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監(jiān)控系統(tǒng)的歷史悠久，是一個很成熟的方向，而 Prometheus 作為新生代的開源監(jiān)控系統(tǒng)，慢慢成為了云原生體系的事實標(biāo)準(zhǔn)，也證明了其設(shè)計很受歡迎。本文主要分享在 Prometheus 實踐中遇到的一些問題和思考，如果你對 K8S 監(jiān)控體系或 Prometheus 的設(shè)計還不太了解，可以先看下容器監(jiān)控系列。這篇文章可能有點長，希望大家耐心看完，文末附Prometheus 官方中文文檔下載方式！

幾點原則：

監(jiān)控是基礎(chǔ)設(shè)施，目的是為了解決問題，不要只朝著大而全去做，尤其是不必要的指標(biāo)采集，浪費人力和存儲資源（To B商業(yè)產(chǎn)品例外）。
需要處理的告警才發(fā)出來，發(fā)出來的告警必須得到處理。
簡單的架構(gòu)就是最好的架構(gòu)，業(yè)務(wù)系統(tǒng)都掛了，監(jiān)控也不能掛。Google Sre 里面也說避免使用 Magic 系統(tǒng)，例如機器學(xué)習(xí)報警閾值、自動修復(fù)之類。這一點見仁見智吧，感覺很多公司都在搞智能 AI 運維。

一、版本的選擇

Prometheus 當(dāng)前最新版本為 2.16，Prometheus 還在不斷迭代，因此盡量用最新版，1.X版本就不用考慮了。

2.16 版本上有一套實驗 UI，可以查看 TSDB 的狀態(tài)，包括Top 10的 Label、Metric.

二、Prometheus 的局限

Prometheus 是基于 Metric 的監(jiān)控，不適用于日志（Logs）、事件(Event)、調(diào)用鏈(Tracing)。
Prometheus 默認(rèn)是 Pull 模型，合理規(guī)劃你的網(wǎng)絡(luò)，盡量不要轉(zhuǎn)發(fā)。
對于集群化和水平擴(kuò)展，官方和社區(qū)都沒有銀彈，需要合理選擇 Federate、Cortex、Thanos等方案。
監(jiān)控系統(tǒng)一般情況下可用性大于一致性，容忍部分副本數(shù)據(jù)丟失，保證查詢請求成功。這個后面說 Thanos 去重的時候會提到。
Prometheus 不一定保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，這里的不準(zhǔn)確一是指 rate、histogram_quantile 等函數(shù)會做統(tǒng)計和推斷，產(chǎn)生一些反直覺的結(jié)果，這個后面會詳細(xì)展開。二來查詢范圍過長要做降采樣，勢必會造成數(shù)據(jù)精度丟失，不過這是時序數(shù)據(jù)的特點，也是不同于日志系統(tǒng)的地方。

三、K8S 集群中常用的 exporter

Prometheus 屬于 CNCF 項目，擁有完整的開源生態(tài)，與 Zabbix 這種傳統(tǒng) agent 監(jiān)控不同，它提供了豐富的 exporter 來滿足你的各種需求。你可以在這里看到官方、非官方的 exporter。如果還是沒滿足你的需求，你還可以自己編寫 exporter，簡單方便、自由開放，這是優(yōu)點。

但是過于開放就會帶來選型、試錯成本。之前只需要在 zabbix agent里面幾行配置就能完成的事，現(xiàn)在你會需要很多 exporter 搭配才能完成。還要對所有 exporter 維護(hù)、監(jiān)控。尤其是升級 exporter 版本時，很痛苦。非官方exporter 還會有不少 bug。這是使用上的不足，當(dāng)然也是 Prometheus 的設(shè)計原則。

K8S 生態(tài)的組件都會提供/metric接口以提供自監(jiān)控，這里列下我們正在使用的：

cadvisor: 集成在 Kubelet 中。
kubelet: 10255為非認(rèn)證端口，10250為認(rèn)證端口。
apiserver: 6443端口，關(guān)心請求數(shù)、延遲等。
scheduler: 10251端口。
controller-manager: 10252端口。
etcd: 如etcd 寫入讀取延遲、存儲容量等。
docker: 需要開啟 experimental 實驗特性，配置 metrics-addr，如容器創(chuàng)建耗時等指標(biāo)。
kube-proxy: 默認(rèn) 127 暴露，10249端口。外部采集時可以修改為 0.0.0.0 監(jiān)聽，會暴露：寫入 iptables 規(guī)則的耗時等指標(biāo)。
kube-state-metrics: K8S 官方項目，采集pod、deployment等資源的元信息。
node-exporter: Prometheus 官方項目，采集機器指標(biāo)如 CPU、內(nèi)存、磁盤。
blackbox_exporter: Prometheus 官方項目，網(wǎng)絡(luò)探測，dns、ping、http監(jiān)控
process-exporter: 采集進(jìn)程指標(biāo)
nvidia exporter: 我們有 gpu 任務(wù)，需要 gpu 數(shù)據(jù)監(jiān)控
node-problem-detector: 即 npd，準(zhǔn)確的說不是 exporter，但也會監(jiān)測機器狀態(tài)，上報節(jié)點異常打 taint
應(yīng)用層 exporter: mysql、nginx、mq等，看業(yè)務(wù)需求。

還有各種場景下的自定義 exporter，如日志提取后面會再做介紹。

四、K8S 核心組件監(jiān)控與 Grafana 面板

k8s 集群運行中需要關(guān)注核心組件的狀態(tài)、性能。如 kubelet、apiserver 等，基于上面提到的 exporter 的指標(biāo)，可以在 Grafana 中繪制如下圖表：

模板可以參考dashboards-for-kubernetes-administrators，根據(jù)運行情況不斷調(diào)整報警閾值。

這里提一下 Grafana 雖然支持了 templates 能力，可以很方便地做多級下拉框選擇，但是不支持templates 模式下配置報警規(guī)則，相關(guān)issue

官方對這個功能解釋了一堆，可最新版本仍然沒有支持。借用 issue 的一句話吐槽下：

It would be grate to add templates support in alerts. Otherwise the feature looks useless a bit.

關(guān)于 Grafana 的基礎(chǔ)用法，可以看這個文章

五、采集組件 All IN One

Prometheus 體系中 Exporter 都是獨立的，每個組件各司其職，如機器資源用 Node-Exporter，Gpu 有Nvidia Exporter等等。但是 Exporter 越多，運維壓力越大，尤其是對 Agent做資源控制、版本升級。我們嘗試對一些Exporter進(jìn)行組合，方案有二：

通過主進(jìn)程拉起N個 Exporter 進(jìn)程，仍然可以跟著社區(qū)版本做更新、bug fix。
用Telegraf來支持各種類型的 Input，N 合 1。

另外，Node-Exporter 不支持進(jìn)程監(jiān)控，可以加一個Process-Exporter，也可以用上邊提到的Telegraf，使用 procstat 的 input來采集進(jìn)程指標(biāo)。

六、合理選擇黃金指標(biāo)

采集的指標(biāo)有很多，我們應(yīng)該關(guān)注哪些？Google 在“Sre Handbook”中提出了“四個黃金信號”：延遲、流量、錯誤數(shù)、飽和度。實際操作中可以使用 Use 或 Red 方法作為指導(dǎo)，Use 用于資源，Red 用于服務(wù)。

Use 方法：Utilization、Saturation、Errors。如 Cadvisor 數(shù)據(jù)
Red 方法：Rate、Errors、Duration。如 Apiserver 性能指標(biāo)

Prometheus 采集中常見的服務(wù)分三種：

在線服務(wù)：如 Web 服務(wù)、數(shù)據(jù)庫等，一般關(guān)心請求速率，延遲和錯誤率即 RED 方法
離線服務(wù)：如日志處理、消息隊列等，一般關(guān)注隊列數(shù)量、進(jìn)行中的數(shù)量，處理速度以及發(fā)生的錯誤即 Use 方法
批處理任務(wù)：和離線任務(wù)很像，但是離線任務(wù)是長期運行的，批處理任務(wù)是按計劃運行的，如持續(xù)集成就是批處理任務(wù)，對應(yīng) K8S 中的 job 或 cronjob，一般關(guān)注所花的時間、錯誤數(shù)等，因為運行周期短，很可能還沒采集到就運行結(jié)束了，所以一般使用 Pushgateway，改拉為推。

對 Use 和 Red 的實際示例可以參考容器監(jiān)控實踐—K8S常用指標(biāo)分析這篇文章。

七、K8S 1.16中 Cadvisor 的指標(biāo)兼容問題

在 K8S 1.16版本，Cadvisor 的指標(biāo)去掉了 pod_Name 和 container_name 的 label，替換為了pod 和 container。如果你之前用這兩個 label 做查詢或者 Grafana 繪圖，需要更改下 Sql 了。因為我們一直支持多個 K8S 版本，就通過 relabel配置繼續(xù)保留了原來的**_name。

metric_relabel_configs:- source_labels: [container]  regex: (.+)  target_label: container_name  replacement: $1  action: replace- source_labels: [pod]  regex: (.+)  target_label: pod_name  replacement: $1  action: replace

注意要用 metric_relabel_configs，不是 relabel_configs，采集后做的replace。

八、Prometheus 采集外部 K8S 集群、多集群

Prometheus 如果部署在K8S集群內(nèi)采集是很方便的，用官方給的Yaml就可以，但我們因為權(quán)限和網(wǎng)絡(luò)需要部署在集群外，二進(jìn)制運行，采集多個 K8S 集群。

以 Pod 方式運行在集群內(nèi)是不需要證書的（In-Cluster 模式），但集群外需要聲明 token之類的證書，并替換address，即使用 Apiserver Proxy采集，以 Cadvisor采集為例，Job 配置為：

- job_name: cluster-cadvisor  honor_timestamps: true  scrape_interval: 30s  scrape_timeout: 10s  metrics_path: /metrics  scheme: https  kubernetes_sd_configs:  - api_server: https://xx:6443    role: node    bearer_token_file: token/cluster.token    tls_config:      insecure_skip_verify: true  bearer_token_file: token/cluster.token  tls_config:    insecure_skip_verify: true  relabel_configs:  - separator: ;    regex: __meta_kubernetes_node_label_(.+)    replacement: $1    action: labelmap  - separator: ;    regex: (.*)    target_label: __address__    replacement: xx:6443    action: replace  - source_labels: [__meta_kubernetes_node_name]    separator: ;    regex: (.+)    target_label: __metrics_path__    replacement: /api/v1/nodes/${1}/proxy/metrics/cadvisor    action: replace  metric_relabel_configs:  - source_labels: [container]    separator: ;    regex: (.+)    target_label: container_name    replacement: $1    action: replace  - source_labels: [pod]    separator: ;    regex: (.+)    target_label: pod_name    replacement: $1    action: replace

bearer_token_file 需要提前生成，這個參考官方文檔即可。記得 base64 解碼。

對于 cadvisor 來說，__metrics_path__可以轉(zhuǎn)換為/api/v1/nodes/{1}/proxy/metrics/cadvisor，代表Apiserver proxy 到 Kubelet，如果網(wǎng)絡(luò)能通，其實也可以直接把 Kubelet 的10255作為 target，可以直接寫為：{1}:10255/metrics/cadvisor，代表直接請求Kubelet，規(guī)模大的時候還減輕了 Apiserver 的壓力，即服務(wù)發(fā)現(xiàn)使用 Apiserver，采集不走 Apiserver

因為 cadvisor 是暴露主機端口，配置相對簡單，如果是 kube-state-metric 這種 Deployment，以 endpoint 形式暴露，寫法應(yīng)該是：

- job_name: cluster-service-endpoints  honor_timestamps: true  scrape_interval: 30s  scrape_timeout: 10s  metrics_path: /metrics  scheme: https  kubernetes_sd_configs:  - api_server: https://xxx:6443    role: endpoints    bearer_token_file: token/cluster.token    tls_config:      insecure_skip_verify: true  bearer_token_file: token/cluster.token  tls_config:    insecure_skip_verify: true  relabel_configs:  - source_labels: [__meta_kubernetes_service_annotation_prometheus_io_scrape]    separator: ;    regex: "true"    replacement: $1    action: keep  - source_labels: [__meta_kubernetes_service_annotation_prometheus_io_scheme]    separator: ;    regex: (https?)    target_label: __scheme__    replacement: $1    action: replace  - separator: ;    regex: (.*)    target_label: __address__    replacement: xxx:6443    action: replace  - source_labels: [__meta_kubernetes_namespace, __meta_kubernetes_endpoints_name,      __meta_kubernetes_service_annotation_prometheus_io_port]    separator: ;    regex: (.+);(.+);(.*)    target_label: __metrics_path__    replacement: /api/v1/namespaces/${1}/services/${2}:${3}/proxy/metrics    action: replace  - separator: ;    regex: __meta_kubernetes_service_label_(.+)    replacement: $1    action: labelmap  - source_labels: [__meta_kubernetes_namespace]    separator: ;    regex: (.*)    target_label: kubernetes_namespace    replacement: $1    action: replace  - source_labels: [__meta_kubernetes_service_name]    separator: ;    regex: (.*)    target_label: kubernetes_name    replacement: $1    action: replace

對于 endpoint 類型，需要轉(zhuǎn)換__metrics_path__為/api/v1/namespaces/{1}/services/{2}:${3}/proxy/metrics，需要替換 namespace、svc 名稱端口等，這里的寫法只適合接口為/metrics的exporter，如果你的 exporter 不是/metrics接口，需要替換這個路徑。或者像我們一樣統(tǒng)一約束都使用這個地址。

這里的__meta_kubernetes_service_annotation_prometheus_io_port來源就是 exporter 部署時寫的那個 annotation，大多數(shù)文章中只提到prometheus.io/scrape: 'true'，但也可以定義端口、路徑、協(xié)議。以方便在采集時做替換處理。

其他的一些 relabel 如kubernetes_namespace 是為了保留原始信息，方便做 promql 查詢時的篩選條件。

如果是多集群，同樣的配置多寫幾遍就可以了，一般一個集群可以配置三類job：

role:node 的，包括 cadvisor、 node-exporter、kubelet 的 summary、kube-proxy、docker 等指標(biāo)
role:endpoint 的，包括 kube-state-metric 以及其他自定義 Exporter
普通采集：包括Etcd、Apiserver 性能指標(biāo)、進(jìn)程指標(biāo)等。

九、GPU 指標(biāo)的獲取

nvidia-smi可以查看機器上的 GPU 資源，而Cadvisor 其實暴露了Metric來表示容器使用 GPU 情況，

container_accelerator_duty_cyclecontainer_accelerator_memory_total_bytescontainer_accelerator_memory_used_bytes

如果要更詳細(xì)的 GPU 數(shù)據(jù)，可以安裝dcgm exporter，不過K8S 1.13 才能支持。

十、更改 Prometheus 的顯示時區(qū)

Prometheus 為避免時區(qū)混亂，在所有組件中專門使用 Unix Time 和 Utc 進(jìn)行顯示。不支持在配置文件中設(shè)置時區(qū)，也不能讀取本機 /etc/timezone 時區(qū)。

其實這個限制是不影響使用的：

如果做可視化，Grafana是可以做時區(qū)轉(zhuǎn)換的。
如果是調(diào)接口，拿到了數(shù)據(jù)中的時間戳，你想怎么處理都可以。
如果因為 Prometheus 自帶的 UI 不是本地時間，看著不舒服，2.16 版本的新版 Web UI已經(jīng)引入了Local Timezone 的選項，區(qū)別見下圖。
如果你仍然想改 Prometheus 代碼來適應(yīng)自己的時區(qū)，可以參考這篇文章。

關(guān)于 timezone 的討論，可以看這個issue。

十一、如何采集 LB 后面的 RS 的 Metric

假如你有一個負(fù)載均衡 LB，但網(wǎng)絡(luò)上 Prometheus 只能訪問到 LB 本身，訪問不到后面的 RS，應(yīng)該如何采集 RS 暴露的 Metric？

RS 的服務(wù)加 Sidecar Proxy，或者本機增加 Proxy 組件，保證 Prometheus 能訪問到。
LB 增加 /backend1 和 /backend2請求轉(zhuǎn)發(fā)到兩個單獨的后端，再由 Prometheus 訪問 LB 采集。

十二、Prometheus 大內(nèi)存問題

隨著規(guī)模變大，Prometheus 需要的 CPU 和內(nèi)存都會升高，內(nèi)存一般先達(dá)到瓶頸，這個時候要么加內(nèi)存，要么集群分片減少單機指標(biāo)。這里我們先討論單機版 Prometheus 的內(nèi)存問題。

原因：

Prometheus 的內(nèi)存消耗主要是因為每隔2小時做一個 Block 數(shù)據(jù)落盤，落盤之前所有數(shù)據(jù)都在內(nèi)存里面，因此和采集量有關(guān)。
加載歷史數(shù)據(jù)時，是從磁盤到內(nèi)存的，查詢范圍越大，內(nèi)存越大。這里面有一定的優(yōu)化空間。
一些不合理的查詢條件也會加大內(nèi)存，如 Group 或大范圍 Rate。

我的指標(biāo)需要多少內(nèi)存：

作者給了一個計算器，設(shè)置指標(biāo)量、采集間隔之類的，計算 Prometheus 需要的理論內(nèi)存值：計算公式

以我們的一個 Prometheus Server為例，本地只保留 2 小時數(shù)據(jù)，95 萬 Series，大概占用的內(nèi)存如下：

有什么優(yōu)化方案：

Sample 數(shù)量超過了 200 萬，就不要單實例了，做下分片，然后通過 Victoriametrics，Thanos，Trickster 等方案合并數(shù)據(jù)。
評估哪些 Metric 和 Label 占用較多，去掉沒用的指標(biāo)。2.14 以上可以看 Tsdb 狀態(tài)
查詢時盡量避免大范圍查詢，注意時間范圍和 Step 的比例，慎用 Group。
如果需要關(guān)聯(lián)查詢，先想想能不能通過 Relabel 的方式給原始數(shù)據(jù)多加個 Label，一條Sql 能查出來的何必用Join，時序數(shù)據(jù)庫不是關(guān)系數(shù)據(jù)庫。

Prometheus 內(nèi)存占用分析：

通過 pprof分析：https://www.robustperception.io/optimising-prometheus-2-6-0-memory-usage-with-pprof
1.X 版本的內(nèi)存：https://www.robustperception.io/how-much-ram-does-my-prometheus-need-for-ingestion

相關(guān) issue：

https://groups.google.com/forum/#!searchin/prometheus-users/memory%7Csort:date/prometheus-users/q4oiVGU6Bxo/uifpXVw3CwAJ
https://github.com/prometheus/prometheus/issues/5723
https://github.com/prometheus/prometheus/issues/1881

十三、Prometheus 容量規(guī)劃

容量規(guī)劃除了上邊說的內(nèi)存，還有磁盤存儲規(guī)劃，這和你的 Prometheus 的架構(gòu)方案有關(guān)。

如果是單機Prometheus，計算本地磁盤使用量。
如果是 Remote-Write，和已有的 Tsdb 共用即可。
如果是 Thanos 方案，本地磁盤可以忽略（2H)，計算對象存儲的大小就行。

Prometheus 每2小時將已緩沖在內(nèi)存中的數(shù)據(jù)壓縮到磁盤上的塊中。包括Chunks、Indexes、Tombstones、Metadata，這些占用了一部分存儲空間。一般情況下，Prometheus中存儲的每一個樣本大概占用1-2字節(jié)大小（1.7Byte）。可以通過Promql來查看每個樣本平均占用多少空間：

 rate(prometheus_tsdb_compaction_chunk_size_bytes_sum[1h])/   rate(prometheus_tsdb_compaction_chunk_samples_sum[1h]){instance="0.0.0.0:8890", job="prometheus"}  1.252747585939941

如果大致估算本地磁盤大小，可以通過以下公式：

磁盤大小=保留時間*每秒獲取樣本數(shù)*樣本大小

保留時間(retention_time_seconds)和樣本大小(bytes_per_sample)不變的情況下，如果想減少本地磁盤的容量需求，只能通過減少每秒獲取樣本數(shù)(ingested_samples_per_second)的方式。

查看當(dāng)前每秒獲取的樣本數(shù)：

rate(prometheus_tsdb_head_samples_appended_total[1h])

有兩種手段，一是減少時間序列的數(shù)量，二是增加采集樣本的時間間隔。考慮到 Prometheus 會對時間序列進(jìn)行壓縮，因此減少時間序列的數(shù)量效果更明顯。

舉例說明：

采集頻率 30s，機器數(shù)量1000，Metric種類6000，1000600026024 約 200 億，30G 左右磁盤。
只采集需要的指標(biāo)，如 match[], 或者統(tǒng)計下最常使用的指標(biāo)，性能最差的指標(biāo)。

以上磁盤容量并沒有把 wal 文件算進(jìn)去，wal 文件(Raw Data)在 Prometheus 官方文檔中說明至少會保存3個 Write-Ahead Log Files，每一個最大為128M(實際運行發(fā)現(xiàn)數(shù)量會更多)。

因為我們使用了 Thanos 的方案，所以本地磁盤只保留2H 熱數(shù)據(jù)。Wal 每2小時生成一份Block文件，Block文件每2小時上傳對象存儲，本地磁盤基本沒有壓力。

關(guān)于 Prometheus 存儲機制，可以看這篇。

十四、對 Apiserver 的性能影響

如果你的 Prometheus 使用了 kubernetes_sd_config 做服務(wù)發(fā)現(xiàn)，請求一般會經(jīng)過集群的 Apiserver，隨著規(guī)模的變大，需要評估下對 Apiserver性能的影響，尤其是Proxy失敗的時候，會導(dǎo)致CPU 升高。當(dāng)然了，如果單K8S集群規(guī)模太大，一般都是拆分集群，不過隨時監(jiān)測下 Apiserver 的進(jìn)程變化還是有必要的。

在監(jiān)控Cadvisor、Docker、Kube-Proxy 的 Metric 時，我們一開始選擇從 Apiserver Proxy 到節(jié)點的對應(yīng)端口，統(tǒng)一設(shè)置比較方便，但后來還是改為了直接拉取節(jié)點，Apiserver 僅做服務(wù)發(fā)現(xiàn)。

十五、Rate 的計算邏輯

Prometheus 中的 Counter 類型主要是為了 Rate 而存在的，即計算速率，單純的 Counter 計數(shù)意義不大，因為 Counter 一旦重置，總計數(shù)就沒有意義了。

Rate 會自動處理 Counter 重置的問題，Counter 一般都是一直變大的，例如一個 Exporter 啟動，然后崩潰了。本來以每秒大約10的速率遞增，但僅運行了半個小時，則速率（x_total [1h]）將返回大約每秒5的結(jié)果。另外，Counter 的任何減少也會被視為 Counter 重置。例如，如果時間序列的值為[5,10,4,6]，則將其視為[5,10,14,16]。

Rate 值很少是精確的。由于針對不同目標(biāo)的抓取發(fā)生在不同的時間，因此隨著時間的流逝會發(fā)生抖動，query_range 計算時很少會與抓取時間完美匹配，并且抓取有可能失敗。面對這樣的挑戰(zhàn)，Rate 的設(shè)計必須是健壯的。

Rate 并非想要捕獲每個增量，因為有時候增量會丟失，例如實例在抓取間隔中掛掉。如果 Counter 的變化速度很慢，例如每小時僅增加幾次，則可能會導(dǎo)致【假象】。比如出現(xiàn)一個 Counter 時間序列，值為100，Rate 就不知道這些增量是現(xiàn)在的值，還是目標(biāo)已經(jīng)運行了好幾年并且才剛剛開始返回。

建議將 Rate 計算的范圍向量的時間至少設(shè)為抓取間隔的四倍。這將確保即使抓取速度緩慢，且發(fā)生了一次抓取故障，您也始終可以使用兩個樣本。此類問題在實踐中經(jīng)常出現(xiàn)，因此保持這種彈性非常重要。例如，對于1分鐘的抓取間隔，您可以使用4分鐘的 Rate 計算，但是通常將其四舍五入為5分鐘。

如果 Rate 的時間區(qū)間內(nèi)有數(shù)據(jù)缺失，他會基于趨勢進(jìn)行推測，比如：