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Prometheus Operator 初体验
dlgdwuxy
发布于 2022-5-3 09:41
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作者 阳明
来源 | k8s技术圈（ID：kube100）
前面的课程中我们学习了用自定义的方式来对 Kubernetes 集群进行监控，但是还是有一些缺陷，比如 Prometheus、AlertManager 这些组件服务本身的高可用，当然我们也完全可以用自定义的方式来实现这些需求，我们也知道 Promethues 在代码上就已经对 Kubernetes 有了原生的支持，可以通过服务发现的形式来自动监控集群，因此我们可以使用另外一种更加高级的方式来部署 Prometheus： Operator 框架。
Operator
Operator是由CoreOS公司开发的，用来扩展 Kubernetes API，特定的应用程序控制器，它用来创建、配置和管理复杂的有状态应用，如数据库、缓存和监控系统。 Operator基于 Kubernetes 的资源和控制器概念之上构建，但同时又包含了应用程序特定的一些专业知识，比如创建一个数据库的 Operator，则必须对创建的数据库的各种运维方式非常了解，创建 Operator的关键是 CRD（自定义资源）的设计。
CRD是对 Kubernetes API 的扩展，Kubernetes 中的每个资源都是一个 API 对象的集合，例如我们在YAML文件里定义的那些 spec都是对 Kubernetes 中的资源对象的定义，所有的自定义资源可以跟 Kubernetes 中内建的资源一样使用 kubectl 操作。
Operator是将运维人员对软件操作的知识给代码化，同时利用 Kubernetes 强大的抽象来管理大规模的软件应用。目前 CoreOS官方提供了几种 Operator的实现，其中就包括我们今天的主角： PrometheusOperator， Operator的核心实现就是基于 Kubernetes 的以下两个概念：
- 资源：对象的状态定义
- 控制器：观测、分析和行动，以调节资源的分布
当然我们如果有对应的需求也完全可以自己去实现一个 Operator，接下来我们就来给大家详细介绍下 Prometheus-Operator的使用方法。
介绍
首先我们先来了解下 Prometheus-Operator的架构图：
上图是 Prometheus-Operator官方提供的架构图，其中 Operator是最核心的部分，作为一个控制器，他会去创建 Prometheus、 ServiceMonitor、 AlertManager以及 PrometheusRule4个 CRD资源对象，然后会一直监控并维持这4个资源对象的状态。
其中创建的 prometheus这种资源对象就是作为 PrometheusServer存在，而 ServiceMonitor就是 exporter的各种抽象， exporter前面我们已经学习了，是用来提供专门提供 metrics数据接口的工具， Prometheus就是通过 ServiceMonitor提供的 metrics数据接口去 pull 数据的，当然 alertmanager这种资源对象就是对应的 AlertManager的抽象，而 PrometheusRule是用来被 Prometheus实例使用的报警规则文件。
这样我们要在集群中监控什么数据，就变成了直接去操作 Kubernetes 集群的资源对象了，是不是方便很多了。上图中的 Service 和 ServiceMonitor 都是 Kubernetes 的资源，一个 ServiceMonitor 可以通过 labelSelector 的方式去匹配一类 Service，Prometheus 也可以通过 labelSelector 去匹配多个ServiceMonitor。
安装
我们这里直接通过 Prometheus-Operator 的源码来进行安装，当然也可以用 Helm 来进行一键安装，我们采用源码安装可以去了解更多的实现细节。首页将源码 Clone 下来：
$ git clone https://github.com/coreos/prometheus-operator
$ cd contrib/kube-prometheus/manifests/
$ ls
00namespace-namespace.yaml node-exporter-clusterRole.yaml
0prometheus-operator-0alertmanagerCustomResourceDefinition.yaml node-exporter-daemonset.yaml
......
进入到 manifests 目录下面，这个目录下面包含我们所有的资源清单文件，我们需要对其中的文件 prometheus-serviceMonitorKubelet.yaml 进行简单的修改，因为默认情况下，这个 ServiceMonitor 是关联的 kubelet 的10250端口去采集的节点数据，而我们前面说过为了安全，这个 metrics 数据已经迁移到10255这个只读端口上面去了，我们只需要将文件中的 https-metrics更改成 http-metrics即可，这个在 Prometheus-Operator 对节点端点同步的代码中有相关定义，感兴趣的可以点此查看完整代码：
Subsets: []v1.EndpointSubset{
{
Ports: []v1.EndpointPort{
{
Name: "https-metrics",
Port: 10250,
},
{
Name: "http-metrics",
Port: 10255,
},
{
Name: "cadvisor",
Port: 4194,
},
},
},
},
修改完成后，直接在该文件夹下面执行创建资源命令即可：
$ kubectl apply -f .
部署完成后，会创建一个名为 monitoring的 namespace，所以资源对象对将部署在改命名空间下面，此外 Operator 会自动创建4个 CRD 资源对象：
$ kubectl get crd |grep coreos
alertmanagers.monitoring.coreos.com 5d
prometheuses.monitoring.coreos.com 5d
prometheusrules.monitoring.coreos.com 5d
servicemonitors.monitoring.coreos.com 5d
可以在 monitoring 命名空间下面查看所有的 Pod，其中 alertmanager 和 prometheus 是用 StatefulSet 控制器管理的，其中还有一个比较核心的 prometheus-operator 的 Pod，用来控制其他资源对象和监听对象变化的：
$ kubectl get pods -n monitoring
NAME READY STATUS RESTARTS AGE
alertmanager-main-0 2/2 Running 0 21h
alertmanager-main-1 2/2 Running 0 21h
alertmanager-main-2 2/2 Running 0 21h
grafana-df9bfd765-f4dvw 1/1 Running 0 22h
kube-state-metrics-77c9658489-ntj66 4/4 Running 0 20h
node-exporter-4sr7f 2/2 Running 0 21h
node-exporter-9mh2r 2/2 Running 0 21h
node-exporter-m2gkp 2/2 Running 0 21h
prometheus-adapter-dc548cc6-r6lhb 1/1 Running 0 22h
prometheus-k8s-0 3/3 Running 1 21h
prometheus-k8s-1 3/3 Running 1 21h
prometheus-operator-bdf79ff67-9dc48 1/1 Running 0 21h
查看创建的 Service:
$ kubectl get svc -n monitoring
NAME TYPE CLUSTER-IP EXTERNAL-IP PORT(S) AGE
alertmanager-main ClusterIP 10.110.204.224 <none> 9093/TCP 23h
alertmanager-operated ClusterIP None <none> 9093/TCP,6783/TCP 23h
grafana ClusterIP 10.98.191.31 <none> 3000/TCP 23h
kube-state-metrics ClusterIP None <none> 8443/TCP,9443/TCP 23h
node-exporter ClusterIP None <none> 9100/TCP 23h
prometheus-adapter ClusterIP 10.107.201.172 <none> 443/TCP 23h
prometheus-k8s ClusterIP 10.107.105.53 <none> 9090/TCP 23h
prometheus-operated ClusterIP None <none> 9090/TCP 23h
prometheus-operator ClusterIP None <none> 8080/TCP 23h
可以看到上面针对 grafana 和 prometheus 都创建了一个类型为 ClusterIP 的 Service，当然如果我们想要在外网访问这两个服务的话可以通过创建对应的 Ingress 对象或者使用 NodePort 类型的 Service，我们这里为了简单，直接使用 NodePort 类型的服务即可，编辑 grafana 和 prometheus-k8s 这两个 Service，将服务类型更改为
NodePort:
$ kubectl edit svc grafana -n monitoring
$ kubectl edit svc prometheus-k8s -n monitoring
$ kubectl get svc -n monitoring
NAME TYPE CLUSTER-IP EXTERNAL-IP PORT(S) AGE
grafana NodePort 10.98.191.31 <none> 3000:32333/TCP 23h
prometheus-k8s NodePort 10.107.105.53 <none> 9090:30166/TCP 23h
......更改完成后，我们就可以通过去访问上面的两个服务了，比如查看 prometheus 的 targets 页面：
配置
我们可以看到大部分的配置都是正常的，只有两三个没有管理到对应的监控目标，比如 kube-controller-manager 和 kube-scheduler 这两个系统组件，这就和 ServiceMonitor 的定义有关系了，我们先来查看下 kube-scheduler 组件对应的 ServiceMonitor 资源的定义：(prometheus-serviceMonitorKubeScheduler.yaml)
apiVersion: monitoring.coreos.com/v1
kind: ServiceMonitor
metadata:
labels:
k8s-app: kube-scheduler
name: kube-scheduler
namespace: monitoring
spec:
endpoints:
- interval: 30s # 每30s获取一次信息
port: http-metrics # 对应service的端口名
jobLabel: k8s-app
namespaceSelector: # 表示去匹配某一命名空间中的service，如果想从所有的namespace中匹配用any: true
matchNames:
- kube-system
selector: # 匹配的 Service 的labels，如果使用mathLabels，则下面的所有标签都匹配时才会匹配该service，如果使用matchExpressions，则至少匹配一个标签的service都会被选择
matchLabels:
k8s-app: kube-scheduler
上面是一个典型的 ServiceMonitor 资源文件的声明方式，上面我们通过 selector.matchLabels在 kube-system 这个命名空间下面匹配具有 k8s-app=kube-scheduler这样的 Service，但是我们系统中根本就没有对应的 Service，所以我们需要手动创建一个 Service：（prometheus-kubeSchedulerService.yaml）
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
namespace: kube-system
name: kube-scheduler
labels:
k8s-app: kube-scheduler
spec:
selector:
component: kube-scheduler
ports:
- name: http-metrics
port: 10251
targetPort: 10251
protocol: TCP
10251是 kube-scheduler组件 metrics 数据所在的端口，10252是 kube-controller-manager组件的监控数据所在端口。
其中最重要的是上面 labels 和 selector 部分，labels 区域的配置必须和我们上面的 ServiceMonitor 对象中的 selector 保持一致， selector下面配置的是 component=kube-scheduler，为什么会是这个 label 标签呢，我们可以去 describe 下 kube-scheduelr 这个 Pod：
$ kubectl describe pod kube-scheduler-master -n kube-system
Name: kube-scheduler-master
Namespace: kube-system
Node: master/10.151.30.57
Start Time: Sun, 05 Aug 2018 18:13:32 +0800
Labels: component=kube-scheduler
tier=control-plane
......
我们可以看到这个 Pod 具有 component=kube-scheduler和 tier=control-plane这两个标签，而前面这个标签具有更唯一的特性，所以使用前面这个标签较好，这样上面创建的 Service 就可以和我们的 Pod 进行关联了，直接创建即可：
$ kubectl create -f prometheus-kubeSchedulerService.yaml
$ kubectl get svc -n kube-system -l k8s-app=kube-scheduler
NAME TYPE CLUSTER-IP EXTERNAL-IP PORT(S) AGE
kube-scheduler ClusterIP 10.102.119.231 <none> 10251/TCP 18m
创建完成后，隔一小会儿后去 prometheus 查看 targets 下面 kube-scheduler 的状态：
我们可以看到现在已经发现了 target，但是抓取数据结果出错了，这个错误是因为我们集群是使用 kubeadm 搭建的，其中 kube-scheduler 默认是绑定在 127.0.0.1上面的，而上面我们这个地方是想通过节点的 IP 去访问，所以访问被拒绝了，我们只要把 kube-scheduler 绑定的地址更改成 0.0.0.0即可满足要求，由于 kube-scheduler 是以静态 Pod 的形式运行在集群中的，所以我们只需要更改静态 Pod 目录下面对应的 YAML 文件即可：
$ ls /etc/kubernetes/manifests/
etcd.yaml kube-apiserver.yaml kube-controller-manager.yaml kube-scheduler.yaml
将 kube-scheduler.yaml 文件中 -command的 --address地址更改成 0.0.0.0：
containers:
- command:
- kube-scheduler
- --leader-elect=true
- --kubeconfig=/etc/kubernetes/scheduler.conf
- --address=0.0.0.0
修改完成后我们将该文件从当前文件夹中移除，隔一会儿再移回该目录，就可以自动更新了，然后再去看 prometheus 中 kube-scheduler 这个 target 是否已经正常了：
大家可以按照上面的方法尝试去修复下 kube-controller-manager 组件的监控。
上面的监控数据配置完成后，现在我们可以去查看下 grafana 下面的 dashboard，同样使用上面的 NodePort 访问即可，第一次登录使用 admin:admin 登录即可，进入首页后，可以发现已经和我们的 Prometheus 数据源关联上了，正常来说可以看到一些监控图表了：
下节课我们再来和大家介绍怎样来完全自定义一个 ServiceMonitor 以及 AlertManager 相关的配置。
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