Prometheus 原理
DevOps

Prometheus 原理

一、Prometheus 相关概念

1.1、内部存储机制

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。

1.2、数据模型

Prometheus 存储的所有数据都是时间序列数据（Time Serie Data，简称时序数据）。时序数据是具有时间戳的数据流，该数据流属于某个度量指标（Metric）和该度量指标下的多个标签（Label）。

每个 Metric name 代表了一类的指标，他们可以携带不同的 Labels，每个 Metric name + Label 组合成代表了一条时间序列的数据。
在 Prometheus 的世界里面，所有的数值都是 64bit 的。每条时间序列里面记录的其实就是 64bit timestamp (时间戳) + 64bit value (采样值)。

  • Metric name（指标名称）：该名字应该具有语义，一般用于表示 metric 的功能，例如：http_requests_total, 表示 http 请求的总数。其中，metric 名字由 ASCII 字符，数字，下划线，以及冒号组成，且必须满足正则表达式 [a-zA-Z_:][a-zA-Z0-9_:]*。
  • Lables（标签）：使同一个时间序列有了不同维度的识别。例如 http_requests_total {method=“Get”} 表示所有 http 请求中的 Get 请求。当 method=“post” 时，则为新的一个 metric。标签中的键由 ASCII 字符，数字，以及下划线组成，且必须满足正则表达式 [a-zA-Z_:][a-zA-Z0-9_:]*。
  • timestamp (时间戳)：数据点的时间，表示数据记录的时间。
  • Sample Value（采样值）：实际的时间序列，每个序列包括一个 float64 的值和一个毫秒级的时间戳。

例如图上的数据：

http_requests_total {status="200",method="GET"}
http_requests_total {status="404",method="GET"}

根据上面的分析，时间序列的存储似乎可以设计成 key-value 存储的方式（基于 BigTable）。

进一步拆分，可以像下面这样子：

上图的第二条样式就是现在 Prometheus 内部的表现形式了，__name__ 是特定的 label 标签，代表了 metric name。
再回顾一下 Prometheus 的整体流程：

上面提到了 K-V 存储，当然是使用了 LevelDB 的引擎，它的特点是顺序读写性能非常高，这是非常符合时间序列的存储的。

1.3、Metric 类型

Prometheus 定义了 4 种不同的指标类型 (metric type)：Counter（计数器）、Gauge（仪表盘）、Histogram（直方图）、Summary（摘要）。

1.3.1、Counter（计数器）

一种累加的 metric，典型的应用如：请求的个数，结束的任务数， 出现的错误数等等。
【例如】查询 http_requests_total {method=“get”, job=“Prometheus”, handler=“query”} 返回 8，10 秒后，再次查询，则返回 14。

1.3.2、Gauge（仪表盘）

数据是一个瞬时值，如果当前内存用量，它随着时间变化忽高忽低。
【例如】go_goroutines {instance=“172.17.0.2”, job=“Prometheus”} 返回值 147，10 秒后返回 124。

1.3.3、Histogram（直方图）

  • Histogram 取样观测的结果（一般是请求持续时间或响应大小）并在一个可配置的分布区间（bucket）内计算这些结果。其也提供所有观测结果的总和。
  • Histogram 有一个基本 metric 名称 ，在一次抓取中展现多个时间序列：
    累加的 counter，代表观测区间：_bucket {le=“”}
    所有观测值的总数：_sum
    观测到的事件数量：_count

例如 Prometheus server 中 prometheus_local_storage_series_chunks_persisted, 表示 Prometheus 中每个时序需要存储的 chunks 数量，我们可以用它计算待持久化的数据的分位数。

1.3.4、Summary（摘要）

  • 和 histogram 相似，summary 取样观测的结果（一般是请求持续时间或响应大小）。但是它还提供观测的次数和所有值的总和，它通过一个滑动的时间窗口计算可配置的分位数。
  • Summary 有一个基本的 metric 名称 ，在一次抓取中展现多个时间序列：
    观测事件的流式 φ- 分位数（0 ≤ φ ≤ 1）：{quantile=“φ”}
    所有观测值的总和：_sum
    观测的事件数量：_count

例如 Prometheus server 中 prometheus_target_interval_length_seconds。

1.4、Histogram 和 Summary 的对比


以下是类型为 histogram 和 summary 的样本输出示例：

# A histogram, which has a pretty complex representation in the text format:
# HELP http_request_duration_seconds A histogram of the request duration.
# TYPE http_request_duration_seconds histogram
http_request_duration_seconds_bucket {le="0.05"} 24054
http_request_duration_seconds_bucket {le="0.1"} 33444
http_request_duration_seconds_bucket {le="0.2"} 100392
http_request_duration_seconds_bucket {le="+Inf"} 144320
http_request_duration_seconds_sum 53423
http_request_duration_seconds_count 144320
# Finally a summary, which has a complex representation, too:
# HELP rpc_duration_seconds A summary of the RPC duration in seconds.
# TYPE rpc_duration_seconds summary
rpc_duration_seconds {quantile="0.01"} 3102
rpc_duration_seconds {quantile="0.05"} 3272
rpc_duration_seconds {quantile="0.5"} 4773
rpc_duration_seconds_sum 1.7560473e+07
rpc_duration_seconds_count 2693

1.5、任务（JOBS）与实例（INSTANCES）

用 Prometheus 术语来说，可以抓取的端点称为 instance，通常对应于单个进程。
具有相同目的的 instances 的集合（例如，出于可伸缩性或可靠性而复制的过程）称为 job。
例如，一个具有四个复制实例的 API 服务器作业:

  • job: api-server
    instance 1: 1.2.3.4:5670
    instance 2: 1.2.3.4:5671
    instance 3: 5.6.7.8:5670
    instance 4: 5.6.7.8:5671
  • instance: 一个单独 scrape 的目标， 一般对应于一个进程。:
  • jobs: 一组同种类型的 instances（主要用于保证可扩展性和可靠性）

1.6、Node exporter

Node exporter 主要用于暴露 metrics 给 Prometheus，其中 metrics 包括：cpu 的负载，内存的使用情况，网络等。

1.7、Pushgateway

Pushgateway 是 Prometheus 生态中一个重要工具，使用它的原因主要是：

  • Prometheus 采用 pull 模式，可能由于不在一个子网或者防火墙原因，导致 Prometheus 无法直接拉取各个 target 数据。
  • 在监控业务数据的时候，需要将不同数据汇总，由 Prometheus 统一收集。
  • 由于以上原因，不得不使用 pushgateway，但在使用之前，有必要了解一下它的一些弊端：

将多个节点数据汇总到 pushgateway, 如果 pushgateway 挂了，受影响比多个 target 大。

  • Prometheus 拉取状态 up 只针对 pushgateway, 无法做到对每个节点有效。
  • Pushgateway 可以持久化推送给它的所有监控数据。因此，即使你的监控已经下线，prometheus 还会拉取到旧的监控数据，需要手动清理 pushgateway 不要的数据。

二、Exporter 介绍

Exporter 是 prometheus 监控中重要的组成部分，负责数据指标的采集。广义上讲所有可以向 Prometheus 提供监控样本数据的程序都可以被称为一个 Exporter。而 Exporter 的一个实例称为 target。官方给出的插件有 blackbox_exporter、node_exporter、mysqld_exporter、snmp_exporter 等，第三方的插件有 redis_exporter，cadvisor 等。

官方和一些社区提供好多 exproter, 我们可以直接拿过来采集我们的数据。 官方的 exporter 地址：https://prometheus.io/docs/instrumenting/exporters/

2.1、常见的 Exporter 简介

1、blackbox_exporter
GitHub 地址：https://github.com/prometheus/blackbox_exporter
bloackbox exporter 是 prometheus 社区提供的黑盒监控解决方案，运行用户通过 HTTP、HTTPS、DNS、TCP 以及 ICMP 的方式对网络进行探测。这里通过 blackbox 对我们的站点信息进行采集。

2、node_exporter
GitHub 地址：https://github.com/prometheus/node_exporter
node_exporter 主要用来采集机器的性能指标数据，包括 cpu，内存，磁盘，io 等基本信息。

3、mysqld_exporter
GitHub 地址：https://github.com/prometheus/mysqld_exporter
mysql_exporter 是用来收集 MysQL 或者 Mariadb 数据库相关指标的，mysql_exporter 需要连接到数据库并有相关权限。

4、snmp_exporter
GitHub 地址：https://github.com/prometheus/snmp_exporter
SNMP Exporter 从 SNMP 服务中采集信息提供给 Promethers 监控系统使用。

2.2、Exporter 的来源

从 Exporter 的来源上来讲，主要分为两类：
1、社区提供
Prometheus 社区提供了丰富的 Exporter 实现，涵盖了从基础设施，中间件以及网络等各个方面的监控功能。这些 Exporter 可以实现大部分通用的监控需求。下表列举一些社区中常用的 Exporter：

2、用户自定义
除了直接使用社区提供的 Exporter 程序以外，用户还可以基于 Prometheus 提供的 Client Library 创建自己的 Exporter 程序，目前 Promthues 社区官方提供了对以下编程语言的支持：Go、Java/Scala、Python、Ruby。同时还有第三方实现的如：Bash、C++、Common Lisp、Erlang,、Haskeel、Lua、Node.js、PHP、Rust 等。

2.3、Exporter 的运行方式

从 Exporter 的运行方式上来讲，又可以分为：
1、独立运行
由于操作系统本身并不直接支持 Prometheus，同时用户也无法通过直接从操作系统层面上提供对 Prometheus 的支持。因此，用户只能通过独立运行一个程序的方式，通过操作系统提供的相关接口，将系统的运行状态数据转换为可供 Prometheus 读取的监控数据。 除了 Node Exporter 以外，比如 MySQL Exporter、Redis Exporter 等都是通过这种方式实现的。 这些 Exporter 程序扮演了一个中间代理人的角色（数据转换）。

2、集成到应用中（推荐）
为了能够更好的监控系统的内部运行状态，有些开源项目如 Kubernetes，ETCD 等直接在代码中使用了 Prometheus 的 Client Library，提供了对 Prometheus 的直接支持。这种方式打破的监控的界限，让应用程序可以直接将内部的运行状态暴露给 Prometheus，适合于一些需要更多自定义监控指标需求的项目。

2.4、Exporter 规范

所有的 Exporter 程序都需要按照 Prometheus 的规范，返回监控的样本数据。以 Node Exporter 为例，当访问 /metrics 地址时会返回以下内容：

# 取前面 10 行
$ curl -s -k --header "Authorization: Bearer $TOKEN" https://192.168.0.113:6443/metrics|head -10

# HELP aggregator_openapi_v2_regeneration_count [ALPHA] Counter of OpenAPI v2 spec regeneration count broken down by causing APIService name and reason.
# TYPE aggregator_openapi_v2_regeneration_count counter
aggregator_openapi_v2_regeneration_count {apiservice="*",reason="startup"} 0
aggregator_openapi_v2_regeneration_count {apiservice="k8s_internal_local_delegation_chain_0000000002",reason="update"} 0
aggregator_openapi_v2_regeneration_count {apiservice="v1beta1.metrics.k8s.io",reason="add"} 0
aggregator_openapi_v2_regeneration_count {apiservice="v1beta1.metrics.k8s.io",reason="update"} 0
# HELP aggregator_openapi_v2_regeneration_duration [ALPHA] Gauge of OpenAPI v2 spec regeneration duration in seconds.
# TYPE aggregator_openapi_v2_regeneration_duration gauge
aggregator_openapi_v2_regeneration_duration {reason="add"} 0.929158077
aggregator_openapi_v2_regeneration_duration {reason="startup"} 0.509336209

Exporter 返回的样本数据，主要由三个部分组成：样本的一般注释信息（HELP），样本的类型注释信息（TYPE）和样本。
Prometheus 会对 Exporter 响应的内容逐行解析：

  • 如果当前行以# HELP 开始，Prometheus 将会按照以下规则对内容进行解析，得到当前的指标名称以及相应的说明信息：
    # HELP <metrics_name> <doc_string>
  • 如果当前行以# TYPE 开始，Prometheus 会按照以下规则对内容进行解析，得到当前的指标名称以及指标类型:
    # TYPE <metrics_name> <metrics_type>
  • TYPE 注释行必须出现在指标的第一个样本之前。如果没有明确的指标类型需要返回为 untyped。 除了#开头的所有行都会被视为是监控样本数据。 每一行样本需要满足以下格式规范:
metric_name [
“{” label_name “=” "label_value" { “,” label_name “=” "label_value" } [ “,” ] “}”
] value [ timestamp ]

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