Prometheus on k8s 部署与实战操作进阶篇-51CTO.COM

一、概述

Prometheus是一种开源的监控和警报工具，用于收集和记录应用程序和系统的度量数据。它特别适用于在Kubernetes集群中监控容器化应用程序。Kubernetes集群中通常与Prometheus一起使用的组件是Prometheus Operator和Grafana。

以下是在Kubernetes中使用Prometheus的主要步骤：

安装Prometheus Operator：Prometheus Operator是一种Kubernetes控制器，用于简化Prometheus的部署和管理。您可以通过在Kubernetes中部署Prometheus Operator来自动设置和管理Prometheus实例。

配置Prometheus实例：Prometheus Operator将通过Kubernetes的自定义资源定义（CRD）创建和管理Prometheus实例。您可以使用PrometheusRule CRD定义监控规则，并使用ServiceMonitor CRD定义需要监控的目标（例如Kubernetes服务）。

配置和导入Dashboard：Grafana通常与Prometheus一起使用，用于可视化监控指标。您可以在Grafana中导入Prometheus的预定义仪表板或自定义仪表板来查看和分析度量数据。

监控应用程序和系统：Prometheus通过HTTP端点从目标应用程序和系统中拉取度量数据。您可以在应用程序中暴露Prometheus格式的度量数据，并在ServiceMonitor中定义用于监控的目标。

警报配置：Prometheus还支持配置警报规则，以便在达到特定阈值或条件时触发警报。警报规则可以定义为PrometheusRule CRD。

请注意，Prometheus和Prometheus Operator的配置和使用在实际环境中可能会因版本和具体的Kubernetes发行版而有所不同。为了获得更详细和准确的指导，请查阅官方文档和适用于您特定环境的教程。

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二、常见的几款监控工具

以下这些工具可以用于在 Kubernetes 集群中实现监控和指标收集，以便于监视集群中的各种资源和应用的性能。

Heapster：Heapster 是一个 Kubernetes 集群的资源监控工具，用于收集和汇总资源使用情况数据，如 CPU、内存、网络等。
Metrics Server：Metrics Server 是 Kubernetes 官方提供的一个轻量级指标收集器，用于提供节点和 Pod 等资源的实时性能指标，可以用于水平自动扩展等。
Prometheus Operator：Prometheus Operator 是一个 Kubernetes 控制器，用于管理和部署 Prometheus 和相关的监控组件。它可以自动创建和管理 Prometheus 实例、ServiceMonitor 和其他配置。
kube-prometheus 或 kube-prometheus-stack：这是一个基于 Prometheus 的 Kubernetes 集群监控解决方案。它包含了一系列组件，用于部署和管理 Prometheus、Alertmanager、Grafana 等，以实现对 Kubernetes 集群和应用的全面监控。

heapster-》metrics-server-》prometheus-operator -》kube-prometheus-》kube-prometheus-stack

prometheus-operator GitHub地址：https://github.com/prometheus-operator/prometheus-operator
kube-prometheus GitHub地址：https://github.com/prometheus-operator/kube-prometheus
kube-prometheus-stack GitHub地址：https://github.com/prometheus-community/helm-charts/tree/main/charts/kube-prometheus-stack

这些工具的组合可以帮助您搭建一个完整的监控系统，用于监视 Kubernetes 集群中的资源利用率、应用的性能、服务的可用性等指标。请注意，随着时间的推移，Kubernetes 社区的工具和技术也可能会有变化和演进，因此在使用这些工具时，建议查阅相关文档以获得最新信息和最佳实践。

1）kube-prometheus 和 kube-prometheus-stack 区别

"kube-prometheus" 和 "kube-prometheus-stack" 本质上是同一个项目，只是在不同的时间和版本中使用了不同的名称。"kube-prometheus-stack" 是 "kube-prometheus" 项目的更新版本，它提供了更多的功能、改进和修复。

最初，项目被称为 "kube-prometheus"，但随着时间的推移，项目团队对项目进行了大量的改进和扩展，并将其重命名为 "kube-prometheus-stack"，以更好地反映其提供的综合性监控解决方案。
"kube-prometheus-stack"（或简称 "kube-prometheus"）是一个在 Kubernetes 集群中部署和管理 Prometheus 监控系统以及相关组件的综合解决方案。它集成了 Prometheus、Grafana、Alertmanager 等一系列组件，还包括预配置的监控规则和仪表盘，以及一键部署功能。用户可以通过部署 "kube-prometheus-stack" 来快速启动一个全面的 Kubernetes 集群监控系统，无需逐个配置各个组件。

总结起来，"kube-prometheus-stack" 是 "kube-prometheus" 项目的更新版本，提供更多的功能和改进，是一个便捷的综合性监控解决方案，适合在 Kubernetes 环境中快速部署和使用。

2）Prometheus Operator 和kube-prometheus 或 kube-prometheus-stack对比

"Prometheus Operator" 和 "kube-prometheus"（或 "kube-prometheus-stack"）都是用于在 Kubernetes 集群中部署和管理 Prometheus 监控系统的工具。它们有一些相似之处，但也存在一些区别。以下是它们的主要特点和区别的对比：

Prometheus Operator：

核心功能：Prometheus Operator 是一个 Kubernetes 控制器，专门用于管理 Prometheus 和相关组件的配置和部署。它自动创建和管理 Prometheus 实例、ServiceMonitor、Alertmanager、PrometheusRule 等 Kubernetes 资源。
声明式配置：Prometheus Operator 通过自定义资源定义（Custom Resource Definitions，CRDs）来实现声明式配置。您可以创建 Prometheus、ServiceMonitor 等资源对象来定义监控配置，Operator 会根据这些定义自动创建和维护相关的资源。
自动发现：Prometheus Operator 支持自动发现 Kubernetes 中的 Service、Pod、Namespace 等资源，无需手动配置每个监控目标。
生态系统整合：Prometheus Operator 集成了 Grafana 和 Alertmanager，并可以轻松与其他监控工具集成。
灵活性：Prometheus Operator 允许根据不同的需求和配置选择性地部署多个 Prometheus 实例，每个实例可以针对特定的监控任务进行配置。

kube-prometheus 或 kube-prometheus-stack：

综合解决方案：kube-prometheus（或 kube-prometheus-stack）是一个完整的监控解决方案，集成了 Prometheus、Grafana、Alertmanager 等一系列组件，以及一些预配置的监控规则和仪表盘。
快速启动：kube-prometheus 提供了一键式的部署方式，适合快速启动一个完整的监控系统，无需逐个配置各个组件。
预配置规则和仪表盘：kube-prometheus 提供了一些默认的监控规则和 Grafana 仪表盘，可以快速启用监控功能。
集成和扩展：由于 kube-prometheus 集成了多个组件，您可以使用这个解决方案来快速部署一个全面的监控系统，并且可以根据需要进行定制和扩展。

综合来看，Prometheus Operator 专注于 Prometheus 和相关资源的管理和自动化配置，而 kube-prometheus 或 kube-prometheus-stack 则是一个更加综合的解决方案，适合快速启动一个完整的监控系统，尤其对于刚开始使用 Prometheus 的用户来说，可以减少配置的复杂性。您可以根据实际需求和情况选择合适的工具。

三、Prometheus Operator 架构

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Prometheus Operator 是一个用于在 Kubernetes 集群中自动化部署和管理 Prometheus 监控系统的控制器。它采用了声明式配置的方式，通过 Kubernetes 自定义资源定义（Custom Resource Definitions，CRDs）来定义和管理 Prometheus、ServiceMonitor、Alertmanager、PrometheusRule 等资源对象。以下是 Prometheus Operator 的架构说明：

Prometheus Operator 控制器：Prometheus Operator 控制器是一个运行在 Kubernetes 集群中的控制器，负责监听 Prometheus 相关的自定义资源变化，根据变化自动执行相应的操作。
Prometheus CRD：Prometheus Operator 引入了自定义资源定义（CRD） Prometheus，用于定义 Prometheus 实例的配置。在 Prometheus CRD 中，您可以定义监控的规则、数据存储、数据保留策略等。
ServiceMonitor CRD：ServiceMonitor 是另一个自定义资源，用于定义要监控的应用程序。每个 ServiceMonitor 都关联到一个或多个 Kubernetes 的 Service，Prometheus Operator 将自动发现这些关联的服务，并生成适当的监控配置。
Alertmanager CRD：类似于 Prometheus 和 ServiceMonitor，Prometheus Operator 还支持 Alertmanager 自定义资源，用于定义 Alertmanager 实例的配置。
PrometheusRule CRD：PrometheusRule 自定义资源用于定义 Prometheus 的告警规则。通过这些规则，您可以指定应该在 Prometheus 中生成哪些告警。
自动发现和配置生成：Prometheus Operator 根据定义的 ServiceMonitor 和 PrometheusRule 自动发现和生成相应的监控配置。它会监听 Kubernetes 中的变化，如服务的创建、删除或标签的变更，以及规则的更新，然后自动更新 Prometheus 的配置文件。
Prometheus 部署：Prometheus Operator 会基于 Prometheus 自定义资源的定义，在 Kubernetes 集群中部署 Prometheus 实例。Operator 负责管理配置、Pod 的生命周期、版本升级等。
集成 Grafana 和 Alertmanager：Prometheus Operator 通常也与 Grafana 和 Alertmanager 集成，可以配置 Grafana 和 Alertmanager 自定义资源，以便自动部署和配置这些组件。

ServiceMonitor 作用和示例讲解：

ServiceMonitor 是 Prometheus Operator 中的一个自定义资源定义（CRD），用于定义要监控的应用程序服务。它的作用是指定哪些服务需要被 Prometheus 监控，以及如何进行监控。ServiceMonitor 在 Prometheus Operator 中的使用非常重要，因为它能够自动发现被监控的服务，并生成适当的监控配置。

下面是一个 ServiceMonitor 的示例讲解：

假设有一个名为 "my-app" 的应用程序在 Kubernetes 集群中运行，我们希望 Prometheus 监控该应用程序的性能指标。首先，我们需要创建一个 ServiceMonitor 自定义资源来定义该应用程序的监控配置。

apiVersion: monitoring.coreos.com/v1
kind: ServiceMonitor
metadata:
  name: my-app-monitor
  namespace: default
spec:
  selector:
    matchLabels:
      app: my-app
  endpoints:
    - port: web
      interval: 30s

在上述示例中：

apiVersion 和 kind 指定了这是一个 ServiceMonitor 自定义资源。
metadata 中的 name 指定了 ServiceMonitor 对象的名称。
spec 部分定义了监控的配置。在 selector 中，我们使用了 matchLabels 来选择带有 app: my-app 标签的 Pod。这意味着只有具有该标签的 Pod 会被监控。
在 endpoints 中，我们定义了监控的端点信息。在这个示例中，我们监控了名为 "web" 的端口，并指定了抓取数据的时间间隔为 30 秒。

通过创建这个 ServiceMonitor 对象，Prometheus Operator 将自动发现带有标签 app: my-app 的 Pod，并在 Prometheus 配置中生成相应的监控作业（job）。这样，Prometheus 就会定期抓取这些 Pod 的指标数据，以进行监控和告警。

通过使用 Prometheus Operator，您可以通过简单的声明式配置来自动管理和扩展 Prometheus 监控系统，从而使监控的部署和维护更加简单和可靠。

四、快速在k8s内搭建 Prometheus 全家桶

最开始是Heapster+cAdvisor方式监控，这是Prometheus Operator出现之前的k8s监控方案。后来出现了Prometheus Operator，但是目前Prometheus Operator已经不包含完整功能，完整的解决方案已经变为kube-prometheus（或kube-prometheus-stack）。

kube-prometheus-stack GitHub地址：https://github.com/prometheus-community/helm-charts/tree/main/charts/kube-prometheus-stack

1）k8s 环境安装

k8s 环境安装之前写过很多文档，可以参考我以下几篇文章：

【云原生】k8s 离线部署讲解和实战操作
【云原生】k8s 环境快速部署（一小时以内部署完）

2）安装 helm

下载地址：https://github.com/kubernetes/helm/releases

# 下载包
wget https://get.helm.sh/helm-v3.7.1-linux-amd64.tar.gz
# 解压压缩包
tar -xf helm-v3.7.1-linux-amd64.tar.gz
# 制作软连接
ln -s /opt/helm/linux-amd64/helm /usr/local/bin/helm
# 验证
helm version
helm help

3）【第一种安装方法】直接安装方式（kube-prometheus）

第一种方法是下载 manifests 包里的yaml，再通过 kubectl 部署。

1、下载kube-prometheus

下载地址：https://github.com/prometheus-operator/kube-prometheus

git clone https://github.com/prometheus-operator/kube-prometheus.git
cd kube-prometheus

【注】在 release-0.11 版本之后新增了 NetworkPolicy 默认是允许自己访问，如果了解 NetworkPolicy 可以修改一下默认的规则，可以用查看 ls manifests/*networkPolicy*，如果不修改的话则会影响到修改 NodePort 类型也无法访问，如果不会 Networkpolicy 可以直接删除就行。

2、修改镜像源

国外镜像源某些镜像无法拉取，我们这里修改prometheus-operator，prometheus，alertmanager，kube-state-metrics，node-exporter，prometheus-adapter的镜像源为国内镜像源。我这里使用的是中科大的镜像源。

# 查找
grep -rn 'quay.io' *
# 批量替换
sed -i 's/quay.io/quay.mirrors.ustc.edu.cn/g' `grep "quay.io" -rl *`
# 再查找
grep -rn 'quay.io' *
grep -rn 'image: ' *

3、修改 service 配置类型为 NodePort

为了可以从外部访问 prometheus，alertmanager，grafana，我们这里修改 promethes，alertmanager，grafana的 service 类型为 NodePort 类型。

【1】修改 prometheus 的 service

# 设置对外访问端口，增加如下两行，完整配置也贴出来了。
# type: NodePort
# nodePort: 30090

vi manifests/prometheus-service.yaml

完整配置

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  labels:
    app.kubernetes.io/component: prometheus
    app.kubernetes.io/instance: k8s
    app.kubernetes.io/name: prometheus
    app.kubernetes.io/part-of: kube-prometheus
    app.kubernetes.io/version: 2.46.0
  name: prometheus-k8s
  namespace: monitoring
spec:
  type: NodePort
  ports:
  - name: web
    port: 9090
    targetPort: web
    nodePort: 30090
  - name: reloader-web
    port: 8080
    targetPort: reloader-web
  selector:
    app.kubernetes.io/component: prometheus
    app.kubernetes.io/instance: k8s
    app.kubernetes.io/name: prometheus
    app.kubernetes.io/part-of: kube-prometheus
  sessionAffinity: ClientIP

【2】修改 grafana 的 service

完整配置

# 设置对外访问端口，增加如下两行，完整配置也贴出来了。
# type: NodePort
# nodePort: 30300
vi manifests/grafana-service.yaml

完整配置

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  labels:
    app.kubernetes.io/component: grafana
    app.kubernetes.io/name: grafana
    app.kubernetes.io/part-of: kube-prometheus
    app.kubernetes.io/version: 9.5.3
  name: grafana
  namespace: monitoring
spec:
  type: NodePort
  ports:
  - name: http
    port: 3000
    targetPort: http
    nodePort: 30300
  selector:
    app.kubernetes.io/component: grafana
    app.kubernetes.io/name: grafana
    app.kubernetes.io/part-of: kube-prometheus

【3】修改 alertmanager 的 service

# 设置对外访问端口，增加如下两行，完整配置也贴出来了。
# type: NodePort
# nodePort: 30093
vi manifests/grafana-service.yaml

完整配置

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  labels:
    app.kubernetes.io/component: alert-router
    app.kubernetes.io/instance: main
    app.kubernetes.io/name: alertmanager
    app.kubernetes.io/part-of: kube-prometheus
    app.kubernetes.io/version: 0.25.0
  name: alertmanager-main
  namespace: monitoring
spec:
  type: NodePort
  ports:
  - name: web
    port: 9093
    targetPort: web
    nodePort: 30093
  - name: reloader-web
    port: 8080
    targetPort: reloader-web
  selector:
    app.kubernetes.io/component: alert-router
    app.kubernetes.io/instance: main
    app.kubernetes.io/name: alertmanager
    app.kubernetes.io/part-of: kube-prometheus
  sessionAffinity: ClientIP

4、开始安装

kubectl apply --server-side -f manifests/setup
kubectl wait \
	--for cnotallow=Established \
	--all CustomResourceDefinition \
	--namespace=monitoring
kubectl apply -f manifests/

# 查看
kubectl get all -n monitoring

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【温馨提示】如果上面下载镜像失败，可以使用以下地址下载，当然也可以去hub.docker.com下载。

这里也提供镜像包

链接：https://pan.baidu.com/s/10ksK1OtKwlvZqbExKmZgLw?pwd=bcu6提取码：bcu6

6、浏览器访问

Prometheus：http://ip:30090/

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Grafana ：http://ip:30300/默认账号/密码：admin/admin

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Alertmanager：http://ip:30093/

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5、卸载

kubectl delete --ignore-not-found=true -f manifests/ -f manifests/setup

4）【第二种安装方法】通过 helm3 开始安装 kube-prometheus-stack

1、下载安装包

# 添加repo
helm repo add prometheus-community https://prometheus-community.github.io/helm-charts
helm repo update
# 查询
helm search repo prometheus-community/prometheus

# 拉包
helm pull prometheus-community/kube-prometheus-stack --versinotallow=48.4.0
# 解包
tar -xf kube-prometheus-stack-48.4.0.tgz

2、修改配置

查看所需要的镜像，最好提前下载镜像，要不然很大可能会因为下载镜像失败而安装失败。

grep -A3 'image:' kube-prometheus-stack/values.yaml

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3、开始安装

helm install mykube-prometheus-stack kube-prometheus-stack \
  -n kube-prometheus-stack --create-namespace \
  --set prometheus-node-exporter.hostRootFsMount=false \
  --set prometheus.ingress.enabled=true \
  --set prometheus.ingress.hosts='{prometheus.k8s.local}' \
  --set prometheus.ingress.paths='{/}' \
  --set prometheus.ingress.pathType=Prefix \
  --set alertmanager.ingress.enabled=true \
  --set alertmanager.ingress.hosts='{alertmanager.k8s.local}' \
  --set alertmanager.ingress.paths='{/}' \
  --set alertmanager.ingress.pathType=Prefix \
  --set grafana.ingress.enabled=true \
  --set grafana.ingress.hosts='{grafana.k8s.local}' \
  --set grafana.ingress.paths='{/}' \
  --set grafana.ingress.pathType=Prefix

4、卸载

helm uninstall mykube-prometheus-stack -n kube-prometheus-stack