prometheus与skywalking在私有化交付项目中的应用

1.背景

1.1 项目背景和遇到的问题

        当时在某个公司做tob私有化的后端研发工作，工作中需要给某个媒体公司提供推荐服务。

        项目的后端模块使用java+sprintBoot+maven开发，算法模块采用python开发，部署方式分两种：jar包部署（测试环境）和kubernetes+docker的部署（部署在线上环境中）。

        客户提供的环境：5台需要连接的虚拟机。每台配置：内存32G（猜测是因为压缩指针技术?），硬盘500G。另外有一个10T的SSD（印象有点模糊了，也有可能是NFS盘）用于存放大量用户点展数据，每天的数据量约3G，周末高峰期有约5G（大致数据）。部署在客户环境的时候，一般是拿单独的测试机器来作为测试环境，每台机器都装有redis和ES，其中四台机器的redis和ES都是集群模式，另外有一台单独测试机器，ES和redis是单点模式。

        在项目持续了一段时间后，发现线上经常出现下列问题，导致排查问题起来手忙脚乱。

存在问题	具体原因	影响程度	备注
原始用户数据（点展数据）丢失	客户的数据同步有问题	大	算法需要使用原始数据进行模型训练，缺少原始数据导致算法的训练延时产出
磁盘占满	1. k8s重启之后，之前的pod会有新的pod name，于是日志也会有新的pod后缀，旧的pod的日志无法被及时清理，导致日志积累过多； 2. 算法模型的启动日志很大；	大	1.并不知道为什么算法的启动日志特别大； 2.磁盘被打满会导致服务的pod出故障，会进入pending状态并最终进入Failed状态；
错误日志	错误日志有各种问题，整理一下主要有以下问题导致: 1.调用召回模型失败； 2.调用排序模型失败； 3.某个服务宕机（极少）；	中	虽然打印了错误日志说明代码逻辑上是有问题的，但是多路召回和排序阶段后端都有做兜底策略，多路召回只要有一路成功即可进入下一环节，排序如果失败会进行混洗，即将结果打乱进行展示
数据清洗失败	使用组内自研的某个框架进行数据清洗，使用linux进行定时任务，但是会有延迟产出或者产出的问题	中	数据清洗不及时也是会导致算法训练产出的延时，但大部分遇到的场景都是客户的原始数据没有及时发送导致的。
某阶段耗时过多	曾经有算法模型更新，换了个效果更好的但是耗时更多的模型，导致耗时较多	小	客户对耗时的要求不是很高，影响不大
内存使用较多	工作期间基本没有遇到过	小	无
GC频繁	工作期间基本没有遇到过	小	无

        另外研发希望看到后端和算法迭代之后，点展比、点击率、展示数、PV、UV等数据的变化，希望能整合到监控中。

        由于以上的问题，leader提出了搭建监控和报警系统的需求。在相关负责的架构师的带领下，组内开始了相关的工作。

1.2 项目整理的监控和报警需求

       基于以上的种种问题，在架构师带领下，整理了相关的监控和报警需求。

内容	报警or监控？	需求度	备注
原始用户数据丢失	报警+监控	高	报警是为了第一时间知道问题，监控是为了能大概知道客户的每日产出时间；
磁盘占用	报警+监控	高	处理方式：及时报警，接到报警后及时清理磁盘；
后端错误日志	报警+监控	中	方便及时排查问题；
数据清洗失败	报警	高	数据清洗失败不容易抽象成指标，也没有监控的线程方法，设计上有难度
请求耗时	报警+监控	监控高，报警低	线上请求超时的case其实不多，报警的需求其实不高；
微服务调用失败和微服务健康监控	报警+监控	高	研发希望有服务调用的拓扑图；
Java基本参数： 内存使用、JVM分布、 GC次数	监控	中	属于基本需求，但并不是项目中需要及时面对的问题；
点展比、点击率、展示数、PV、UV	监控	中

         

2.监控选型

        在选型过程中，架构师整理了前东家其他团队的工作，基于已有的成熟技术，主要着眼于两个技术框架：skywalking和prometheus。

2.1 skywalking

               参考文档：SkyWalking 极简入门 | Apache SkyWalking

          skywalking是一个分布式系统的应用程序性能监视工具，专为微服务、云原生架构和基于容器（Docker、K8s、Mesos）架构而设计。

          skywalking提供分布式追踪、服务网格遥测分析、度量聚合和可视化一体化解决方案。

        skywalking架构图：

         

        架构图比较复杂。重点总结几个skywalking的特点：

1.  提供封装好的重要指标，比如qps、请求耗时、etc，同时自带UI功能，不需要额外接入grafana等UI组件；

        下图是查看仪表盘：

参考：Skywalking全链路追踪使用说明_张维鹏的博客-CSDN博客_全链路追踪skywalking

        下图是查看网络拓扑：

        下图是查看调用链路

        另外也支持对mysql数据库的信息查询：

2.  与此对应的，skywalking对于自定义指标的metrics的支持很差

        也就是说，如果想要实现一些自定义的指标，比如：每日到达网站的VIP用户数和VIP行为数据，skywalking就支持的很不好（注：新版本的skywalking支持接入prometheus的自定义指标，参考：SkyWalking 8.4 provides infrastructure monitoring | Apache SkyWalking）；

3. 数据默认存储在ElasticSearch

        Skywalking框架没有设计新的数据库，而是把数据默认存放在ES当中，官方也支持将数据存储到Mysql当中。

        这种数据存储设计，优点上是：减少了中间件数量；缺点也很明显：如果项目中用到了ES，不利于ES数据的管理；

4. 支持链路追踪

        skywalking的链路追踪功能，是基于context实现的，具体实现中，会讲全局唯一ID编译进http的请求head当中。具体实现细节参考：分布式链路追踪原理详解及SkyWalking、Zipkin介绍 - 腾讯云开发者社区-腾讯云

        另外当前的链路追踪设计都参考了谷歌的Dapper，参考文章：Dapper，大规模分布式系统的跟踪系统 by bigbully

5. 安装和配置较为方便，适合快速部署

        具体安装参考：SkyWalking 极简入门 | Apache SkyWalking

       主要是启动java服务、启动skywalking的OAP服务，启动agent、启动skywalking UI，具体不赘述。

6. 使用了java-agent 指标

        和prometheus的metric指标有所区别，此处不赘述

7. 告警支持较弱

        SkyWalking是不支持直接向邮箱、短信等服务发送告警信息的，SkyWalking只会在发生告警时将告警信息发送至配置好的Webhook接口，因此需要自己实现WebHook来进行告警。具体参考：

SkyWalking - 实现微服务监控告警_51CTO博客_微服务监控告警

2.2 prometheus调研与选型。

时序数据库（TSDB）简介：

        时序数据是随时间不断产生的一系列数据，简单来说，就是带时间戳的数据。时序数据库 (Time Series Database，TSDB) 是优化用于摄取、处理和存储时间戳数据的数据库。此类数据可能包括来自服务器和应用程序的指标、来自物联网传感器的读数、网站或应用程序上的用户交互或金融市场上的交易活动。（参考：时序数据库入门系列：什么是时序数据库 - 知乎）

        市面上有很多成熟的时序数据库，比如influxDB，实际上某些大厂早期的监控也是基于influxDB实现的。        

prometheus时序数据库：

        Prometheus作为一个独立地开源监控系统和告警工具，是继Kubernetes之后加入CNCF（Cloud Native Computing Foundation，云原生计算基金会）的第二个项目，算是根正苗红的云原生监控系统

         prometheus本身是一个云原生数据框架，但在这个框架下，prometheus是一个时序数据库（是不是有点绕）……

        下图是prometheus监控系统的架构图（参考文档：终于有人把Prometheus入门讲明白了 - DockOne.io）:

        根据以上架构图可以简单整理出一些prometheus的特点：

        1. 架构较为复杂，看起来需要启动多个服务；

        2.  云原生，支持k8s等CNCF原生组件；

        3. 自带PfromQL，具有一套特定的语法；

        4. 需要外部UI支持； 

        5. 支持告警；

        具体安装教程参考：

Prometheus监控系统 安装与配置详细教程 - ExplorerMan - 博客园

        关于告警规则：

参考官方文档Alerting rules | Prometheus，prometheus的告警规则是写在yml文件中的：

         可以通过配置consul或者nacos等配置中心来管理告警规则。

ui选型选型

        UI选型上，没有做太多工作，直接选择了grafana，这也是prometheus官方推荐的UI框架。

        除了prometheus之外，grafana还支持多种中间件，包括ElasticSearch、MySQL、PoastgreSQL、InfluxDB、OpenTSDB、CloudWath、Zabbix，等等。更多信息参考：

Data sources | Grafana documentation

       

另外grafana已经提供了多种现成的dashaborad模板，参考：

Dashboards | Grafana Labs

        这是一个常用的JVM监控模板（JVM (Micrometer) | Grafana Labs），部分截图如下：

 各种眼花缭乱的并且现成的监控模板也是选择Grafana的一大原因

alert-manager

         alert-manager是属于prometheus框架的一部分，主要作用是接受promtheus的阈值报警并进行转发。下图是官方aler-manager架构图（参考：Prometheus监控神器-Alertmanager篇(4) - 腾讯云开发者社区-腾讯云）

        

1. 从左上开始，Prometheus 发送的警报到 Alertmanager;
2. 警报会被存储到 AlertProvider 中，Alertmanager 的内置实现就是包了一个 map，也就是存放在本机内存中，这里可以很容易地扩展其它 Provider;
3. Dispatcher 是一个单独的 goroutine，它会不断到 AlertProvider 拉新的警报，并且根据 YAML 配置的 Routing Tree 将警报路由到一个分组中;
4. 分组会定时进行 flush (间隔为配置参数中的 group_interval), flush 后这组警报会走一个 Notification Pipeline 链式处理;
5. Notification Pipeline 为这组警报确定发送目标，并执行抑制逻辑，静默逻辑，去重逻辑，发送与重试逻辑，实现警报的最终投递；

        简单来说，alert-manager主要工作，就是对prometheus数据库发送过来的报警消息进行整理和路由分发，同时还有一些去重、静默（silence，也就是屏蔽）等功能。

 以上参考了：搞搞 Prometheus: Alertmanager 解析 - 知乎

        技术实现仅供参考，真正部署中不需要太在意技术实现细节。

指标类型

   prometheus提供了四种指标类型：counter，gauge，histogram，summary

       四种指标类型的简单介绍

        

指标	特点	备注	case
Counter	只增不减的计数器（除非发生系统重置）	基于时间数据进行累加	用于统计用户总数、到达总数、网页访问量等；
Gauge	可增可减的仪表盘	可使用PromSql进行方差计算	用户查询当前磁盘用量、内存消耗等实时数据；
Histogram	直方图，注重区间上的统计分析；		请求耗时、磁盘用量、GC等的分析（偏区间）
Summary	摘要，注重概率上的统计分析		请求耗时、磁盘用量、GC等的分析（偏概率）

下图是Histogram的一个实例：

        

 下图是summary的一个实例：

具体参考：Metric types | PrometheusMetrics类型 - prometheus-book

        总体而言，Counter和Gauge属于比较好理解的指标，Histogram和Summary属于比较难以理解的两个指标（可能需要一定的概率论知识），某种程度上Histogram和Summary指标可以认为是基于一个基础指标进行一系列统计分析的结果，一般来说实际项目中用到的也少。但是在进行数据分析和性能分析时，Histogram和Summary可以提供很多有效参考信息。

3.监控架构

3.1 架构图

3.2 架构图解释与说明

        1. 根据上图的架构图可以看出，实际上监控架构的核心还是Exporter（包括微服务本身暴露的指标）+prometheus+Grafana实现的，其他部分都可以认为是比较可插拔的模块。

        2. 图中可见涉及到的监控服务包括:nacos, skywalking,exporter,Grafana, alert-manager, flask，skywalking，服务文件较多，管理起来也比较复杂，其实最好是有一个微服务编排管理的工具，比如service mesh或者spring cloud，但是最后时间问题没有调研和实现。

        注：其中的flask应该是参考了此类文档：​prometheus中使用python手写webhook完成告警 - 腾讯云开发者社区-腾讯云

        目前看到的消息，alert-manager已经支持对企业微信的报警了：Prometheus + Alertmanager 实现企业微信告警_mb5fdb1365b75a0的技术博客_51CTO博客

        也就说架构图中的flask服务可以移除。

        3. 在最后的实际使用中，skywalking实际上并没有发挥报警功能，我们也主要是将skywalking作为一个看板，这主要是因为业务场景导致的，个人认为skywalking更适合作为项目初期的一个通用监控模块，对网络、数据库、磁盘等进行监控即可。

        4. 报警方式上，最后只使用了企业微信报警（拉了专门的报警群）和邮件报警。另外也可以实现前东家内部沟通IM软件的报警，但最后因为没啥意义就pass了。

4.实战与部署

4.1 如何实现需要的指标

        在编程中，发现需要实现的报警指标主要分为以下几种：

        1. GC数据，JVM，QPS，响应耗时等基本数据，这些网上有较多教程。其中GC、JVM、磁盘占有率等数据通过spring暴露的metric指标，配合grafana的一些模板就能实现；QPS和响应耗时（P99,P95,,P90等）通过配置skywalking也可以可视化

        2. 原始用户数据丢失（传输不及时）：用go语言开发Exporter实现即可。由于客户提供的点展数据文件前缀保持不变，后缀是天级别时间戳，所以使用正则，每天生成的指标定时扫描指定的文件大小，然后发送到prometheus生成相应的指标即可；

        springboot接入skywalking教程参考，可见skywalking对springboot的接入几乎是无侵入的，连依赖都不需要添加：

Springboot接入SkyWalking分布式链路追踪 - 掘金
 

        springboot接入prometheus参考：

SpringBoot应用接入Prometheus的全过程解析 - 知乎

        接入prometheus的步骤相比于接入skywalking就复杂了许多，还需要SpringBoot暴露Actuator接口，有兴趣的同学可以自行学习actuator。

        接入primetheus+grafana的效果参考：

 

        3. 点展比、点击率、展示数、PV、UV。这些数据的计算逻辑比较定制化，只能每日跑python脚本实现。

        一开始，研发侧想要通过在Exporter中扩展不同的函数来实现，即把计算点展比、点击率、展示数等统计指标的逻辑写在Exporeter中。但是，架构师负责编写的Exporter是go编写的，算法同学精通python，却并不会编写go和java。后端同学也对使用python重构Exporter并不感冒。

        与此同时，定制化编写Exporter也存在下述问题：如果后续要增加新的统计指标，例如推荐商品的去重后展示数，还需要更新Exporter，对于迭代而言也不友好。

        最后，组内后端同学设计了以下指标文件格式：

{"metric_name":"xxx","value":1111111,"metric_type":"gauge"}

其中，metrci_name表示指标名，value表示指标的值，metric表示指标的类型。在本项目中我们只使用gauge，因为暂时不需要counter, histogram, summary等指标类型。

（ 具体的prometheus的四种指标含义参考prometheus的官方文档：第2节：指标类型 - Prometheus 中文文档）

指标文件放在一个规定的路径下，该路径在Exporter的配置文件中指定。

假设2020年11月26日要产出2020年11月25号的点击率指标文件和展示数目指标文件，则两个指标文件的路径为:

/xxxx/xxxx/metric/20201125/click_rate.json
/xxxx/xxxx/metric/20201125/show_num.json

其中/xxxx/xxxx/metric为指定的指标产出文件夹。

        至于为什么要把指标文件放在同一个日期的文件夹下，而不是使用日期作为后缀，是为了让Exporter读取时候直接到某个文件夹下获取所有的指标文件，而不是采用正则去匹配文件名。

4.2 Exporter具体代码

原始Exporter代码无法提供，这里只能参考链接：Instrumenting a Go application | Prometheus

package main

import (
        "net/http"
        "time"

        "github.com/prometheus/client_golang/prometheus"
        "github.com/prometheus/client_golang/prometheus/promauto"
        "github.com/prometheus/client_golang/prometheus/promhttp"
)

func recordMetrics() {
        go func() {
                for {
                        opsProcessed.Inc()
                        time.Sleep(2 * time.Second)
                }
        }()
}

var (
        opsProcessed = promauto.NewCounter(prometheus.CounterOpts{
                Name: "myapp_processed_ops_total",
                Help: "The total number of processed events",
        })
)

func main() {
        recordMetrics()

        http.Handle("/metrics", promhttp.Handler())
        http.ListenAndServe(":2112", nil)
}

代码解析：

主要是实现了一个counter计数器，同时将数据发送到prometheus数据库，

Prometheus 监控服务 自定义监控-接入指南-文档中心-腾讯云

Summary的编写可以参考：

动手写prometheus的exporter-04-Summary（摘要）_开发运维玄德公的博客-CSDN博客

4.3 部署步骤

         详细部署步骤忽略。

          大致上部署步骤是：

        1. 在单机环境单独新起了一个ES数据库，以支持Skywalking；

        2. 部署skywalking的各个模块，配置过程中配置到具体服务的k8s节点和服务；

        3. 部署promtheus的各个模块和Exporter；

        4. 部署flask服务，将alert-manager发送过来的信息发送到企业微信，打通告警链路；

        5. 和客户联调测试；

        

5. 踩坑经历

5.1 指标没有显示在grafana

        原因在于Exporter中更新了逻辑，但是没有重启prometheus-client。

        这一块具体逻辑有点忘记了，但是大概好像是没有配置prometheus的热加载机制导致的。

        好像是因为更改了配置文件，具体有点忘记了。

5.2 报警配置达到了阈值，但是没有报警

        这个问题发生时候，很难排查，因为日志中没有看到有效的信息。

        最后是经过架构师排查后发现，由于后期算法加了很多监控指标，导致Exporter的处理流程变长。整个流程需要处理：读取磁盘文件，生成指标；发送到prometheus时序数据库；alertManager扫描prometheus的指标，并发送给用户。但是由于指标文件越来越多，读取磁盘文件生成指标的耗时过久，过了alertManager的扫描窗口，导致报警不生效。（大致逻辑）

        总结：如果能够并发读文件，在go编写的Exporter中还是尽量并发操作；

5.3 服务全部部署在一个机器上，导致机器负载较大

        部署过程中，我们将所有的服务都部署在唯一一台虚拟机上，剩余四台虚拟机都是被监控的对象，这就导致该台虚拟机承担的功能过多，磁盘占用较大。

        后续优化中进行了docker+k8s封装的迭代规划，但最后没有部署，只是每天定期检查一下机器状态（注：部署监控服务的机器也会对机器本身进行监控）。

6.prometheus架构和某大公司组内架构选型对比

        这一块由于保密原因不方便写太多，大致写写。

6.1 为什么不选择prometheus时序数据库而选用了场内自研的时序数据库？

        主要是历史原因，之前某大厂的选型是influxDB，并且有专门的的告警服务，选择了prometheus，就需要从零开始搭建prometheus生态，成本太高了。

6.2 bosun和prometheus原生态自带的alert-manager区别，为什么选择bosun？

        1. bosun支持LogStash-ElasticSearch，对日志的处理更好，prometheus与alert-manager对日志的支持较差；

        2. bosun能支持更多的数据库，比如Open-TSDB，ES，prometheus，InfluxDB等，而alert-manager主要还是在prometheus框架下支持prometheus；

        3. bosun有一套原生的bosun语法，与prometheus的PromSql是独立的；

        4.  bosun对调用链路（trace）的支持比prometheus更好，prometheus不太适合用于链路追踪；

        5. 选型bosun有着较多的大厂历史原因，用prometheus替换成本太高。

        

7. 总结

        写到此处，发现监控系统的撰写工作量远远超出了自己的估计。

        在前东家不长的工作时间中，能深入接触到监控系统的选型与建设，对个人的成长帮助也是很大的。

        个人总结了prometheus、skywalking与监控系统的一些个人感悟。

        1. 监控系统是一个"高级"的架构，因为监控的需求是随着用户量增长而提出来的，或者说监控本身就是一个需要有了一定的用户量，才有实现意义的架构；

        2. 监控系统的架构复杂度远超想象；

        3. skywalking或许是一个很天才的个人监控项目，但是随着时间推移，我个人认为越来越多的用户会选择prometheus类型的架构；

        4. 相比于skywalking，prometheus不仅提供了更灵活的指标配置，更形成了监控系统的高级抽象，将监控系统划分为时序数据库、报警模块、UI展示模块等部分，并抽象出了metric（指标），PromSql（我理解为指标查询语句），告警规则等概念，从这个方面来说对自研监控系统有着更好的参考意义；

        5. 在新团队中，如果想要快速搭建监控系统，skywalking也是不错的选择，提供了很多通用的监控功能；如果想要搭建扩展性更好的监控和报警系统，选用prometheus是不错的选择；如果已经有了现成的监控和报警系统，基于bosun改造也是不不错的选择；

        6. 大厂环境中对监控和报警的要求更好，尤其是B（字节）A（阿里）T（腾讯）级别的共is，每日的指标文件会达到PB级别，这时候就有很多定制化的需求，比如：报警规则太多了，不能再用yml文件配置，应该存放到数据库中；对各个服务的报警经常要跨机房，需要设计一些好的路由算法；需要设计统一的报警方案，以提供给厂内同事使用，对基础架构部门的设计研发能力有极高的要求。

8. 参考文档

SkyWalking 极简入门 | Apache SkyWalking

时序数据库入门系列：什么是时序数据库 - 知乎

使用 Go 开发 Prometheus Exporter - 腾讯云开发者社区-腾讯云

5 個適合系統管理員使用的告警視覺化工具 - tw511教學網

Prometheus基于bosun框架进行告警 | xigang's home

Bosun vs Prometheus | What are the differences?

初识时序数据库 | MySQL 技术论坛

时序数据库系列1-综述 - 墨天轮（写的很详细，可以重点参考，里面提到prometheus等几个时序数据库的优劣）

Alertmanager | Prometheus

SkyWalking--使用/教程/实例_51CTO博客_skywalking使用教程

Skywalking全链路追踪使用说明_张维鹏的博客-CSDN博客_全链路追踪skywalking

分布式链路追踪原理详解及SkyWalking、Zipkin介绍 - 腾讯云开发者社区-腾讯云

Dapper，大规模分布式系统的跟踪系统 by bigbully

揭秘Prometheus时序数据库设计 - 知乎

Prometheus时序数据库 - HelloWorld开发者社区

Prometheus时序数据库-报警的计算Prometheus时序数据库-报警的计算 - 腾讯云开发者社区-腾讯云

功能和优势

终于有人把Prometheus入门讲明白了 - DockOne.io

SkyWalking - 实现微服务监控告警_51CTO博客_微服务监控告警

https://doc.cncf.vip/prometheus-handbook/parti-prometheus-ji-chu/quickstart/prometheus-quick-start/use-grafana-create-dashboard

Grafana · ELKstack 中文指南Data sources | Grafana documentation

万字谈监控：解答Zabbix与Prometheus选型疑难_运维_dbaplus社群_InfoQ精选文章

Prometheus监控神器-Alertmanager篇(4) - 腾讯云开发者社区-腾讯云

​prometheus中使用python手写webhook完成告警 - 腾讯云开发者社区-腾讯云

Prometheus + Alertmanager 实现企业微信告警_mb5fdb1365b75a0的技术博客_51CTO博客

Instrumenting a Go application | Prometheus

Metrics类型 - prometheus-book

Metric types | Prometheus

Prometheus 编写自己的 exporter - Go语言中文网 - Golang中文社区

动手写prometheus的exporter-04-Summary（摘要）_开发运维玄德公的博客-CSDN博客

Springboot接入SkyWalking分布式链路追踪 - 掘金

SpringBoot应用接入Prometheus的全过程解析 - 知乎

书籍：

Prometheus 云原生监控（朱政科 著）

Apache Skywalking 实战 （吴晟 著）