Prometheus监控Etcd集群

聊聊Etcd

Etcd是什么

Etcd是一个分布式的，一致的key-value存储，主要用于共享配置和服务发现。Etcd是由CoreOS开发并维护，通过Raft一致性算法处理日志复制以保证强一致性。Raft是一个来自Stanford的新的一致性算法，适用于分布式系统的日志复制，Raft通过选举的方式来实现一致性，在Raft中，任何一个节点都可能成为leader。

Etcd存储了k8s集群中所有的元数据（以key-value的方式）, K8s中所有元数据的增删改查都是由kube-apiserver来执行的

Raft算法

raft是工程上使用较为广泛的强一致性、去中心化、高可用的分布式协议

参考:

• http://thesecretlivesofdata.com/raft/
• https://www.cnblogs.com/xybaby/p/10124083.html

leader选举

raft协议中，一个节点任一时刻处于以下三个状态之一：

• leader #领导者
• follower #追随者
• candidate #候选人

所有节点启动时都是follower状态；在一段时间内如果没有收到来自leader的心跳，从follower切换到candidate，发起选举；如果收到多数的赞成票（含自己的一票）则切换到leader状态；如果发现其他节点比自己更新，则主动切换到follower。

总之，系统中最多只有一个leader，如果在一段时间里发现没有leader，则大家通过选举-投票选出leader。leader会不停的给follower发心跳消息，表明自己的存活状态。如果leader故障，那么follower会转换成candidate，重新选出leader。

选举过程详解

• 状态由follower切换到candidate状态并投自己一票
• 并行(RPC协议)给其他节点发送投票请求
• 等待其他节点的回复,在这个过程中，根据来自其他节点的消息，可能出现三种结果:
  • 收到多数的投票(含自己的一票),则赢得选举,成为leader,成为新的leader会立刻给所有节点发消息,避免其余节点触发新的选举
  • 被告知别人已当选，那么自行切换到follower
  • 一段时间内没有收到多数投票,也没其他节点成为leader,则保持candidate状态，重新发出选举

日志复制(log replication)

• 当有了leader，系统应该进入对外工作期了
• 客户端的一切请求来发送到leader
• leader来调度这些并发请求的顺序
• 并且保证leader与followers状态的一致性
• raft中的做法是，将这些请求以及执行顺序告知followers
• leader和followers以相同的顺序来执行这些请求，保证状态一致。
• leader只需要日志被复制到大多数节点即可向客户端返回，一旦向客户端返回成功消息，那么系统就必须保证log（其实是log所包含的command）在任何异常的情况下都不会发生回滚。这里有两个词：
  • commit（committed）是指日志被复制到了大多数节点后日志的状态；
  • apply(applied) 是节点将日志应用到状态机，真正影响到节点状态。

Prometheus监控Etcd集群

前提Prometheus是用Prometheus Operator安装的

安装方法:

• Prometheus Operator: https://www.qikqiak.com/post/first-use-prometheus-operator/
• 监控Etcd: https://www.qikqiak.com/post/prometheus-operator-monitor-etcd/
• 第一步建立一个 ServiceMonitor 对象，用于 Prometheus 添加监控项
• 第二步为 ServiceMonitor 对象关联 metrics 数据接口的一个 Service 对象
• 第三步确保 Service 对象可以正确获取到 metrics 数据

创建secrets资源

#查看etcd引用的证书文件
$ cat /usr/lib/systemd/system/etcd.service 
[Unit]
Description=Etcd Server
After=network.target
After=network-online.target
Wants=network-online.target
Documentation=https://github.com/coreos
[Service]
Type=notify
WorkingDirectory=/var/lib/etcd/
EnvironmentFile=-/etc/etcd/etcd.conf
ExecStart=/usr/local/bin/etcd \
--name=11.0.64.5 \
--cert-file=/etc/kubernetes/ssl/kubernetes.pem \
--key-file=/etc/kubernetes/ssl/kubernetes-key.pem \
--peer-cert-file=/etc/kubernetes/ssl/kubernetes.pem \
--peer-key-file=/etc/kubernetes/ssl/kubernetes-key.pem \
--trusted-ca-file=/etc/kubernetes/ssl/k8s-root-ca.pem \
--peer-trusted-ca-file=/etc/kubernetes/ssl/k8s-root-ca.pem \
--initial-advertise-peer-urls=https://11.0.64.5:2380 \
--listen-peer-urls=https://11.0.64.5:2380 \
--listen-client-urls=https://11.0.64.5:2379 \
--advertise-client-urls=https://11.0.64.5:2379 \
--initial-cluster-token=etcd-cluster-0 \
--initial-cluster=11.0.64.5=https://11.0.64.5:2380,11.0.64.6=https://11.0.64.6:2380,11.0.64.7=https://11.0.64.7:2380 \
--initial-cluster-state=new \
--data-dir=/var/lib/etcd
Restart=on-failure
RestartSec=5
LimitNOFILE=65536
[Install]
WantedBy=multi-user.target
#创建secret资源
$ kubectl -n monitoring create secret generic etcd-certs --from-file=/etc/kubernetes/ssl/kubernetes.pem --from-file=/etc/kubernetes/ssl/kubernetes-key.pem --from-file=/etc/kubernetes/ssl/k8s-root-ca.pem

apply Prometheus配置文件

#添加如下的 secrets 属性：
$ vim prometheus-prometheus.yaml 
  replicas: 2
  secrets:
    - etcd-certs

$ kubectl apply -f prometheus-prometheus.yaml
#等到pod重启后,进入pod查看是否可以看到证书
$ kubectl exec -it -n monitoring prometheus-k8s-0 -- /bin/sh
/prometheus $ ls -l /etc/prometheus/secrets/etcd-certs/
total 0
lrwxrwxrwx    1 root     root            22 Oct 24 07:20 k8s-root-ca.pem -> ..data/k8s-root-ca.pem
lrwxrwxrwx    1 root     root            25 Oct 24 07:20 kubernetes-key.pem -> ..data/kubernetes-key.pem
lrwxrwxrwx    1 root     root            21 Oct 24 07:20 kubernetes.pem -> ..data/kubernetes.pem

创建 ServiceMonitor

$ vim prometheus-serviceMonitorEtcd.yaml
apiVersion: monitoring.coreos.com/v1
kind: ServiceMonitor
metadata:
  name: etcd-k8s
  namespace: monitoring
  labels:
    k8s-app: etcd-k8s
spec:
  jobLabel: k8s-app
  endpoints:
  - port: port
    interval: 30s
    scheme: https
    tlsConfig:
      caFile: /etc/prometheus/secrets/etcd-certs/k8s-root-ca.pem
      certFile: /etc/prometheus/secrets/etcd-certs/kubernetes.pem
      keyFile: /etc/prometheus/secrets/etcd-certs/kubernetes-key.pem
      insecureSkipVerify: true
  selector:
    matchLabels:
      k8s-app: etcd
  namespaceSelector:
    matchNames:
    - kube-system

$ kubectl apply -f prometheus-serviceMonitorEtcd.yaml    

上面我们在 monitoring 命名空间下面创建了名为 etcd-k8s 的 ServiceMonitor 对象，基本属性和前面章节中的一致，匹配 kube-system 这个命名空间下面的具有 k8s-app=etcd 这个 label 标签的 Service，jobLabel 表示用于检索 job 任务名称的标签，和前面不太一样的地方是 endpoints 属性的写法，配置上访问 etcd 的相关证书，endpoints 属性下面可以配置很多抓取的参数，比如 relabel、proxyUrl，tlsConfig 表示用于配置抓取监控数据端点的 tls 认证，由于证书 serverName 和 etcd 中签发的可能不匹配，所以加上了 insecureSkipVerify=true

创建 Service

$ vim prometheus-etcdService.yaml
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: etcd-k8s
  namespace: kube-system
  labels:
    k8s-app: etcd
spec:
  type: ClusterIP
  clusterIP: None
  ports:
  - name: port
    port: 2379
    protocol: TCP

---
apiVersion: v1
kind: Endpoints
metadata:
  name: etcd-k8s
  namespace: kube-system
  labels:
    k8s-app: etcd
subsets:
- addresses:
  - ip: 11.0.64.5
  - ip: 11.0.64.6
  - ip: 11.0.64.7    
  ports:
  - name: port
    port: 2379
    protocol: TCP

$ kubectl apply -f prometheus-etcdService.yaml

Prometheus 的 Dashboard 中查看 targets，便会有 etcd 的监控项

image

image

数据采集到后，可以在 grafana 中导入编号为3070的 dashboard，获取到 etcd 的监控图表。

image

Etcd监控指标

参考: https://github.com/coreos/etcd/blob/master/Documentation/metrics.md

领导者相关

• etcd_server_has_leader etcd是否有leader
• etcd_server_leader_changes_seen_total etcd的leader变换次数
• etcd_debugging_mvcc_db_total_size_in_bytes 数据库的大小
• process_resident_memory_bytes 进程驻留内存

网络相关

• grpc_server_started_total grpc(高性能、开源的通用RPC(远程过程调用)框架)服务器启动总数
• etcd_network_client_grpc_received_bytes_total 接收到grpc客户端的字节总数
• etcd_network_client_grpc_sent_bytes_total 发送给grpc客户端的字节总数
• etcd_network_peer_received_bytes_total etcd网络对等方接收的字节总数(对等网络，即对等计算机网络，是一种在对等者（Peer）之间分配任务和工作负载的分布式应用架构，是对等计算模型在应用层形成的一种组网或网络形式)
• etcd_network_peer_sent_bytes_total etcd网络对等方发送的字节总数

提案相关

• etcd_server_proposals_failed_total 目前正在处理的提案(提交会议讨论决定的建议。)数量
• etcd_server_proposals_pending 失败提案总数
• etcd_server_proposals_committed_total 已落实共识提案的总数。
• etcd_server_proposals_applied_total 已应用的共识提案总数。

这些指标描述了磁盘操作的状态。

• etcd_disk_backend_commit_duration_seconds_sum etcd磁盘后端提交持续时间秒数总和
• etcd_disk_backend_commit_duration_seconds_bucket etcd磁盘后端提交持续时间

快照

• etcd_debugging_snap_save_total_duration_seconds_sum etcd快照保存用时

文件

• process_open_fds{service=“etcd-k8s”} 打开文件描述符的数量
• process_max_fds{service=“etcd-k8s”} 打开文件描述符的最大数量
• etcd_disk_wal_fsync_duration_seconds_sum Wal(预写日志系统)调用的fsync(将文件数据同步到硬盘)的延迟分布
  ve_total_duration_seconds_sum etcd快照保存用时

文件

• process_open_fds{service=“etcd-k8s”} 打开文件描述符的数量
• process_max_fds{service=“etcd-k8s”} 打开文件描述符的最大数量
• etcd_disk_wal_fsync_duration_seconds_sum Wal(预写日志系统)调用的fsync(将文件数据同步到硬盘)的延迟分布
• etcd_disk_wal_fsync_duration_seconds_bucket 后端调用的提交的延迟分布