如何实现单指标异常检测？算法规则是关键

Posted 2022-02-04 嘉为科技

IT运维领域要保障服务正常运行，通常第一步是将运维的对象监控起来，这其中主要就是对运维对象的指标进行实时监控：通过设定的（算法）规则对指标进行实时检测，当某个指标值不符合设定的规则时，则判定为异常，然后发送相应的告警到告警平台。

告警平台收到告警后，会分配给对应的运维人员进行处理，运维人员根据告警信息来排查问题所在，最终定位故障的根本原因，并对故障进行修复。

从这个流程可以看出，整个过程是以告警为中心，所以告警的质量至关重要。那么，如何保证指标类告警的质量呢，这就需要使用准确有效的（算法）规则来对指标进行异常检测了。

一、指标异常检测常面临的问题

1、规模庞大

随业务发展的大规模系统和设备导致需要监控的指标呈指数型增加。

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2、指标类型多样化

不同的系统和业务，其指标的形态千变万化，没有单一不变的方法可以覆盖所有的指标情况。

因此，要提高指标异常检测的效率和准确性，降低告警的误报率及漏报率，我们要从以上两个问题点出发去解决单指标异常检测的问题。

二、什么是单指标异常检测？

在探讨问题的解决方案之前，这里先给单指标异常检测的相关概念做一个陈述：

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时间序列：是一组按照时间发生先后顺序进行排列的数据点序列。时间序列的时间间隔为此时序数据的频率。

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异常：在时间序列中，异常是指在一个或多个信号的模式发生意料之外的变化。

所以，单指标异常检测即对单个变量的时间序列数据进行异常发现的过程。在运维领域内，cpu、mem、disk等资源的使用量、网络流量等指标的异常检测都属于单指标异常检测。

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三、如何实现单指标异常检测

通过上面的内容，我们对单指标异常检测有了大致的了解，下面来讲述如何实现它。

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1、指标分类

首先我们来解决上面提到的问题二——指标类型多样化的问题。时序数据的形态各异（如下图），如何通过一种有效的分类方式将时序数据分类呢？

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假设一条时间序列是由多种成分相加得来，那么它可以写为如下形式：

y(t)=S(t)+T(t)+R(t)

其中S(t)、T(t)、R(t)分别是周期成分（seasonal component）、趋势成分（trend-cycle component）、残差成分（remainder component）。如下图，将原始时序数据data通过STL分解为三种分量（trend、seasonal、remainder）之和。

此外，时间序列也可以写成相乘的形式（对于乘性模型，可以取对数（当然是有意义的前提下，将其转化为加性模型）：

y(t)=S(t)×T(t)×R(t)

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至此，我们的问题转变为：用什么方法判断曲线的类别（趋势型、季节型、波动型）？下面介绍常用的两种方式：

皮尔逊相关系数（PCCs）判别法

通过时序数据的分解算法将原始数据分解为3个分量，而后分别计算三个分量与原始数据的皮尔逊相关系数，取系数最大的分量作为曲线的类别（如最大系数差别较小，可划分此曲线同属2个类别）。（分解法包括：经典分解法、X11分解法、SEATS分解法、STL分解法等）

依据人工设定阈值的判别法

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是否是波动型：计算时序数据的标准差，并和设定好的阈值（人工经验）来进行比较得出。

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是否是趋势型：EWMA平滑处理时序数据，而后通过一元线性回归拟合曲线，通过对y=kx+b的k值与设定好的阈值比较得出曲线是否是趋势型。

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是否是季节性：对于非波动型数据不做季节性判断；对于波动型数据，获取当天、上一天、上周的同一天数据，归一化处理后分别计算当天与另外两天的MSE，取其中较小值与设定好的阈值进行比较得出曲线是否是季节型。

2、对应检测模型构建

针对问题一——指标数据规模庞大的问题，这就使得无监督的算法相较于有监督算法、简单模型相较于复杂模型具有更大的优势：节省人力+普适性强+检测效率高。

下图列出了将指标数据进行曲线分类后，适用算法的情况（不考虑有监督算法）。

在实际使用过程中，一般会对每种类型的指标进行2种及以上的算法模型检测，并对结果进行投票决策，提高检测准确率。（注：考虑到延迟，同比环比算法都是相较于过去的某个时间范围而不是对应的时间点）

目前，我们的监控平台已内置多种指标异常检测算法，告别静态阈值检测，有效提高异常检测质量，极大的降低了过去静态阈值方法造成的告警漏报、错报率。

▲ 监控中心展示

发现故障是告警质量的决定性环节，指标异常检测作为运维故障发现-分析-处理流程的开始阶段，它的一分准确可以避免后续的十分、一百分的劳动。

▲ 实践流程图

好的指标异常检测方法一方面能够使得告警质量大大提升，另一方面能够减少运维人员对阈值设定的繁琐工作量，对于整体的运维质量起着至关重要的作用。