容器监控实践—Prometheus基本架构

Contents

1 系统架构图
2 组件内容
3 关于Push与Pull
4 存储机制
5 关于日志处理
6 竞品对比
7 未来规划
8 在K8S中使用

系统架构图

1.x版本的Prometheus的架构图为：

目前Prometheus版本为2.7，架构图为：

Prometheus从exporter拉取数据，或者间接地通过网关gateway拉取数据（如果在k8s内部署，可以使用服务发现的方式），它默认本地存储抓取的所有数据，并通过一定规则进行清理和整理数据，并把得到的结果存储到新的时间序列中，采集到的数据有两个去向，一个是报警，另一个是可视化。PromQL和其他API可视化地展示收集的数据，并通过Alertmanager提供报警能力。

组件内容

Prometheus Server
负责从 Exporter 拉取和存储监控数据,并提供一套灵活的查询语言（PromQL）
- Retrieval: 采样模块
- TSDB: 存储模块默认本地存储为tsdb
- HTTP Server: 提供http接口查询和面板，默认端口为9090
Exporters/Jobs
负责收集目标对象（host, container…）的性能数据，并通过 HTTP 接口供 Prometheus Server 获取。支持数据库、硬件、消息中间件、存储系统、http服务器、jmx等。只要符合接口格式，就可以被采集。
Short-lived jobs
瞬时任务的场景，无法通过pull方式拉取，需要使用push方式，与PushGateway搭配使用
PushGateway
可选组件，主要用于短期的 jobs。由于这类 jobs 存在时间较短，可能在 Prometheus 来 pull 之前就消失了。为此，这次 jobs 可以直接向 Prometheus server 端推送它们的 metrics。这种方式主要用于服务层面的 metrics，对于机器层面的 metrices，需要使用 node exporter。
客户端sdk
官方提供的客户端类库有go、java、scala、python、ruby，其他还有很多第三方开发的类库，支持nodejs、php、erlang等
PromDash
使用rails开发的dashboard，用于可视化指标数据，已废弃
Alertmanager
从 Prometheus server 端接收到 alerts 后，会进行去除重复数据，分组，并路由到对收的接受方式，发出报警。常见的接收方式有：电子邮件，pagerduty，OpsGenie, webhook 等。
Service Discovery
服务发现，Prometheus支持多种服务发现机制：文件，DNS，Consul,Kubernetes,OpenStack,EC2等等。基于服务发现的过程并不复杂，通过第三方提供的接口，Prometheus查询到需要监控的Target列表，然后轮训这些Target获取监控数据。

其大概的工作流程是：

Prometheus server 定期从配置好的 jobs 或者 exporters 中拉 metrics，或者接收来自 Pushgateway 发过来的 metrics，或者从其他的 Prometheus server 中拉 metrics。
Prometheus server 在本地存储收集到的 metrics，并运行已定义好的 alert.rules，记录新的时间序列或者向 Alertmanager 推送警报。
Alertmanager 根据配置文件，对接收到的警报进行处理，发出告警。
在图形界面中，可视化采集数据。

关于Push与Pull

Prometheus采集数据是用的pull也就是拉模型,通过HTTP协议去采集指标，只要应用系统能够提供HTTP接口就可以接入监控系统，相比于私有协议或二进制协议来说开发、简单。优点主要是：

开发任何新功能，你甚至可以在电脑上查看你的监控
如果目标实例挂掉，你可以很快知道
你可以手动指定目标实例，并且在浏览器中查看他的健康状态

总体来说，Pull模式比Push模式更好一些，在监控系统中这也不是一个很重要的点。
如果要使用push的方式，可以使用Pushgateway的方式，如定时任务的采集。

对于定时任务这种短周期的指标采集，如果采用pull模式，可能造成任务结束了，Prometheus还没有来得及采集，这个时候可以使用加一个中转层，客户端推数据到Push Gateway缓存一下，由Prometheus从push gateway pull指标过来。(需要额外搭建Push Gateway，同时需要新增job去从gateway采数据)

推的代表有 ElasticSearch，InfluxDB，OpenTSDB 等，需要你从程序中将指标使用 TCP，UDP 等方式推送至相关监控应用，只是使用 TCP 的话，一旦监控应用挂掉或存在瓶颈，容易对应用本身产生影响，而使用 UDP 的话，虽然不用担心监控应用，但是容易丢数据。

拉的代表，主要代表就是 Prometheus，让我们不用担心监控应用本身的状态。而且，可以利用 DNS-SRV 或者 Consul 等服务发现功能就可以自动添加监控。

当然，InfluxDB 加上 collector，或者 ES 加上 metricbeat 也可以变为『拉』，而 Prometheus 加上 Push Gateway 也可以变为『推』。

更多区别可以参考下图：

存储机制

Prometheus有着非常高效的时间序列数据存储方法，每个采样数据仅仅占用3.5byte左右空间，上百万条时间序列，30秒间隔，保留60天，大概花了200多G（引用官方PPT）。

Prometheus内部主要分为三大块，Retrieval是负责定时去暴露的目标页面上去抓取采样指标数据，Storage是负责将采样数据写磁盘，PromQL是Prometheus提供的查询语言模块。

Prometheus内置了一个基于本地存储的时间序列数据库。在Prometheus设计上，使用本地存储可以降低Prometheus部署和管理的复杂度同时减少高可用（HA）带来的复杂性。在默认情况下，用户只需要部署多套Prometheus，采集相同的Targets即可实现基本的HA。同时由于Promethus高效的数据处理能力，单个Prometheus Server基本上能够应对大部分用户监控规模的需求。

同时为了适应数据持久化的问题，Prometheus提供了remote_write和remote_read的特性，支持将数据存储到远端和从远端读取数据。通过将监控与数据分离，Prometheus能够更好地进行弹性扩展。

关于存储用量规划：https://www.jianshu.com/p/93412a925da2
更多：Prometheus存储机制详解

https://yunlzheng.gitbook.io/prometheus-book/part-ii-prometheus-jin-jie/readmd

https://www.cnblogs.com/vovlie/p/7709312.html

https://www.linuxidc.com/Linux/2018-04/152057.htm

https://segmentfault.com/a/1190000008629939

https://www.infoq.cn/article/Prometheus-theory-source-code

关于日志处理

不建议将日志监控放在Prometheus中，这不是他的专长，还是使用ELK或EFK的方式处理日志信息

竞品对比

参考: https://toutiao.io/posts/fsjq8t/preview

未来规划

服务端度量指标元数据支持
在度量指标类型和其他元数据仅仅在客户库和展示格式中使用，并不会在Prometheus服务中持久保留或者利用。将来我们计划充分利用这些元数据。第一步是在Prometheus服务的内存中聚合这些数据，并开放一些实验性的API来提供服务
支持OpenMetrics
OpenMetrics组开放了一个新的监控指标暴露标准，我们将支持这种标准：https://openmetrics.io/
回溯时间序列
允许将过去一段时间的数据发送到其他的监控系统
HTTP服务支持TLS安全认证

当前的Prometheus, Alertmanager和一些官方exporter，暴露服务时，都不支持tls认证，有很大的安全风险，现在的实现都是基于反向代理，之后将内置到组件中

支持子查询

当前的Promq不支持子查询，如max_over_time() of a rate())，后续将会支持

支持生态建设

Prometheus有很多的client库和exporter，我们将会对其进行规范和生态建设。

在K8S中使用

在之前的版本中，k8s默认以及推荐的监控体系是它自己的一套东西：Heapster + cAdvisor + Influxdb + Grafana，1.8后Heaspter由Metric-server替代。如果你部署了Dashboard，就能看到监控数据（来自heapster）

k8s 自身的 HPA (Horizontal Pod Autoscaler)，默认从 Heapster 中获取数据进行自动伸缩

1.8版本以后，K8S希望将核心监控指标收拢到metric api的形式，而自定义监控指标，由prometheus来实现，prometheus正式成为k8s推荐的监控实现方案。

参考文档：

https://www.ibm.com/developerworks/cn/cloud/library/cl-lo-prometheus-getting-started-and-practice/index.html
https://prometheus.io/docs/introduction/faq/#why-do-you-pull-rather-than-push
https://www.kancloud.cn/cdh0805010118/prometheus/719344
https://yunlzheng.gitbook.io/prometheus-book/part-ii-prometheus-jin-jie/readmd

本文为容器监控实践系列文章，完整内容见：container-monitor-book