7 张图，彻底讲透 Prometheus 架构原理

Arun Lal、Bibin Wilson 2024-07-18 07:06:10

在本指南中，我们将详细了解 Prometheus 架构，以有效地理解、配置和利用 Prometheus。

Prometheus 是一个用 Golang 编写的流行开源监控和警报系统，能够收集和处理来自各种目标的指标。您还可以查询、查看、分析指标并根据阈值收到警报。

此外，在当今世界，可观察性对于每个组织都变得至关重要，而 Prometheus 是开源领域的关键观测工具之一。

Prometheus 架构概述

Prometheus architecture

Prometheus主要由以下部分组成：

Prometheus Server
Service Discovery
Time-Series Database (TSDB)
Targets
Exporters
Push Gateway
Alert Manager
Client Libraries
PromQL

让我们详细看看每个组件。

Prometheus Server

Prometheus 服务器是基于指标的监控系统的大脑。服务器的主要工作是使用拉模型从各个目标收集指标。目标只不过是服务器、pod、端点等，我们将在下一个主题中详细介绍它们。使用 Prometheus 从目标收集指标的通用术语称为抓取。

Prometheus scrape

Prometheus 根据我们在 Prometheus 配置文件中给出的抓取间隔定期抓取指标。这是一个配置示例。

global:
  scrape_interval: 15s 
  evaluation_interval: 15s 
  scrape_timeout: 10s 

rule_files:
  - "rules/*.rules"

scrape_configs:
  - job_name: 'prometheus'
    static_configs:
      - targets: ['localhost:9090'] 
  - job_name: 'node-exporter'
    static_configs:
      - targets: ['node-exporter:9100'] 

alerting:
  alertmanagers:
    - static_configs:
        - targets: ['alertmanager:9093']

Time-Series Database (TSDB)

prometheus 接收到的指标数据随着时间的推移而变化（CPU、内存、网络 IO 等）。它被称为时间序列数据。因此 Prometheus 使用时间序列数据库（TSDB）来存储其所有数据。默认情况下，Prometheus 以高效的格式（块）将其所有数据存储在本地磁盘中。随着时间的推移，它会压缩所有旧数据以节省空间。它还具有删除旧数据的保留策略。TSDB 具有内置的机制来管理长期保存的数据。您可以选择以下任意数据保留策略。

基于时间的保留：数据将保留指定的天数。默认保留期为 15 天。
基于大小的保留：您可以指定 TSDB 可以容纳的最大数据量。一旦达到这个限制，普罗米修斯将释放空间来容纳新数据。

Prometheus 还提供远程存储选项。这主要是存储可扩展性、长期存储、备份和灾难恢复等所需要的。

Prometheus Targets

Target 是 Prometheus 抓取指标的来源。目标可以是服务器、服务、Kubernetes Pod、应用程序端点等。

Prometheus Targets

默认情况下，prometheus 会在目标的 /metrics 路径下查找指标。可以在目标配置中更改默认路径。这意味着，如果您不指定自定义指标路径，Prometheus 会在 /metrics 下查找指标。

目标配置位于 Prometheus 配置文件中的 scrape_configs 下。这是一个配置示例。

scrape_configs:
  
  - job_name: 'node-exporter'
    static_configs:
      - targets: ['node-exporter1:9100', 'node-exporter2:9100']
 
  - job_name: 'my_custom_job'
    static_configs:
      - targets: ['my_service_address:port']
    metrics_path: '/custom_metrics'

  - job_name: 'blackbox-exporter'
    static_configs:
      - targets: ['blackbox-exporter1:9115', 'blackbox-exporter2:9115']
    metrics_path: /probe

  - job_name: 'snmp-exporter'
    static_configs:
      - targets: ['snmp-exporter1:9116', 'snmp-exporter2:9116']
    metrics_path: /snmp

Prometheus 需要来自目标端点的特定文本格式的数据。每个指标都必须换行。通常，这些指标使用 Prometheus exporters 来暴露。Prometheus exporter 通常和 target 伴生在一起。

Prometheus Exporters

Exporter 就像在目标上运行的代理。它将指标从特定系统转换为普罗米修斯可以理解的格式。它可以是系统指标，如 CPU、内存等，也可以是 Java JMX 指标、MySQL 指标等。

Prometheus Exporter

默认情况下，这些转换后的指标由 Exporter 在目标的 /metrics 路径（HTTP 端点）上公开。例如，如果要监控服务器的 CPU 和内存，则需要在该服务器上安装 Node Exporter，并且 Node Exporter 以 prometheus 指标格式在 /metrics 上公开 CPU 和内存指标。一旦 Prometheus 提取指标，它将结合指标名称、标签、值和时间戳生成结构化数据。

社区有很多 Exporters 可用，但只有其中一些获得 Prometheus 官方认可。如果您需要更多自定义采集，则需要创建自己的导出器。Prometheus 将 Exporter 分为各个部分，例如数据库、硬件、问题跟踪器和持续集成、消息系统、存储、公开 Prometheus 指标的软件、其他第三方实用程序等。您可以从官方文档中查看每个类别的 Exporter 列表。

在 Prometheus 配置文件中，所有 Exporter 的详细信息将在 scrape_configs 下给出。

scrape_configs:
  - job_name: 'node-exporter'
    static_configs:
      - targets: ['node-exporter1:9100', 'node-exporter2:9100']

  - job_name: 'blackbox-exporter'
    static_configs:
      - targets: ['blackbox-exporter1:9115', 'blackbox-exporter2:9115']
    metrics_path: /probe

  - job_name: 'snmp-exporter'
    static_configs:
      - targets: ['snmp-exporter1:9116', 'snmp-exporter2:9116']
    metrics_path: /snmp

Prometheus Service Discovery

Prometheus 使用两种方法从目标中获取指标。

静态配置：当目标具有静态 IP 或 DNS 端点时，我们可以使用这些端点作为目标。
服务发现：在大多数自动伸缩系统和 Kubernetes 等分布式系统中，目标不会有静态端点。在这种情况下，使用 prometheus 服务发现来发现目标端点，并且目标会自动添加到 prometheus 配置中。

Prometheus Service Discovery

在进一步讨论之前，让我展示一个使用 kubernetes_sd_configs 的 Prometheus 配置文件的 Kubernetes 服务发现块的小示例。

scrape_configs:
  - job_name: 'kubernetes-apiservers'
    kubernetes_sd_configs:
    - role: endpoints
    scheme: https
    tls_config:
      ca_file: /var/run/secrets/kubernetes.io/serviceaccount/ca.crt
    bearer_token_file: /var/run/secrets/kubernetes.io/serviceaccount/token
    relabel_configs:
    - source_labels: [__meta_kubernetes_namespace, __meta_kubernetes_service_name, __meta_kubernetes_endpoint_port_name]
      action: keep
      regex: default;kubernetes;https

Kubernetes 是动态目标的完美示例。在这里，您不能使用静态目标方法，因为 Kubernetes 集群中的目标（pod）可能是短暂存活的。

Kubernetes 中还有基于文件的服务发现 file_sd_configs 。它适用于静态目标，但经典静态配置 static_configs 和 file_sd_configs 之间的主要区别在于，在这种情况下，我们创建单独的 JSON 或 YAML 文件并将目标信息保存在文件中。Prometheus 将读取文件来识别目标。

不仅这两种，还可以使用各种服务发现方法，例如 consul_sd_configs（prometheus 从 consul 获取目标详细信息）、ec2_sd_configs 等。如需了解更多配置细节，请访问官方文档。

Prometheus Pushgateway

Prometheus 默认使用 pull 方式来抓取指标。然而，有些场景需要将指标推送到 prometheus。让我们举一个在 Kubernetes cronjob 上运行的批处理作业的示例，该作业每天根据某些事件运行 5 分钟。在这种情况下，Prometheus 将无法使用拉机制正确抓取服务级别指标。因此，我们需要将指标推送到 prometheus，而不是等待 prometheus 拉取指标。为了推送指标，prometheus 提供了一个名为 Pushgateway 的解决方案。它是一种中间网关。

Pushgateway 需要作为独立组件运行。批处理作业可以使用 HTTP API 将指标推送到 Pushgateway。然后 Pushgateway 在 /metrics 端点上公开这些指标。然后 Prometheus 从 Pushgateway 中抓取这些指标。

Prometheus Pushgateway

Pushgateway 将指标数据临时存储在内存中。它更像是一个临时缓存。Pushgateway 配置也将在 Prometheus 配置中的 scrape_configs 部分下进行配置。

scrape_configs:
  - job_name: "pushgateway"
    honor_labels: true
    static_configs:
    - targets: [pushgateway.monitoring.svc:9091]

要将指标发送到 Pushgateway，您需要使用 prometheus 客户端库对应用程序插桩，或使用脚本暴露指标。

Prometheus Client Libraries

Prometheus 客户端库是可用于检测应用程序代码的软件库，以 Prometheus 理解的方式公开指标。如果您需要自行埋点插桩或想要创建自己的Exporter，则可以使用客户端库。

一个非常好的用例是需要将指标推送到 Pushgateway 的批处理作业。批处理作业使用客户端库来埋点，以 prometheus 格式暴露指标。下面是一个 Python Client Library 的示例，它公开了名为 batch_job_records_processed_total 的自定义指标。

from prometheus_client import start_http_server, Counter
import time
import random

RECORDS_PROCESSED = Counter('batch_job_records_processed_total', 'Total number of records processed by the batch job')

def process_record():
    time.sleep(random.uniform(0.01, 0.1))
    RECORDS_PROCESSED.inc()

def batch_job():
   
    for _ in range(100):
        process_record()

if __name__ == '__main__':
 
    start_http_server(8000)
    print("Metrics server started on port 8000")

    batch_job()
    print("Batch job completed")

    while True:
        time.sleep(1)

在使用客户端库时，prometheus_client 会在 /metrics 端点上公开指标。Prometheus 拥有几乎所有编程语言的客户端库，如果您想创建客户端库，也 OK。要了解更多创建指南和查看客户端库列表，您可以参考官方文档。

Prometheus Alert Manager

Alertmanager 是 Prometheus 监控系统的关键部分。它的主要工作是根据 Prometheus 警报配置中设置的指标阈值发送警报。警报由 Prometheus 触发（注意，是由 Prometheus 进程触发原始告警）并发送到 Alertmanager。Alertmanager 对告警去重、抑制、静默、分组，最后使用各类通知媒介（电子邮件、slack 等）发出告警事件。其具体功能：

Alert Deduplicating：消除重复警报
Grouping：将相关警报分组在一起
Silencing：静默维护
Routing：路由，根据严重性将警报路由到适当的接收者
Inhibition：抑制，当存在中高严重性警报时停止低严重性警报的过程

Prometheus AlertManager

以下是警报规则的配置示例：

groups:
- name: microservices_alerts
  rules:
  - record: http_latency:average_latency_seconds
    expr: sum(http_request_duration_seconds_sum) / sum(http_request_duration_seconds_count)
  - alert: HighLatencyAlert
    expr: http_latency:average_latency_seconds > 0.5
    for: 5m
    labels:
      severity: critical
    annotations:
      summary: "High latency detected in microservices"
      description: "The average HTTP latency is high ({{ $value }} seconds) in the microservices cluster."

这是 Alertmanager 配置文件的路由配置示例：

routes:
- match:
    severity: 'critical'
  receiver: 'pagerduty-notifications'

- match:
    severity: 'warning'
  receiver: 'slack-notifications'

Alertmanager 支持大多数消息和通知系统，例如 Discord、电子邮件、Slack 等，以将警报作为通知发送给接收者。

PromQL

PromQL 是一种灵活的查询语言，可用于从 prometheus 查询时间序列指标。

译者注：这是 Prometheus 生态的重中之重，我之前写过一篇《PromQL 从入门到精通》，尽量融入了生产使用场景，读者可以下载学习。

我们可以直接从 Prometheus 用户界面使用查询，也可以使用 curl 命令通过命令行界面进行查询。

Prometheus UI

Prometheus WebUI

另外，当您将 prometheus 作为数据源添加到 Grafana 时，您可以使用 PromQL 来查询和创建 Grafana 仪表板，如下所示。

Grafana

总结

这解释了 Prometheus 架构的主要组件，并将给出 Prometheus 配置的基本概述，您还可以使用配置做很多事情。每个组织的需求会有所不同，并且 Prometheus 在不同环境（例如 VM 和 Kubernetes）中的实现也有所不同。如果您了解基础知识和关键配置，您就可以轻松地在任何平台上落地它。

本文翻译自这里。读者既然读到这里了，说明对 IT 监控这块很感兴趣，如下内容可能也会对您有所帮助：

运维监控实战笔记是我在极客时间写的一个专栏，对监控体系的方方面面都有涉及，已经有近万人学习了，您也可以试读一下。
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