Prometheus监控运维实战十七： 高可用与扩展性

Posted 2021-11-24 运维老兵Alex

在上篇的Prometheus远程存储方案中，我们解决了数据持久化和大数据量存储/查询的需求。但是，在大规模的监控环境中，除了存储方面的问题外，Prometheus实例在处理大量的监控任务时，也可能会成为性能瓶颈。另外，还有高可用的问题，应该如何来保证监控的可靠性。

本篇我们将就这些问题进行探讨研究。

一. Prometheus高可用

在Prometheus的官方推荐方案中，对于高可用的处理是通过部署两套Prometheus，配置同样的任务实例来实现的。在这个方案中，两套Prometheus会获取相同的监控指标，并且触发同样的告警规则，而对于警报的去重工作则由Alertmanager来负责。

但此方案也存在着缺点，比如当某个Prometheus出现故障或中断时，那么该节点将会出现数据丢失的情况，并与另一个节点存在数据差异。当在该节点上进行查询操作时，就会遇到这个问题。

对此，我们可以与远程存储方案结合起来，将Prometheus的读写放到远程存储端，通过高可用 +远程存储的方式来解决上面的问题。

此优化方案在解决了Promthues服务可用性的基础上，同时确保了数据的持久化，当某个Promthues 节点发生宕机的情况时，由于还有另一个节点在获取数据，这样可以保证在查询时不会遇到数据丢失的问题。 

该方案适用于用户监控规模不大，但是希望能够将监控数据持久化，同时确保Promthues服务高可用性的场景。

二. 联邦模式

在大规模的监控环境中，当单个Prometheus无法处理大量的监控采集任务时，我们可以基于联邦的模式将采集任务划分到不同的Prometheus实例中，再由顶层的Prometheus进行数据的统一管理。

在此方案中，工作节点的Prometheus根据拆分原则，负责指定实例的数据采集及规则告警工作，而主节点则通过/federate接口从工作节点获取数据指标，并写入到远程存储中，同时对接Grafana实现监控展示。

1. 任务拆分

在任务的拆分上，我们可以从两个维度来考虑，一种是按功能进行拆分，一种则是水平的拆分。

功能拆分

功能拆分可按资源类型或区域等维度，将不同的任务划分到不同的Prometheus节点上，如下图所示

这种方式简单且易于理解，在此架构中每个Prometheus都有明确的目标实例且配置独立，当监控的实例指标出现故障时，用户可以清楚定位到相应的Prometheus节点。通过功能拆分的方式，可以有效分散Prometheus的负载压力，提升监控系统的整体容量规模。

不过在某些场景下，通常是大规模的部署环境中，功能拆分依然会出现瓶颈。例如：在一个存在着上万台主机的环境中，要是通过单个Prometheus去监控主机参数的话，无疑是难以支持的。而如果要靠人为来划分多个Prometheus监控对应的主机节点，则会给运维人员增加很多工作量和复杂性。在这种场景下，我们可以考虑水平拆分的方式。

水平拆分

在水平拆分的场景下，多个Prometheus节点配置相同的实例信息，Prometheus通过HASH规则的方式，计算自身负责的目标实例，从而实现横向的扩展。

配置示例：

scrape_configs:
  - job_name: node
    file_sd_configs:
    - files:
      - /etc/prometheus/node/*.yml
    relabel_configs:
    - source_labels: [__address__]
      modulus:       2
      target_label:  __tmp_hash
      action:        hashmod
    - source_labels: [__tmp_hash]
      regex:         ^0$
      action:        keep

注释：本示例中我们负责抓取监控指标的工作节点为两台，所以在modulus处标记数量为2，并根据每个实例的[__address__]标签值 ，生成一个临时标签[__tmp_hash]及对应的值，该值内容包含0或1。然后根据正则匹配机制，保留符合正则表达则的实例。在两个工作节点中，regex处分别配置为^0$和^1$。如果后续工作节点的数量增加，则需要修改modulus值为新的节点数量 ，并在新的节点中配置对应的regex。

在每个Worker节点的配置中，可以插入一个worker:<value>的标签，这样方便在主节点处可以知道相关指标来源于哪个worker。

global:
  external_labels:
    worker: 0

2. 主节点配置

在worker配置完成正常运行后，我们可以开始配置主节点的任务，用于抓取工作节点的时间序列。集群中的工作节点都是我们Targets的目标地址，本示例为两个worker节点，相关配置如下 ：

- scrape_config:
  - job_name: node-workers
    honor_labels: true
    metrics_path: /federate
    params:
      match[]:
        - {job="node"}         
    static_configs:
      - targets:
        - worker-0:9090
        - worker-1:9090

注释 ：honor_labels需配置为true，这样可保证主节点不会覆盖工作节点的序列标签；metrics_path指定federate API路径；params指定match[]参数，匹配我们想要获取的特定时间序列，可以指定多个条件，Prometheus将返回所有条件的并集；targets指定工作节点的目标地址。

如下所示，在任务正常启动后，我们就可以在主节点的上查询到Worker节点收集的监控指标。

结语：

目前Prometheus在集群与扩展性方面的功能并不算强大，通过分级联邦的方式虽然可以解决扩展性的问题，但依然存着的一些不足之处 。例如：多层结构使得Prometheus之间的网络变得复杂，我们不止要关注工作节点和目标之间的连接，也要关注主节点与工作节点的连接；工作节点根据设定的间隔获取目标指标，而主节点对于工作节点数据的抓取也存在着时间间隔，这可能导致主节点出现数据延迟的情况；最后，当所有的指标汇总到主节点时，可能会对其造成较大的压力，在资源的调配上需做好分配，以免引起主节点的崩溃。

基于以上的短板，在采用分级联邦时，建议尽量遵循下列的规范：

1. 将告警的规则配置在worker节点，而不是主节点。

2. 在主节点抓取worker节点指标时，通过match参数筛选过滤指标。

3. 整体分层架构最多不要超过三层。

4. 将分级联邦模式做为最后的选择，只有在大规模的环境中才考虑使用。