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使用 Azure 机器学习 SDK (v1) 大规模训练 TensorFlow 模型

项目
06/03/2023

适用范围：Python SDK azureml v1

本文介绍如何使用 Azure 机器学习大规模运行 TensorFlow 训练脚本。

此示例使用深度神经网络 (DNN) 训练并注册 TensorFlow 模型来对手写数字进行分类。

无论是从头开始开发 TensorFlow 模型，还是将现有模型引入云中，都可以使用 Azure 机器学习来横向扩展开源训练作业，以便构建、部署和监视生产级模型以及对其进行版本控制。

先决条件

在以下任一环境中运行此代码：

Azure 机器学习计算实例 - 无需下载或安装
- 完成快速入门：开始使用 Azure 机器学习，以创建一个预加载了 SDK 和示例存储库的专用笔记本服务器。
- 在笔记本服务器上的示例深度学习文件夹中，导航到以下目录，查找已完成且已展开的笔记本：how-to-use-azureml > ml-frameworks > tensorflow > train-hyperparameter-tune-deploy-with-tensorflow 文件夹。
你自己的 Jupyter 笔记本服务器
- 安装 Azure 机器学习 SDK (>= 1.15.0)。
- 创建工作区配置文件。
- 下载示例脚本文件tf_mnist.py 和 utils.py
此外，还可以在 GitHub 示例页上找到本指南的完整 Jupyter Notebook 版本。该笔记本包含扩展部分，其中涵盖智能超参数优化、模型部署和笔记本小组件。

在运行本文中的代码以创建 GPU 群集之前，需要为工作区请求增加配额。

设置试验

本部分通过加载所需的 Python 包、初始化工作区、创建计算目标和定义训练环境来设置训练实验。

导入程序包

首先，导入必需的 Python 库。

import os
import urllib
import shutil
import azureml

from azureml.core import Experiment
from azureml.core import Workspace, Run
from azureml.core import Environment

from azureml.core.compute import ComputeTarget, AmlCompute
from azureml.core.compute_target import ComputeTargetException

初始化工作区

Azure 机器学习工作区是服务的顶级资源。它提供了一个集中的位置来处理创建的所有项目。在 Python SDK 中，可以通过创建 workspace 对象来访问工作区项目。

根据在先决条件部分中创建的 config.json 文件创建工作区对象。

ws = Workspace.from_config()

创建文件数据集

FileDataset 对象引用工作区数据存储或公共 URL 中的一个或多个文件。文件可以是任何格式，该类提供将文件下载或装载到计算机的功能。通过创建 FileDataset，可以创建对数据源位置的引用。如果将任何转换应用于数据集，则它们也会存储在数据集中。数据会保留在其现有位置，因此不会产生额外的存储成本。有关 Dataset 包的详细信息，请参阅如何创建注册数据集一文。

from azureml.core.dataset import Dataset

web_paths = [
            'http://yann.lecun.com/exdb/mnist/train-images-idx3-ubyte.gz',
            'http://yann.lecun.com/exdb/mnist/train-labels-idx1-ubyte.gz',
            'http://yann.lecun.com/exdb/mnist/t10k-images-idx3-ubyte.gz',
            'http://yann.lecun.com/exdb/mnist/t10k-labels-idx1-ubyte.gz'
            ]
dataset = Dataset.File.from_files(path = web_paths)

使用 register() 方法将数据集注册到工作区，以便将其与其他人共享，在各种试验中重复使用，以及在训练脚本中按名称引用。

dataset = dataset.register(workspace=ws,
                           name='mnist-dataset',
                           description='training and test dataset',
                           create_new_version=True)

# list the files referenced by dataset
dataset.to_path()

创建计算目标

创建用于运行 TensorFlow 作业的计算目标。在此示例中，创建启用了 GPU 的 Azure 机器学习计算群集。

重要

在创建 GPU 群集之前，需要为工作区请求增加配额。

cluster_name = "gpu-cluster"

try:
    compute_target = ComputeTarget(workspace=ws, name=cluster_name)
    print('Found existing compute target')
except ComputeTargetException:
    print('Creating a new compute target...')
    compute_config = AmlCompute.provisioning_configuration(vm_size='STANDARD_NC6', 
                                                           max_nodes=4)

    compute_target = ComputeTarget.create(ws, cluster_name, compute_config)

    compute_target.wait_for_completion(show_output=True, min_node_count=None, timeout_in_minutes=20)

有关计算目标的详细信息，请参阅什么是计算目标一文。

定义环境

若要定义封装训练脚本的依赖项的 Azure 机器学习环境，可以定义自定义环境或使用 Azure 机器学习特选环境。

使用特选环境

如果不想定义你自己的环境，Azure 机器学习提供了预生成的特选环境。 Azure 机器学习具有几个针对 TensorFlow 的 CPU 和 GPU 特选环境，这些环境对应不同版本的 TensorFlow。可通过 @latest 指令来使用此环境的最新版本。有关详细信息，请参阅 Azure 机器学习特选环境。

如果要使用策展环境，代码将类似于以下示例：

curated_env_name = 'AzureML-tensorflow-2.7-ubuntu20.04-py38-cuda11-gpu'
tf_env = Environment.get(workspace=ws, name=curated_env_name)

若要查看特选环境中包含的包，可以将 conda 依赖项写入磁盘：


tf_env.save_to_directory(path=curated_env_name)

确保特选环境包括训练脚本所需的所有依赖项。如果没有，则必须修改环境以包含缺少的依赖项。如果修改了环境，则必须为它提供新名称，因为“AzureML”前缀是为特选环境保留的。如果修改了 conda 依赖项 YAML 文件，则可以使用新名称从该文件创建新环境，例如：


tf_env = Environment.from_conda_specification(name='AzureML-tensorflow-2.7-ubuntu20.04-py38-cuda11-gpu', file_path='./conda_dependencies.yml')

如果改为直接修改了特选环境对象，则可以使用新名称克隆该环境：


tf_env = tf_env.clone(new_name='my-AzureML-tensorflow-2.7-ubuntu20.04-py38-cuda11-gpu')

创建自定义环境

还可以创建自己的 Azure 机器学习环境，以封装训练脚本的依赖项。

首先，在 YAML 文件中定义 conda 依赖项；在本例中，该文件名为 conda_dependencies.yml。

channels:
- conda-forge
dependencies:
- python=3.7
- pip:
  - azureml-defaults
  - tensorflow-gpu==2.2.0

基于此 conda 环境规范创建 Azure 机器学习环境。此环境将在运行时打包到 Docker 容器中。

在默认情况下，如果未指定基础映像，Azure 机器学习将使用 CPU 映像 azureml.core.environment.DEFAULT_CPU_IMAGE 作为基础映像。由于本示例在 GPU 群集上运行训练，因此你需要指定具有必要 GPU 驱动程序和依赖项的 GPU 基础映像。 Azure 机器学习维护一组在 Microsoft Container Registry (MCR) 上发布的基础映像，你可以使用这些映像，请参阅 Azure/AzureML-Containers GitHub 存储库以获取详细信息。

tf_env = Environment.from_conda_specification(name='AzureML-tensorflow-2.7-ubuntu20.04-py38-cuda11-gpu', file_path='./conda_dependencies.yml')

# Specify a GPU base image
tf_env.docker.enabled = True
tf_env.docker.base_image = 'mcr.microsoft.com/azureml/openmpi3.1.2-cuda10.1-cudnn7-ubuntu18.04'

提示

或者，也可以直接在自定义 Docker 映像或 Dockerfile 中捕获所有依赖项，然后从中创建环境。有关详细信息，请参阅通过自定义映像进行训练。

有关创建和使用环境的详细信息，请参阅在 Azure 机器学习中创建和使用软件环境。

配置和提交训练运行

创建 ScriptRunConfig

创建一个 ScriptRunConfig 对象，以指定训练作业的配置详细信息，包括训练脚本、要使用的环境，以及要在其上运行的计算目标。如果在 arguments 参数中指定，训练脚本的任何参数都将通过命令行传递。

from azureml.core import ScriptRunConfig

args = ['--data-folder', dataset.as_mount(),
        '--batch-size', 64,
        '--first-layer-neurons', 256,
        '--second-layer-neurons', 128,
        '--learning-rate', 0.01]

src = ScriptRunConfig(source_directory=script_folder,
                      script='tf_mnist.py',
                      arguments=args,
                      compute_target=compute_target,
                      environment=tf_env)

警告

Azure 机器学习通过复制整个源目录来运行训练脚本。如果你有不想上传的敏感数据，请使用 .ignore 文件或不将其包含在源目录中。请改为使用 Azure 机器学习数据集来访问数据。

有关通过 ScriptRunConfig 配置作业的详细信息，请参阅配置并提交训练运行。

警告

如果你以前使用 TensorFlow 估算器来配置 TensorFlow 训练作业，请注意，自 1.19.0 SDK 发行版起，该估算器已弃用。对于 >= 1.15.0 版本的 Azure 机器学习 SDK，建议使用 ScriptRunConfig 作为配置训练作业（包括使用深度学习框架的作业）的方法。有关常见的迁移问题，请参阅估算器到 ScriptRunConfig 迁移指南。

提交运行

运行对象在作业运行时和运行后提供运行历史记录的接口。

run = Experiment(workspace=ws, name='Tutorial-TF-Mnist').submit(src)
run.wait_for_completion(show_output=True)

在运行执行过程中发生的情况

执行运行时，会经历以下阶段：

准备：根据所定义的环境创建 docker 映像。将映像上传到工作区的容器注册表，缓存以用于后续运行。还会将日志流式传输到运行历史记录，可以查看日志以监视进度。如果改为指定特选环境，则会使用支持该特选环境的缓存映像。
缩放：如果 Batch AI 群集执行运行所需的节点多于当前可用节点，则群集将尝试纵向扩展。
正在运行：将脚本文件夹中的所有脚本上传到计算目标，装载或复制数据存储，然后执行 script。将 stdout 和 ./logs 文件夹中的输出流式传输到运行历史记录，即可将其用于监视运行。
后期处理：将运行的 ./outputs 文件夹复制到运行历史记录。

注册或下载模型

训练模型后，可以将其注册到工作区。凭借模型注册，可以在工作区中存储模型并对其进行版本控制，从而简化模型管理和部署。

可选：通过指定参数 model_framework、model_framework_version 和 resource_configuration，无代码模型部署将可供使用。这允许你通过已注册模型直接将模型部署为 Web服务，ResourceConfiguration 对象定义 Web 服务的计算资源。

from azureml.core import Model
from azureml.core.resource_configuration import ResourceConfiguration

model = run.register_model(model_name='tf-mnist', 
                           model_path='outputs/model',
                           model_framework=Model.Framework.TENSORFLOW,
                           model_framework_version='2.0',
                           resource_configuration=ResourceConfiguration(cpu=1, memory_in_gb=0.5))

此外，还可以使用“运行”对象下载模型的本地副本。在训练脚本 tf_mnist.py 中，TensorFlow 保护程序对象将模型保存到本地文件夹（计算目标本地）。可以使用“运行”对象下载副本。

# Create a model folder in the current directory
os.makedirs('./model', exist_ok=True)
run.download_files(prefix='outputs/model', output_directory='./model', append_prefix=False)

分布式训练

Azure 机器学习还支持多节点分布式 TensorFlow 作业，以便可以扩展训练工作负载。你可以轻松运行分布式 TensorFlow 作业，Azure 机器学习将为你管理业务流程。

Azure 机器学习支持使用 Horovod 和 TensorFlow 的内置分布式训练 API 运行分布式 TensorFlow 作业。

有关分布式训练的更多信息，请参阅分布式 GPU 训练指南。

部署 TensorFlow 模型

部署指南包含有关模型注册的部分，但由于你已有一个已注册的模型，因而可以直接跳到创建计算目标进行部署。

（预览版）无代码模型部署

重要

此功能目前处于公开预览状态。此预览版在提供时没有附带服务级别协议，我们不建议将其用于生产工作负荷。某些功能可能不受支持或者受限。

有关详细信息，请参阅 Microsoft Azure 预览版补充使用条款。

除了传统的部署路线之外，还可以为 TensorFlow 使用无代码部署功能（预览版）。通过使用 model_framework、model_framework_version 和 resource_configuration 参数注册你的模型（如上所示），可以使用 deploy() 静态函数来部署模型。

service = Model.deploy(ws, "tensorflow-web-service", [model])

完整的操作指南更深入地介绍了 Azure 机器学习。

后续步骤

在本文中，你训练并注册了一个 TensorFlow 模型，并了解了部署选项。有关 Azure 机器学习的详细信息，请参阅以下其他文章。