
└── requirements.txt

注意: 上記のdocker-compose.ymlはCovid-19 Ｘ線画像のディープラーニングデモ用です。別のintegratedML-demo-templateのdocker-compose.ymlとともに、環境トポロジーに表示されるフルサービススタックを形成するために使用されています。

サービスの起動

すべてのコンテナサービスを起動するには、単純なdocker-compose up -dを使用します。

ubuntu@ip-172-31-35-104:~$ docker ps CONTAINER ID IMAGE COMMAND CREATED STATUS PORTS NAMES 31b682b6961d iris-aa-server:2020.3AA "/iris-main" 7 weeks ago Up 2 days (healthy) 2188/tcp, 53773/tcp, 54773/tcp, 0.0.0.0:8091->51773/tcp, 0.0.0.0:8092->52773/tcp iml-template-master_irisimlsvr_1 6a0f22ad3ffc haproxy:0.0.1 "/docker-entrypoint.…" 8 weeks ago Up 2 days 0.0.0.0:8088->8088/tcp flask-xray_lb_1 71b5163d8960 ai-service-fastapi:0.2.0 "uvicorn main:app --…" 8 weeks ago Up 2 days 0.0.0.0:8056->8000/tcp flask-xray_fastapi_1 400e1d6c0f69 tensorflow/serving:latest-gpu "/usr/bin/tf_serving…" 8 weeks ago Up 2 days 0.0.0.0:8520->8500/tcp, 0.0.0.0:8521->8501/tcp flask-xray_tf2svg2_1 eaac88e9b1a7 ai-service-flask:0.1.0 "gunicorn app:app --…" 8 weeks ago Up 2 days 0.0.0.0:8051->5000/tcp flask-xray_flask_1 e07ccd30a32b tensorflow/serving "/usr/bin/tf_serving…" 8 weeks ago Up 2 days 0.0.0.0:8510->8500/tcp, 0.0.0.0:8511->8501/tcp flask-xray_tf2svg1_1 390dc13023f2 tf2-jupyter:0.1.0 "/bin/sh -c '/bin/ba…" 8 weeks ago Up 2 days 0.0.0.0:8506->6006/tcp, 0.0.0.0:8586->8888/tcp flask-xray_tf2jpt_1 88e8709404ac tf2-jupyter-jdbc:1.0.0-iml-template "/bin/sh -c '/bin/ba…" 2 months ago Up 2 days 0.0.0.0:6026->6006/tcp, 0.0.0.0:8896->8888/tcp iml-template-master_tf2jupyter_1

docker-compose up --scale fastapi=2 --scale flask=2 -d for example will horizontally scale up to 2x Gunicorn+Flask containers and 2x Univcorn+FastAPI containers:

ubuntu@ip-172-31-35-104:/zhong/flask-xray$ docker ps CONTAINER ID IMAGE COMMAND CREATED STATUS PORTS NAMES dbee3c20ea95 ai-service-fastapi:0.2.0 "uvicorn main:app --…" 4 minutes ago Up 4 minutes 0.0.0.0:8057->8000/tcp flask-xray_fastapi_2 95bcd8535aa6 ai-service-flask:0.1.0 "gunicorn app:app --…" 4 minutes ago Up 4 minutes 0.0.0.0:8052->5000/tcp flask-xray_flask_2

... ...

「integrtedML-demo-template」の作業ディレクトリで別の「docker-compose up -d」を実行することで、上記リストのirisimlsvrとtf2jupyterコンテナが起動されています。

テスト

1. 単純なUIを備えたAIデモWebアプリ

上記のdockerサービスを起動したら、一時アドレスhttp://ec2-18-134-16-118.eu-west-2.compute.amazonaws.com:8056/のAWS EC2インスタンスにホストされているCovid-19に感染した胸部Ｘ線画像の検出用デモWebアプリにアクセスできます。

以下は、私の携帯でキャプチャした画面です。デモUIは非常に単純です。基本的に「Choose File」をクリックして「Submit」ボタンを押せば、Ｘ線画像がアップロードされて分類レポートが表示されます。 Covid-19感染のＸ線画像として分類されたら、DLによって「検出された」病変領域をエミュレートするヒートマップが表示されます。そうでない場合は、分類レポートにはアップロードされたＸ線画像のみが表示されます。

このWebアプリはPythonサーバーページです。このロジックは主にFastAPI's main.pyファイルとFlask's app.pyファイルにコーディングされています。

もう少し時間に余裕がある際には、FlaskとFastAPIのコーディングと規則の違いを詳しく説明かもしれません。実は、AIデモホスティングについて、FlaskとFastAPIとIRISの比較を行いたいと思っています。

2. テストデモAPI

FastAPI（ポート8056で公開）には、以下に示すSwagger APIドキュメントが組み込まれています。これは非常に便利です。以下のようにURLに「/docs」を指定するだけで、利用することができます。

いくつかのプレースホルダー（/helloや/itemsなど）と実際のデモAPIインターフェース（/healthcheck、/predict、predict/heatmapなど）を組み込みました。

これらのAPIに簡単なテストを実行してみましょう。私がこのAIデモサービス用に作成したJupyterノートブックサンプルの1つで、Python行を（APIクライアントアプリエミュレーターとして）いくつか実行します。

以下では、例としてこちらのファイルを実行しています。 https://github.com/zhongli1990/covid-ai-demo-deployment/blob/master/notebooks/notebooks/Covid19-3class-Heatmap-Flask-FastAPI-TF-serving-all-in-one-HAProxy2.ipynb

まず、バックエンドのTF-Serving（ポート8511）とTF-Serving-GPU（ポート8521）が稼働していることをテストします。

!curl http://172.17.0.1:8511/v1/models/covid19  # tensorflow serving
!curl http://172.17.0.1:8521/v1/models/covid19  # tensorflow-gpu serving

{
 "model_version_status": [
  {
   "version": "2",
   "state": "AVAILABLE",
   "status": {
    "error_code": "OK",
    "error_message": ""
   }
  }
 ]
}
{
 "model_version_status": [
  {
   "version": "2",
   "state": "AVAILABLE",
   "status": {
    "error_code": "OK",
    "error_message": ""
   }
  }
 ]
}

次に、以下のサービスAPIが稼働していることをテストします。

Gunicorn+Flask+TF-Serving

Unicorn+FastAPI+TF-Serving-GPU

上記の両サービスの手間にあるHAProxyロードバランサー

r = requests.get('http://172.17.0.1:8051/covid19/api/v1/healthcheck')  # tf srving docker with cpu 
print(r.status_code, r.text)
r = requests.get('http://172.17.0.1:8056/covid19/api/v1/healthcheck')  # tf-serving docker with gpu
print(r.status_code, r.text)
r = requests.get('http://172.17.0.1:8088/covid19/api/v1/healthcheck')  # tf-serving docker with HAproxy
print(r.status_code, r.text)

そして、以下のような結果が期待されます。

200 Covid19 detector API is live!
200 "Covid19 detector API is live!\n\n"
200 "Covid19 detector API is live!\n\n"

入力Ｘ線画像の分類とヒートマップ結果を返す、/predict/heatmapなどの機能的なAPIインターフェースをテストします。受信する画像は、API定義に従ってHTTP POST経由で送信される前にbased64にエンコードされています。

%%time

# リクエストライブラリをインポート
import argparse
import base64
import requests
# api-endpointを定義
API_ENDPOINT = "http://172.17.0.1:8051/covid19/api/v1/predict/heatmap"
image_path = './Covid_M/all/test/covid/nejmoa2001191_f3-PA.jpeg'
#image_path = './Covid_M/all/test/normal/NORMAL2-IM-1400-0001.jpeg'
#image_path = './Covid_M/all/test/pneumonia_bac/person1940_bacteria_4859.jpeg'
b64_image = ""
# JPGやPNGなどの画像をbase64形式にエンコード
with open(image_path, "rb") as imageFile:
    b64_image = base64.b64encode(imageFile.read())
# APIに送信されるデータ
data = {'b64': b64_image}
# POSTリクエストを送信しレスポンスをレスポンスオブジェクトとして保存
r = requests.post(url=API_ENDPOINT, data=data)
print(r.status_code, r.text)
# レスポンスを抽出
print("{}".format(r.text))

このようなすべてのテスト画像もGitHubにアップロード済みです。上記のコードの結果は以下のようになります。

200 {"Input_Image":"http://localhost:8051/static/source/0198f0ae-85a0-470b-bc31-dc1918c15b9620200906-170443.png","Output_Heatmap":"http://localhost:8051/static/result/Covid19_98_0198f0ae-85a0-470b-bc31-dc1918c15b9620200906-170443.png.png","X-Ray_Classfication_Raw_Result":[[0.805902302,0.15601939,0.038078323]],"X-Ray_Classification_Covid19_Probability":0.98,"X-Ray_Classification_Result":"Covid-19 POSITIVE","model_name":"Customised Incpetion V3"}

{"Input_Image":"http://localhost:8051/static/source/0198f0ae-85a0-470b-bc31-dc1918c15b9620200906-170443.png","Output_Heatmap":"http://localhost:8051/static/result/Covid19_98_0198f0ae-85a0-470b-bc31-dc1918c15b9620200906-170443.png.png","X-Ray_Classfication_Raw_Result":[[0.805902302,0.15601939,0.038078323]],"X-Ray_Classification_Covid19_Probability":0.98,"X-Ray_Classification_Result":"Covid-19 POSITIVE","model_name":"Customised Incpetion V3"}

CPU times: user 16 ms, sys: 0 ns, total: 16 ms
Wall time: 946 ms

3. デモサービスAPIをベンチマークテストする

HAProxyロードバランサーインスタンスをセットアップします。また、Flaskサービスを4個のワーカーで開始し、FastAPIサービスも4個のワーカーで開始しました。

ノートブックファイルで直接8個のPythonプロセスを作成し、8個の同時APIクライアントがデモサービスAPIにリクエストを送信する様子をエミュレートしてみてはどうでしょうか。

#from concurrent.futures import ThreadPoolExecutor as PoolExecutor
from concurrent.futures import ProcessPoolExecutor as PoolExecutor
import http.client
import socket
import time

start = time.time()
#laodbalancer:
API_ENDPOINT_LB = "http://172.17.0.1:8088/covid19/api/v1/predict/heatmap"
API_ENDPOINT_FLASK = "http://172.17.0.1:8052/covid19/api/v1/predict/heatmap"
API_ENDPOINT_FastAPI = "http://172.17.0.1:8057/covid19/api/v1/predict/heatmap"
def get_it(url):
    try:
        # 画像をループ
        for imagePathTest in imagePathsTest:
            b64_image = ""
            with open(imagePathTest, "rb") as imageFile:
                b64_image = base64.b64encode(imageFile.read())
    
            data = {'b64': b64_image}
            r = requests.post(url, data=data)
            #print(imagePathTest, r.status_code, r.text)
        return r
    except socket.timeout:
        # 実際のケースではおそらく
        # ソケットがタイムアウトする場合に何かを行うでしょう
        pass
urls = [API_ENDPOINT_LB, API_ENDPOINT_LB, 
        API_ENDPOINT_LB, API_ENDPOINT_LB, 
        API_ENDPOINT_LB, API_ENDPOINT_LB, 
        API_ENDPOINT_LB, API_ENDPOINT_LB]
with PoolExecutor(max_workers=16) as executor:
    for _ in executor.map(get_it, urls):
        pass
    
print("--- %s seconds ---" % (time.time() - start))

したがって、8x27 = 216個のテスト画像を処理するのに74秒かかっています。これは負荷分散されたデモスタックが、（分類とヒートマップの結果をクライアントに返すことで）1秒間に3個の画像を処理できています。

--- 74.37691688537598 seconds ---

PuttyセッションのTopコマンドから、上記のベンチマークスクリプトが実行開始されるとすぐに8個のサーバープロセス（4個のGunicornと4個のUvicorn/Python）がランプアップし始めたことがわかります。

今後の内容

この記事は、テストフレームワークとして「全DockerによるAIデモ」のデプロイメントスタックをまとめるための出発点に過ぎません。次は、Covid-19 ICU入室予測インターフェースなどさらに多くのAPIデモインターフェースを理想としてはFHIR R4などによって追加し、サポートDICOM入力形式を追加したいと思います。これは、IRISがホストするML機能とのより緊密な統合を検討するためのテストベンチになる可能性もあります。医用画像、公衆衛生、またはパーソナル化された予測やNLPなど、さまざまなAIフロントを見ていく過程で、徐々に、より多くのMLまたはDL特殊モデルを傍受するためのテストフレームワーク（非常に単純なテストフレーム）として使用していけるでしょう。ウィッシュリストは、前の投稿（「今後の内容」セクション）の最後にも掲載しています。

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@Zhong Liさんが書いた元の記事へ