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基于Prometheus的企业级监控体系探索与实践｜社区征文

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云原生
社区征文
基于Prometheus的企业级监控体系探索与实践

背景

我行自2018年开始从传统集中式应用架构向分布式微服务应用架构转型，2020年开始拥抱云原生体系，实现应用、平台上云。随着架构转型的不断深入，对监控体系的要求也不断提高，本文回顾我们基于Prometheus对微服务监控体系的一些探索和实践。

Prometheus是CNCF基金会管理的第二个毕业项目（第一个是Kubernetes），由于其良好的架构设计和完善的生态，迅速成为了监控领域的主流解决方案，尤其是在云原生领域。

Prometheus组件架构.jpg

随着深入地了解Prometheus，会发现一些非常好的功能：

  • 生态丰富，社区活跃，开源社区建立了数百个exporter，同时提供开箱即用的Grafana dashboard。基本上涵盖了所有基础设施和主流中间件
  • 工具库可从您的应用程序获取自定义指标。基本上主流开发语言都有对应的工具库。
  • 服务发现使配置更加容易。Prometheus支持consul，etcd，kubernetes以及各家公有云厂商自动发现。对于监控目标动态发现，这点特别契合Cloud时代，应用动态扩缩的特点。
  • Pushgateway，Alermanager等组件，基本上涵盖了一个完整的监控生命周期；社区中Thanos、Cortex 等监控套件，完善其集群能力。

同样Prometheus同样存在一些问题：

  • Prometheus性能不足：原生Prometheus并不支持高可用，也不能做横向扩缩容，当集群规模较大时，单一Prometheus会出现性能瓶颈，无法正常采集数据。
  • 运维难度大：每一级Prometheus都是单独管理的，缺乏全局管理工具。
  • 告警能力不足：缺乏oncall机制，告警信息持久化存储等能力。

通过服务发现简化运维

Prometheus提供多种客户端配置方式，包括服务发现，静态文件等。在目前云原生环境下，应用具备高度弹性，通过静态配置监控目标的行为是多么的低效。所以我们要尽可能的通过服务发现来管理客户端列表。

PrometheusSD.jpg

借助于架构转型，全行使用统一的springcloud技术栈，注册中心为Eureka，为了兼容Prometheus服务发现，我们对Eureka进行二次开发使其能够模拟Consul的服务注册发现API（2.21.0版本后以支持Eureka SD），简化server端配置。

我们监控主要分为资源监控和应用监控，资源监控为服务所在主机、虚机或容器的运行状态如cpu、内存、网络等，应用监控指标为应用的运行状态如接口响应时长，线程池情况，jvm运行情况等。

资源监控方面，我们对社区的NodeExporter进行定制化开发，使其可以通过Eureka进行服务发现。

应用监控方面，除了利用社区JmxExproter，我们提供了一套标准化的应用监控SDK，即插即用，提供了丰富的应用状态监控指标，包括节点运行情况，接口运行情况，线程池运行情况，JVM运行情况，队列监控，信号量监控和熔断监控。

在此基础上，我们提供标准的容器镜像，内置所需的各种agent或exporter，业务应用无需关注基础监控功能。

- job_name: jvm-exporter
  relabel_configs:
  - source_labels: [__meta_eureka_app_name]
    separator: ;
    regex: (.*)
    target_label: service
    replacement: $1
    action: replace
  - source_labels: [service]
    separator: ;
    regex: ^GATEWAY.*
    replacement: $1
    action: drop
  - source_labels: [instance]
    separator: ;
    regex: ^gateway_.*
    replacement: $1
    action: drop
  - source_labels: [__meta_eureka_app_instance_ip_addr]
    separator: ;
    regex: (.*)
    target_label: __address__
    replacement: ${1}:16666
    action: replace
  eureka_sd_configs:
  - server: http://eureka-ip:8761/eureka
    refresh_interval: 30s
	
- job_name: node_exporter
  relabel_configs:
  - source_labels: [__meta_eureka_app_name]
    separator: ;
    regex: (.*)
    target_label: service
    replacement: $1
    action: replace
  - source_labels: [service]
    separator: ;
    regex: (NODE_EXPORTER)
    replacement: $1
    action: keep
  - source_labels: [__meta_eureka_app_instance_ip_addr]
    separator: ':'
    regex: (.*)
    target_label: __address__
    replacement: $1:9100
    action: replace
  eureka_sd_configs:
  - server: http://eureka-ip:8761/eureka
    refresh_interval: 30s

- job_name: msp-eureka
  honor_timestamps: true
  params:
    module:
    - tcp_connect
  scrape_interval: 30s
  scrape_timeout: 10s
  metrics_path: /probe
  scheme: http
  relabel_configs:
  - source_labels: [__meta_eureka_app_name]
    separator: ;
    regex: (.*)
    target_label: service
    replacement: $1
    action: replace
  - source_labels: [service]
    separator: ;
    regex: ^GATEWAY.*
    replacement: $1
    action: drop
  - source_labels: [instance]
    separator: ;
    regex: ^gateway_.*
    replacement: $1
    action: drop
  eureka_sd_configs:
  - server: http://eureka-ip:8761/eureka
    refresh_interval: 2m

统一告警管理

Prometheus官方提供了告警组件AlterManager进行告警管理，AlertManager用于处理客户端应用程序（如Prometheus）的警报。AlterManager支持分组，抑制，静默等特性，它还负责将其发送给下游处理（例如电子邮件，Slack，Pager Duty）。

Alertmanager虽然已经比较优秀了，但是在落地的过程中，存在以下问题：

  • 缺失个性推送。做为企业级应用，我们不同应用的告警信息需要推送到对应的oncall人员。

  • 警规则变更需要逐个修改Prometheus配置文件，告警配置繁琐，运维压力大。

  • Alertmanager 虽然支持许多通知方式，但企业会有自身的告警通知方式，对我们来说不支持行内的统一告警平台和员工APP。

  • 此外，一个完善的报警系统，势必要支持报警分析，针对过去时间维度的报警，做一些比如topK的分析，有助于指导运维方向。目前Alertmanager没有将历史报警做持久化处理。

为了解决以上问题，我们要对Prometheus监控体系进行扩展。一种方案是fork源码，扩展功能，另一种是增加自有组件来扩展功能。考虑到社区的快速迭代，产品后续的持续更新，以及技术栈的差异，我们选择了增加自有组件来扩展功能。

我们微服务平台提供了功能完善的服务治理体系，构建了注册中心、配置中心、认证中心等基础组件，借助这些组件我们可以方便的对Prometheus告警体系进行增强。我们开发了Prometheus-agent和MspAlter来增强告警功能，达到企业级要求，架构如下如所示。

告警管理.png

我们在管理平台抽象出了告警应用、告警模板、告警函数、告警规则等概念，屏蔽了Prometheus的rule表达式，实现了告警规则的可视化流程化设置。如下图所示，选择一个微服务和模板即可生成告警规则。

111.jpg

222.PNG

管理平台进一步将翻译后的告警规则下发至apollo配置中心，Prometheus-agent监听配置变化，实时修改Prometheus配置文件。

MspAlter组件对AlterManager推送的告警做进一步的处理，包括告警过滤，定时开启告警，告警持久化存储，告警信息格式转换以适配统一告警平台和员工APP，以及根据告警来源推送至对应人员等功能。下图为员工APP中收到的告警信息。

IMG_4395 2.jpg

Prometheus集群能力增强

Prometheus自身的时序数据库TSDB是一个单机的数据库，不支持分布式是其天生的劣势。当你的metrics 数量足够多的时候，单机Prometheus就显得捉襟见肘。Prometheus中的内存使用量与存储的时间序列数量成正比，并且随着时间序列数量的增加，Prometheus会OOM。具有数百万个指标的Prometheus可以使用超过100GB的RAM，很多时候我们受限制于一些主机本身的大小，我们无法不断的通过纵向调整机器大小来解决这个问题。因此解决Prometheus的扩展性，是打造企业分布式监控平台的关键。

Prometheus官方的解决方案是联邦，主要提供了分层联邦和跨服务联邦（联邦官方文档）。本质上就是采集级联，说白了就是 a 从 b,c,d那里再采集数据过来，其实有很大的问题，本质上Prometheus的单机能力依旧没有得到解决。

我们最初的方案是利用remote_read功能，将Prometheus分为查询节点和采集节点，来解决高可用和全局查询的问题。采集节点按模采集监控指标并触发告警，查询节点从各个采集节点查询并merge数据，不存储数据。

远程读.png

这种架构同样有一些不可避免的缺点：

  • 并发查询必须要等最慢的那个返回才返回，所以如果有个慢的节点会导致查询速度下降。

  • 应对重查询时可能会把query打挂，但也正是这个特点，会很好的保护后端存储分片，重查询的基数分散给多个采集器了。

  • 由于是无差别的并发query，也就是说所有的query都会打向所有的采集器，会导致一些采集器总是查询不存在他这里的数据。

随着监控节点的不断增加，我们遇到了性能瓶颈，在做一些重查询，比如api网关接口耗时topN时，查询速度缓慢，甚至qurey节点OOM。所以我们继续进行架构调整以适应不断提升的监控需求。

针对Prometheus的集群扩展问题，业内主要有远端存储和开源监控套件两类解决方案：

  1. 远端存储：借助prometheus remote_write API将监控数据写入远端存储（通常是分布式时序数据库如influxDB、M3DB、VictoraMetrics等），prometheus负责采集和告警，存储和查询使用远端存储。

  2. 监控套件：业内为了解决prometheus集群功能欠缺的问题，开发了Thanos 、Cortex 等监控套件（依赖于对象存储），与原生 Prometheus 结合，满足了长期存储 + 无限拓展 + 全局视图 + 无侵入性的需求。

我们重点调研测试了VictoriaMetrics和Thanos两个解决方案。

Thanos

Thanos 也是一个CNCF基金会下管理的项目。Thanos利用Prometheus 2.0存储格式以经济高效的方式将历史指标数据存储在任何对象存储中，Thanos 整体架构图如下：

image.png

从架构图就可看出其组件比较复杂，这里就不在一一赘述，有兴趣的同学可以到其官网了解。Thanos 解决了Prometheus的集群缺失问题，与原生 Prometheus 结合，满足了长期存储 + 无限拓展 + 全局视图 + 无侵入性的需求，但维护成本比较高，如果你在一些非云的环境中，需要自己提供一套对象存储。

VictoriaMetrics

VictoriaMetrics是一种快速，经济高效且可扩展的时间序列数据库，可用作Prometheus的长期远程存储。

VictoriaMetrics 包括了如下的组件：

  • vmstorage -- 存储数据。

  • vminsert -- 通过remote_write API接收来自Prometheus的数据并将其分布在可用的vmstorage节点上。

  • vmselect -- 通过从vmstorage节点获取并合并所需数据，通过Prometheus查询API执行传入查询。

他是一种无共享架构（Shared-nothing_architecture），每个组件可以使用最合适的硬件配置独立扩展到多个节点。

整体架构图如下：

Naive cluster scheme.png

该系统的优势是架构简单，提供单节点和集群两种部署模式，无需额外组件，启动二进制文件即可完成部署。扩展性好，集群模式下，各个组件可独立扩容。性能优异，借鉴clickhouse的思想的列式存储，官方测试相较Prometheus和Thanos数据压测7倍，在写入和查询性能上相比InfluxDB和TimescaleDB有20倍的性能优势；在处理百万级别时间序列时，内存使用比 InfluxDB小十倍，比 Prometheus、 Thanos小七倍。

我们在测试环境8C32G虚拟机搭建VictoriaMetrics单节点应用，秒增5万数据点，CPU平均使用率5%，峰值15%，内存平均6.75G，峰值8.5G；预铺30天数据，查询耗时99%峰值3s。

vm性能监控.jpg

总的来说，两者均对Prometheus生态有较好的兼容性，支持promtheus查询api，支持全局查询视图，支持prometheus HA去重。Thanos组件比较复杂，维护成本比较高，如果公司已有对象存储，或在公有云部署可以省去对象存储的运维工作。VictoriaMetrics架构简单，性能优异，也有较好的可扩展性和高可用性。

我们最终选择VictoriaMetrics作为Prometheus数据的持久化存储和查询数据库。 逻辑架构如下图所示：

数据架构图.png 我们在生产环境使用四台中配虚机（4C16G）部署insert和select节点，三台高配虚机（8C32G）部署storage节点，单副本存储。除了搭建VM集群，仅需在Prometheus配置中增加远程写，Grafana中修改数据源。在秒增10万数据点压力下，长期运行稳定无异常。以较小的代价，实现了业务目标。

总结与展望

未来Prometheus生态体系仍将是云原生监控的主流解决方案，企业级的落地要根据自身场景，做出适当的扩展和选型。 架构的演进不是一蹴而就的，随着业务的增长，当时合理的一些决策，在当前的场景下会变得不再适用。未来随着target数量的增长以及种类的增多，Prometheus节点的动态扩容和target的动态调度是我们面临的一个痛点，也是后续需要重点解决的问题。

参考

https://github.com/tkestack/kvass/blob/master/README_CN.md

https://prometheus.io

https://www.zhihu.com/people/iyacontrol

https://docs.victoriametrics.com

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