Prometheus监控运维实战十五：监控Kubernetes

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运维老兵Alex 2021-11-05 12:42:37 博主文章分类：Prometheus ©著作权

文章标签 云原生监控 kubernetes prometehus devops 文章分类 Docker 云计算

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Prometheus监控运维实战十五：监控Kubernetes
https://blog.51cto.com/u_14065119/4542524

Kuberentes是一款开源容器编排产品，由Google开发并发布到社区，并在 2015 年将该项目捐献给了云原生基金会（Cloud Native Computing Foundation）。从2014年第一个版本发布以来，Kubernetes便迅速获得开源社区的追捧，包括RedHat、VMware在内的很多知名企业都加入到开发和推广的阵营。目前，Kubernets已经成为发展最快、市场占有率最高的容器编排产品。

Promehteus是一款近年来非常火热的容器监控系统，它使用go语言开发，设计思路来源于Google的Borgmom(一个监控容器平台的系统）。2016年，云原生基金会将其纳入麾下，成为该基金会继Kubernetes后，第二大开源项目。因此，Prometheus天然具有对容器的适配性，可非常方便的满足容器的监控需求，目前已成为监控Kubernetes的主要工具。

本文将介绍如何通过Prometheus监控Kubernetes集群状态的方案。（对于Kubernetes的技术细节本文不做讲解，不熟悉的朋友可先自行查看相关资料。）

Prometheus监控运维实战十五：监控Kubernetes_监控

一.安装Prometheus

Prometheus通过自动发现的方式获取Kubernetes集群的资源信息，因此，需要在监控集群上安装Prometheus来实现。本文通过YAML文件的方式部署Prometheus。

1. 创建命名空间

创建namespace.yml文件，内容如下

apiVersion: v1
kind: Namespace
metadata:
  name: monitoring

执行该yml文件

$ kubectl  apply -f namespace.yml 
namespace/monitoring created

查看命名空间，已成功创建。

$ kubectl  get ns monitoring
NAME         STATUS   AGE
monitoring   Active   2m53s

2. 创建RBAC规则

RBAC为Kubernetes的授权认证方式，包括 ServiceAccount、ClusterRole、ClusterRoleBinding三类YAML文件。该规则用于授权Prometheus获取资源信息。

创建prometheus-rbac.yml文件，内容如下：

apiVersion: v1
kind: ServiceAccount
metadata:
  name: prometheus
  namespace: monitoring
    
---
apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1
kind: ClusterRole
metadata:
  name: prometheus
rules:
- apiGroups: [""]
  resources: ["nodes", "nodes/proxy", "services", "endpoints", "pods"]
  verbs: ["get", "list", "watch"]
- apiGroups: [""]
  resources: ["configmaps"]
  verbs: ["get"]
- nonResourceURLs: ["/metrics"]
  verbs: ["get"]

---
apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1
kind: ClusterRoleBinding
metadata:
  name: prometheus
roleRef:
  apiGroup: rbac.authorization.k8s.io
  kind: ClusterRole
  name: prometheus
subjects:
- kind: ServiceAccount
  name: prometheus
  namespace: monitoring

执行该yml文件

$ kubectl  apply -f prometheus-rbac.yml 
serviceaccount/prometheus created
clusterrole.rbac.authorization.k8s.io/prometheus created
clusterrolebinding.rbac.authorization.k8s.io/prometheus created

查看RBAC是否创建成功

$ kubectl  get sa prometheus -n monitoring
NAME         SECRETS   AGE
prometheus   1         77s

$ kubectl get ClusterRole prometheus 
NAME         CREATED AT
prometheus   2021-10-24T04:30:33Z

$ kubectl get ClusterRoleBinding prometheus -n monitoring
NAME         ROLE                     AGE
prometheus   ClusterRole/prometheus   2m20s

3. 创建Configmap

我们使用Configmap来管理Prometheus的配置文件，此处先使用默认的配置，用于启动Prometheus，后面再根据需要进行修改。

创建prometheus-config.yml文件，内容如下

apiVersion: v1
kind: ConfigMap
metadata:
  name: prometheus-config
  namespace: monitoring
data:
  prometheus.yml: |
    global:
      scrape_interval:     15s 
      evaluation_interval: 15s
    scrape_configs:
      - job_name: 'prometheus'
        static_configs:
        - targets: ['localhost:9090']

执行该yml文件

$ kubectl  apply -f prometheus-config.yml 
configmap/prometheus-config created

查看configmap资源是否生成

$ kubectl get configmap prometheus-config -n monitoring    
NAME                DATA   AGE
prometheus-config   1      84s

4. 部署Deployment

在完成Configmap资源创建后，我们可以开始部署Prometheus的实例了。此处，我们使用Deployment来部署Prometheus，并通过Volume挂载的方式，将Prometheus的配置文件挂载到Pod中。另外，在正式环境中建议通过PVC的方法，将收集的监控数据挂载到外部存储，避免因Pod被删除而造成数据丢失。

创建prometheus-deployment.yml文件，内容如下

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: prometheus
  namespace: monitoring
  labels:
    app: prometheus
spec:
  strategy:
    type: Recreate
  replicas: 1
  selector:
    matchLabels:
      app: prometheus
  template:
    metadata:
      labels:
        app: prometheus
    spec:
      containers:
      - image: prom/prometheus:v2.20.0
        name: prometheus
        command:
        - "/bin/prometheus"
        args:
        - "--config.file=/etc/prometheus/config/prometheus.yml"
        - "--storage.tsdb.path=/data"
        - "--web.enable-lifecycle"
        securityContext:
          runAsUser: 0
        ports:
        - containerPort: 9090
          protocol: TCP
        volumeMounts:
        - mountPath: "/etc/prometheus/config/"
          name: config
        - name: host-time
          mountPath: /etc/localtime
      serviceAccountName: prometheus
      volumes:
      - name: config
        configMap:
          name: prometheus-config
      - name: host-time
        hostPath:
          path: /etc/localtime

执行该yml文件

$ kubectl  apply -f prometheus-deployment.yml 
deployment.apps/prometheus created

查看Prometheus实例状态

$ kubectl  get deploy -n monitoring
NAME         READY   UP-TO-DATE   AVAILABLE   AGE
prometheus   1/1     1            1           4m53s

$ kubectl  get pod -n monitoring      
NAME                         READY   STATUS    RESTARTS   AGE
prometheus-fcfb4bbd7-4vgl9   1/1     Running   0          69s

5. 创建Service

创建Prometheus的Service，用于集群内外部访问。默认情况下，Service只能在集群内访问，如果希望开放给集群外部，可选方案有Ingress、NodePort、ExternalIPs、LoadBalancer等几种，此处使用LoadBalancer方式。

创建prometheus-service.yml，内容如下：

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  labels:
    app: prometheus
  name: prometheus
  namespace: monitoring
spec:
  ports:
  - name: "web"
    port: 9090
    protocol: TCP
    targetPort: 9090
  selector:
    app: prometheus
  type: LoadBalancer

执行该yml文件

$ kubectl  apply -f prometheus-service.yml 
service/prometheus created

查看Service状态，Service已创建完成，其中Cluster-ip用于集群内部访问，External-ip则是给到集群外部访问。

$ kubectl  get service prometheus -n monitoring  
NAME         TYPE           CLUSTER-IP     EXTERNAL-IP    PORT(S)          AGE
prometheus   LoadBalancer   10.220.57.72   10.12.61.202   9090:31183/TCP   56s

6. 访问Prometheus界面

浏览器打开http://$ip:9090，可看到Prometheus已部署完成。

Prometheus监控运维实战十五：监控Kubernetes_prometehus_02

查看Targets目标，当前除了监控Prometheus自身实例，还未有其他Kubernetes资源。

Prometheus监控运维实战十五：监控Kubernetes_kubernetes_03

二. 基于Kubernetes的服务发现

在监控Kubernetes集群的过程中，我们需要使用到针对Kubernetes的服务发现功能，这个在Prometheus的原生功能中已经支持。kubernetes_sd_config配置允许从Kubernetes的 REST API 检索抓取目标，并始终与集群状态保持同步，这点非常有用。

以下几种类型的资源可被配置为服务发现的目标，对于集群的监控方案有不少，关键是看如何灵活应用这些角色发现的功能和标签。

node

该node 角色发现用于发现集群中的节点目标信息，其地址默认为节点kubelet的HTTP访问端口。目标地址默认类型顺序为NodeInternalIP，NodeExternalIP， NodeLegacyHostIP，和NodeHostName中的第一个现有地址。

可使用的元数据标签如下：

• __meta_kubernetes_node_name：节点对象的名称。

• __meta_kubernetes_node_label_<labelname>：节点对象所定义的各个label

• __meta_kubernetes_node_labelpresent_<labelname>：节点对象所定义的各个label，value固定为true。

• _meta_kubernetes_node_annotation_<annotationname>：来自节点对象的每个注释

• _meta_kubernetes_node_annotationpresent_<annotationname>：来自节点对象的每个注释，value固定为true。

• _meta_kubernetes_node_address_<address_type>：每个节点地址类型的第一个地址（如果存在）

此外，节点的实例标签将被设置为从API服务检索到的节点名称。

service

该Service角色发现用于发现集群中每个服务目标，并且将该服务开放的端口做为目标端口。该地址将设置为服务的Kubernetes DNS名称以及相应的服务端口。

可使用的元数据标签如下：

__meta_kubernetes_namespace: 服务对象的名称空间。
__meta_kubernetes_service_annotation_<annotationname>:服务对象的每个注释。
__meta_kubernetes_service_annotationpresent_<annotationname>: 服务对象的每个注释,value固定为true。
__meta_kubernetes_service_cluster_ip: 服务对象的集群IP。 (不适用于"外部名称"类型的服务）
__meta_kubernetes_service_external_name: 服务的DNS名称。(适用于"外部名称"类型的服务)
__meta_kubernetes_service_label_<labelname>: 服务对象中的每个label。
__meta_kubernetes_service_labelpresent_<labelname>: 服务对象中的每个label，value固定为true。
__meta_kubernetes_service_name: 服务对象的名称。
__meta_kubernetes_service_port_name: 目标服务端口的名称。
__meta_kubernetes_service_port_protocol: 目标服务端口的协议。
__meta_kubernetes_service_type: 服务的类型。

Pod

该pod角色发现用于发现所有Pod并将其容器做为目标访问，对于容器的每个声明的端口，将生成一个目标。如果容器没有指定的端口，则会为每个容器创建无端口目标，以通过标签重写（relabeling）手动添加端口。

可使用的元数据标签如下：

__meta_kubernetes_namespace: pod对象的名称空间。
__meta_kubernetes_pod_name: pod对象的名称。
__meta_kubernetes_pod_ip: pod对象的pod IP。
__meta_kubernetes_pod_label_<labelname>: 来自pod对象的每个标签。
__meta_kubernetes_pod_labelpresent_<labelname>: 来自pod对象的每个标签，value固定为true。
__meta_kubernetes_pod_annotation_<annotationname>: 来自pod对象的每个注释。
__meta_kubernetes_pod_annotationpresent_<annotationname>: 来自pod对象的每个注释，value固定为true。
__meta_kubernetes_pod_container_init: 如果容器是初始化容器，则value为true。
__meta_kubernetes_pod_container_name: 目标地址指向的容器的名称。
__meta_kubernetes_pod_container_port_name: 容器端口的名称。
__meta_kubernetes_pod_container_port_number: 容器端口号。
__meta_kubernetes_pod_container_port_protocol: 容器端口的协议。
__meta_kubernetes_pod_ready: 代表pod状态是否就绪，value为true或false。
__meta_kubernetes_pod_phase: Pod的生命周期，Value值为Pending，Running，Succeeded，Failed或Unknown 。
__meta_kubernetes_pod_node_name: 将Pod调度到的节点的名称。
__meta_kubernetes_pod_host_ip: pod对象的当前主机IP。
__meta_kubernetes_pod_uid: pod对象的UID。
__meta_kubernetes_pod_controller_kind: pod控制器的对象种类。
__meta_kubernetes_pod_controller_name: pod控制器的名称。

endpoints

该endpoints角色发现用于发现服务的endpoints目标，且每个endpoints的port地址会生成一个目标。如果端点由Pod支持，则该Pod的所有其他容器端口（包括未绑定到endpoints的端口）也将作为目标。

可使用的元数据标签如下：

__meta_kubernetes_namespace: endpoints对象的命名空间
__meta_kubernetes_endpoints_name: endpoints对象的名称

对于直接从端点列表中发现的所有目标（不包括由底层pod推断出来的目标），将附加以下标签：

__meta_kubernetes_endpoint_hostname: 端点的主机名
__meta_kubernetes_endpoint_node_name: 托管endpoints的节点名称
__meta_kubernetes_endpoint_ready: 代表endpoint 状态是否就绪，value为true或false。
__meta_kubernetes_endpoint_port_name: endpoint 端口的名称。
__meta_kubernetes_endpoint_port_protocol: endpoint 端口的协议。
__meta_kubernetes_endpoint_address_target_kind: endpo int地址目标的类型，如deployment、DaemonSet等。
__meta_kubernetes_endpoint_address_target_name: endpoint地址目标的名称。

ingress

该ingress角色发现用于发现ingress的每个地址目标。该地址将设置为ingress的spec配置中指定的host。

可使用的元数据标签如下：

__meta_kubernetes_namespace: ingress 对外的命名空间。
__meta_kubernetes_ingress_name: ingress 对象的名称。
__meta_kubernetes_ingress_label_<labelname>: ingress 对象的各个标签。
__meta_kubernetes_ingress_labelpresent_<labelname>: ingress 对象的各个标签，value为true或false。
__meta_kubernetes_ingress_annotation_<annotationname>: ingress 对象的各个注释。
__meta_kubernetes_ingress_annotationpresent_<annotationname>: ingress 对象的各个注释，value为true或false。
__meta_kubernetes_ingress_class_name: ingress的spec配置中的Class名称，如果存在的话。
__meta_kubernetes_ingress_scheme: ingress使用的协议，http或https。
__meta_kubernetes_ingress_path: ingress的spec配置中指定的路径，默认为 /

三.监控kubernetes节点

1. Daemonset部署node-exporter

创建node_exporter-daemonset.yml文件，内容如下。在spec配置中添加了tolerations，用于污点容忍，保证master节点也会部署。

apiVersion: apps/v1
kind: DaemonSet
metadata:
  name: node-exporter
  namespace: monitoring
  labels:
    app: node-exporter
spec:
  selector:
    matchLabels:
      app: node-exporter
  template:
    metadata:
      labels:
        app: node-exporter
    spec:
      tolerations:
      - key: node-role.kubernetes.io/master
        effect: NoSchedule
      containers:
      - image: prom/node-exporter
        name: node-exporter
        ports:
        - name: scrape
          containerPort: 9100
          hostPort: 9100
      hostNetwork: true
      hostPID: true
      securityContext:
        runAsUser: 0

执行该yml文件

$ kubectl  apply -f node_exporter-daemonset.yml 
daemonset.apps/prometheus-node-exporter created

确认Daemonset及Pod状态正常

$ kubectl get daemonset -n monitoring 
NAME            DESIRED   CURRENT   READY   UP-TO-DATE   AVAILABLE   NODE SELECTOR   AGE
node-exporter   3         3         3       3            3           <none>          13m

$ kubectl get pod -n monitoring |grep node-exporter
node-exporter-76qz8          1/1     Running   0          14m
node-exporter-8fqmm          1/1     Running   0          14m
node-exporter-w9jxd          1/1     Running   0          2m6s

2. Prometheus配置任务

在prometheus-config.yml文件中添下如下任务，并执行生效。

- job_name: 'kubernetes-node'
      kubernetes_sd_configs:
      - role: node
      relabel_configs:
      - source_labels: [__address__]
        regex: '(.*):10250'
        replacement: '${1}:9100'
        target_label: __address__
        action: replace
      - action: labelmap
        regex: __meta_kubernetes_node_label_(.+)

注解：该任务通过node角色发现动态获取节点地址信息，并使用标签重写（Relabeling)功能重写targets目标端口为node-expoerter端口，从而实现自动监控集群节点功能。

任务生效后，可看到Prometheus已自动获取到节点信息并监控。

Prometheus监控运维实战十五：监控Kubernetes_kubernetes_04

四. 监控容器资源

Kubernetes各节点的kubelet除包含自身的监控指标信息以外，还内置了对CAdviosr的支持。在前面的容器监控篇章中，我们知道可以通过安装CAdviosr来监控节点上的容器状态。而在Kuberentes集群中，通过Kubelet可实现类似的效果，不需要再额外安装CAdviosr。

Prometheus配置任务

prometheus-config.yml文件中添下如下任务，并执行生效。

- job_name: 'kubernetes-cadvisor'
      scheme: https
      tls_config:
        ca_file: /var/run/secrets/kubernetes.io/serviceaccount/ca.crt
      bearer_token_file: /var/run/secrets/kubernetes.io/serviceaccount/token
      kubernetes_sd_configs:
      - role: node
      relabel_configs:
      - target_label: __address__
        replacement: kubernetes.default.svc:443
      - source_labels: [__meta_kubernetes_node_name]
        regex: (.+)
        target_label: __metrics_path__
        replacement: /api/v1/nodes/${1}/proxy/metrics/cadvisor
      - action: labelmap
        regex: __meta_kubernetes_node_label_(.+)

注解：该任务通过node角色发现动态获取节点地址信息。由于直接访问kubelet地址会有证书验证问题，这里使用标签重写（Relabeling)功能重写targets目标地址和地址，通过API Server提供的代理地址访问kubelet的/metrics/cadvisor。

任务生效后，可看到Prometheus已自动生成相关目标信息。

Prometheus监控运维实战十五：监控Kubernetes_kubernetes_05

五. 监控Kube API Server

Kube API Server做为整个Kubernetes集群管理的入口服务，负责对外暴露Kuberentes API，服务的稳定与否影响着集群的可用性。通过对Kube API Server的监控，我们能够清楚API的请求处理延迟、错误和可用性等参数。

Kube API Server组件一般独立部署集群外部，运行在Master的主机上，为了能够让集群内部的应用能够与API进行交互，Kubernetes会在default的命名空间下创建一个kubernetes的Service，用于集群内部访问。

$ kubectl  get service  kubernetes  -o wide 
NAME         TYPE        CLUSTER-IP   EXTERNAL-IP   PORT(S)   AGE   SELECTOR
kubernetes   ClusterIP   10.220.0.1   <none>        443/TCP   77d   <none>

该kubernetes服务代理的后端实际地址通过endpoints进行维护，该endpoints代理地址指向了master节点的6443端口，也即是Master上运行的Kube API Server服务端口。

$ kubectl get endpoints kubernetes
NAME         ENDPOINTS         AGE
kubernetes   10.12.61.1:6443   77d

$ netstat -lnpt  |grep 6443
tcp6       0      0 :::6443                 :::*                    LISTEN      30458/kube-apiserve

因此，我们可通过Prometheus的endpoints角色发现功能，来实现Kube API Server的目标发现并监控。

Prometheus配置任务

prometheus-config.yml文件中添下如下任务，并执行生效。

- 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
      - target_label: __address__
        replacement: kubernetes.default.svc:443

注解：该任务通过endpoints角色发现动态获取endpoints信息，并使用标签重写（Relabeling)功能只保留符合正则表达式匹配的endpoints目标。

任务生效后，查看Prometheus已自动生成相关目标信息。

Prometheus监控运维实战十五：监控Kubernetes_kubernetes_06

六. 监控Kubelet组件

Kubelet组件运行在集群中每个worker节点上，用于处理Master下发到本节点的任务，包括管理Pod和其中的容器。Kubelet会在Kube API Server上注册节点信息，并定期向集群汇报节点资源使用情况。Kubelet的运行状态关乎着该节点的是否可以正常工作，基于该组件的重要性，我们有必要对各个节点的kubelet进行监控。

Prometheus配置任务

prometheus-config.yml文件中添下如下任务，并执行生效。

- job_name: 'k8s-kubelet'
      scheme: https
      tls_config:
        ca_file: /var/run/secrets/kubernetes.io/serviceaccount/ca.crt
      bearer_token_file: /var/run/secrets/kubernetes.io/serviceaccount/token
      kubernetes_sd_configs:
      - role: node
      relabel_configs:
      - action: labelmap
        regex: __meta_kubernetes_node_label_(.+)
      - target_label: __address__
        replacement: kubernetes.default.svc:443
      - source_labels: [__meta_kubernetes_node_name]
        regex: (.+)
        target_label: __metrics_path__
        replacement: /api/v1/nodes/${1}/proxy/metrics

注解：该任务通过node角色发现动态获取节点地址信息。由于直接访问kubelet地址会有证书验证问题，这里使用标签重写（Relabeling)功能重写targets目标地址和地址，通过API Server提供的代理地址访问kubelet的/metrics路径。

任务生效后，查看Prometheus已自动生成相关目标信息。

Prometheus监控运维实战十五：监控Kubernetes_kubernetes_07

七. 监控Kubernetes资源

Kubernetes资源对象包括Pod、Deployment、StatefulSets等，我们需要知道相关资源的使用情况和状态，如Pod是否正常运行。由于并不是所有资源都支持Prometheus的监控，因此，我们需要使用开源的kube-state-metrics方案来完成获取监控指标。 kube-state-metrics是Kubernetes组织下的一个项目，它通过监听Kube API收集相关资源和对象的最新信息，并提供接口地址给到Prometheus获取指标。

1. 部署kube-state-metrics

kube-state-metrics对Kubernetes有版本要求，如下图。我们环境的Kubernetes为1.18，所以需要下载V2.0.0及以上版本。

Prometheus监控运维实战十五：监控Kubernetes_云原生_08

下载项目仓库

$ git clone https://github.com/kubernetes/kube-state-metrics.git

部署安装

$ cd kube-state-metrics/

$ kubectl  apply -f examples/standard/
clusterrolebinding.rbac.authorization.k8s.io/kube-state-metrics created
clusterrole.rbac.authorization.k8s.io/kube-state-metrics created
deployment.apps/kube-state-metrics created
serviceaccount/kube-state-metrics created
service/kube-state-metrics created

查看服务状态

$ kubectl  get deploy kube-state-metrics -n kube-system
NAME                 READY   UP-TO-DATE   AVAILABLE   AGE
kube-state-metrics   1/1     1            1           6m20s

2. Prometheus配置任务

prometheus-config.yml文件中添下如下任务，并执行生效。

- job_name: kube-state-metrics
      kubernetes_sd_configs:
      - role: endpoints
      relabel_configs:
      - source_labels: [__meta_kubernetes_service_label_app_kubernetes_io_name]
        regex: kube-state-metrics
        replacement: $1
        action: keep
      - source_labels: [__address__]
        regex: '(.*):8080'
        action: keep