prometheus实战之二：使用常见指标

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本篇概览

• 本文是《prometheus实战》系列的第二篇，在《prometheus实战之一：用ansible部署》一文咱们部署了prometheus服务，并且在应用服务器部署了node_exporter，整体情况如下图

在这里插入图片描述

• 目前，prometheus已经可以通过node_exporter从应用服务器取得监控数据，本篇就来学习如何使用这些监控数据来展现应用服务器综合状态，例如CPU、内存、磁盘、网络等指标的情况，经过本篇的实战，算是对prometheus的指标和查询语言PromQL有了最基本的了解，算是入门了
• 总的来说，本篇由以下内容组成，学习最基础的指标，以及与之匹配的表达式

1. 基础知识储备
2. 官方入门指标：prometheus_target_interval_length_seconds
3. 最简单的counter类型指标：prometheus_tsdb_head_chunks_created_total
4. node_exporter指标：CPU相关
5. node_exporter指标：内存相关
6. node_exporter指标：磁盘相关
7. node_exporter指标：网络相关

基础知识储备

• 要想写出有用的查询表达式，必须有一些必要的基础知识储备，主要有：指标类型、常用函数
• 先看指标类型，共有四种

1. counter（计数器）：这个很好理解，只增不减，例如CPU时间
2. guage（仪表盘）：可以用现实生活中仪器的仪表盘来理解，只用来反映当前的瞬时状态，例如车辆的时速，是有时高有时低的
3. summary：这个类型用于一些统计分布的场景，举个例子：服务端响应了一百个请求，除了平均响应时间，有时候还想了解一百个请求耗时排序后的情况，例如中位耗时是多少，9分位耗时是多少，这时候用summary就比较合适了，它本身就是客户端计算好分布情况之后再上报的，标签中带有分位情况，例如：quantile=0.9
4. histogram：与summary类似，也是用来反应统计分布的情况，不同的是histogram是为分段统计准备的，也就是直方图，这里还是举一个例子吧

• 下面是指标prometheus_http_response_size_bytes的数据，prometheus_http_response_size_bytes_bucket有九条记录，相当于按照每一次响应的大小一共准备了9个桶，第一个桶，le=100表示小于100的响应全部在这个桶里，一共有四条记录，注意第二条len=1000，其值也等于4，表示小于1000的总数是4个，这里是包含了len=100的那4条记录的，所以，100-1000这个区间的总数是0个！

# TYPE prometheus_http_response_size_bytes histogram
prometheus_http_response_size_bytes_bucket{handler="/",le="100"} 4
prometheus_http_response_size_bytes_bucket{handler="/",le="1000"} 4
prometheus_http_response_size_bytes_bucket{handler="/",le="10000"} 4
prometheus_http_response_size_bytes_bucket{handler="/",le="100000"} 4
prometheus_http_response_size_bytes_bucket{handler="/",le="1e+06"} 4
prometheus_http_response_size_bytes_bucket{handler="/",le="1e+07"} 4
prometheus_http_response_size_bytes_bucket{handler="/",le="1e+08"} 4
prometheus_http_response_size_bytes_bucket{handler="/",le="1e+09"} 4
prometheus_http_response_size_bytes_bucket{handler="/",le="+Inf"} 4
prometheus_http_response_size_bytes_sum{handler="/"} 116
prometheus_http_response_size_bytes_count{handler="/"} 4

• 通过上面九个桶的统计，可知一共有4条记录，这和prometheus_http_response_size_bytes_count的值是一致的，另外prometheus_http_response_size_bytes_sum表示这所有4条记录的字节数之和是116，有了这些数据，画出每个区间的直方图就很容易了
• 再来看常用的内置函数

1. increase：指定时间区间后，计算该指标在最早和最晚时间的值的查，即增长量，例如increase(node_cpu_seconds_total[1m])
2. rate：如果将increase(node_cpu_seconds_total[1m])除以60，即这一分钟内平均每秒的增长量，那就是rate了，即rate(node_cpu_seconds_total[1m])
3. irate：rate(node_cpu_seconds_total[1m])表示每一秒的增长量，除以60的弊端就是瞬时变化值被平摊到每一秒中，因此曲线图无法反映真实的瞬时变化，这时候用irate更合适，因为它取的是这一分钟内最后两个采样点的差值

• 至此，基础知识已经大致了解，接下来就用真实的指标在prometheus系统上实战

summary类型指标：prometheus_target_interval_length_seconds

• 来看一个内置指标prometheus_target_interval_length_seconds，其值的含义是两次抓取操作的间隔时间
• 如下图，首先一定要勾选红框中的Use local time，再在箭头所指位置输入prometheus_target_interval_length_seconds，就会显示该指标的曲线图

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• 上图有四个曲线，分别代表该指标的P01到P99数据，P99的含义，是说假设同一时刻该指标有一百个值，P99代表排序后第九十九名的值
• 如果想查看具体数据，可以像下图这样切到Table页

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• 从上图可见，prometheus_target_interval_length_seconds是指标(metric)，而job、quantile这些都是标签(label)，来看第一个表达式，按照标签过滤指标，注意是大括号：

prometheus_target_interval_length_seconds{quantile="0.99"}

• 在页面输入，效果如下图所示，只会展示P99的数据

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• 统计数量

count(prometheus_target_interval_length_seconds{quantile="0.99"})

• 结果如下图，数量是1

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counter类型指标：prometheus_tsdb_head_chunks_created_total

• prometheus_tsdb_head_chunks_created_total是counter类型的指标，其值会一直增加，含义是时序数据库tsdb的head中创建的chunk数量
• 先看prometheus_tsdb_head_chunks_created_total原始值的曲线图，如下图，可见确实是一直在增长

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• 用rate函数，表达式如下，意思是取一分钟前后的变化（例如一分钟后增长了60），然后除以秒数60，所以表达式的值等于1

rate(prometheus_tsdb_head_chunks_created_total[1m])

• 上述表达式的曲线图如下

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CPU使用率：理论分析

• 有了上面的基础，接下来自己试着写一个实用的表达式看看，先写一个常见的概念：CPU使用率
• 先把基础知识准备好，来看一个CPU使用率的截图，也就是top命令的效果

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• 那么如何计算CPU使用率呢？来看一个云监控网站上的描述

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• 可见，CPU使用率简单的说就是：除idle状态之外的CPU时间除以CPU总时间
• 因此，接下来咱们用prometheus的计算思路就是：1- idle/total

CPU使用率：准备工作（可跳过）

• 为了让CPU看起来很忙，我在应用服务器上做了个很消耗CPU的操作：用ffmpeg将h264文件转码为h265，参考命令如下，当然了您也可以不做此操作，这样CPU负载显得很低

~/bin/ffmpeg -i ~/videos/4kh264.mp4 -c:v libx265 -vtag hvc1 -c:a copy ./output.mp4

• 在ffmpeg转码的时候，CPU消耗是比较严重的，如下图，每个CPU核的空闲状态(idle)只剩下了30%，所以整体的CPU使用率大概在70%左右

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CPU使用率：编写表达式

• 在prometheus计算CPU使用率，要用到的原始指标是node_cpu_seconds_total，它代表CPU每种模式下花费的时间，是counter型的，会随着时间一直增长
• 前文咱们为应用服务器配置了node_exporter，因此可以从prometheus查看应用服务器的node_cpu_seconds_total指标，如下图所示，每个值有四个标签，cpu表示第几个核，instance表示node_exporter所在机器，job表示来自prometheus配置的哪个任务，mode表示这是cpu哪个模式的值（相当于执行top命令后看到的用户态、内核态的CPU占比）

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• 接下来梳理一下计算总时长和空闲状态时长的逻辑，如下图

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• 既然逻辑已经清晰，先写idle状态时长

sum(increase(node_cpu_seconds_total{mode="idle"}[1m])) by (instance)

• 用曲线图看看，可见09:30开始有个明显的凹坑，这是执行ffmpeg转码的时间段，这时候CPU负载高，导致idle状态的时间变短，符合实际情况

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• 然后是总时长

sum(increase(node_cpu_seconds_total[1m])) by (instance)

• 现在有了idle时长和总时长，CPU使用率的表达式也就呼之欲出了：

(1 - sum(increase(node_cpu_seconds_total{mode="idle"}[1m])) by (instance) / sum(increase(node_cpu_seconds_total[1m])) by (instance) ) * 100

• 曲线图如下，与实际情况符合

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• 另外，在计算idle时间的时候，刚才咱们用的是

sum(increase(node_cpu_seconds_total{mode="idle"}[1m])) by (instance)

• 其实上述表达式还可以用下面这个替代，因为这里是有一个instance，所以可以不关注，这样就只剩下cpu这个标签没有处理了，用without相当于去掉了cpu这个维度

sum without(cpu) (increase(node_cpu_seconds_total{mode="idle"}[1m]))

可用内存

• 先来看常用的free命令，得到结果如下

free -m
              total        used        free      shared  buff/cache   available
Mem:          31772         655       29065           1        2051       30653
Swap:             0           0           0

• 一般的，从应用程序视角来看，可用内存等于：free + buff + cache（这只是理论上的，实际上可能有较大出入）
• 再看看node_exporter上报的参数中，上述信息对应的指标分别是

1. node_memory_Buffers_bytes
2. node_memory_Cached_bytes
3. node_memory_MemFree_bytes

• 基于上述条件，可用内存表达式就很简单了

node_memory_Buffers_bytes+node_memory_Cached_bytes+node_memory_MemFree_bytes

• 效果如下图，09:30时候那个凹坑对应的是ffmpeg转码的时间，正好消耗了较多内存，导致可用内存降低

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• 总内存的指标是node_memory_MemTotal_bytes，有了这四个参数，计算内存使用率也就很简单了，参考CPU使用率的做法，这里就不赘述了

磁盘使用率

• 先用df命令看一下应用服务器磁盘空间情况，如下所示，需要重点关注的是/dev/mapper/ubuntu–vg-ubuntu–lv

df -h
Filesystem                         Size  Used Avail Use% Mounted on
udev                                16G     0   16G   0% /dev
tmpfs                              3.2G  1.5M  3.2G   1% /run
/dev/mapper/ubuntu--vg-ubuntu--lv  935G   26G  871G   3% /
tmpfs                               16G     0   16G   0% /dev/shm
tmpfs                              5.0M     0  5.0M   0% /run/lock
tmpfs                               16G     0   16G   0% /sys/fs/cgroup
/dev/nvme0n1p2                     1.5G  210M  1.2G  16% /boot
/dev/loop0                          64M   64M     0 100% /snap/core20/1828
/dev/nvme0n1p1                     1.1G  6.1M  1.1G   1% /boot/efi
/dev/loop1                          68M   68M     0 100% /snap/lxd/21835
/dev/loop2                          92M   92M     0 100% /snap/lxd/24061
/dev/loop3                          54M   54M     0 100% /snap/snapd/18933
/dev/loop4                          64M   64M     0 100% /snap/core20/1852
/dev/loop5                          50M   50M     0 100% /snap/snapd/18596
overlay                            935G   26G  871G   3% /var/lib/docker/overlay2/a63fc1b19c2ced0053ed406ae065f7f5db5ccc82801967d3ed89a17a22886120/merged
tmpfs                              3.2G     0  3.2G   0% /run/user/0

• 计算磁盘使用率要用到两个指标

1. node_filesystem_avail_bytes：磁盘可用空间
2. node_filesystem_size_bytes：磁盘总空间

• 基于上述指标以及过滤标签device，得到磁盘空间使用率

(1 - node_filesystem_avail_bytes{device="/dev/mapper/ubuntu--vg-ubuntu--lv"} / node_filesystem_size_bytes{device="/dev/mapper/ubuntu--vg-ubuntu--lv"}) * 100

• 效果如下图，由于ffmpeg转码时生成了新的视频文件，导致磁盘使用率变大，这是符合实际情况的

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磁盘IO

• 磁盘IO有两个指标

1. node_disk_read_bytes_total：读IO
2. node_disk_writes_completed_total：写IO

• 由于ffmpeg转码新增了一个视频文件，因此写IO会有明显增长，下面这个表达式反映了平均每秒的磁盘写入量

rate(node_disk_writes_completed_total[5m])

• 如下图，有多个磁盘的数据

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• 如果想看每个机器上的总磁盘写入量，可以同时使用sum和by来完成，by与SQL的group by类似，group by的数据可以做聚合操作，求和正是其中之一，也就是这里的sum

sum by (instance) (rate(node_disk_writes_completed_total[5m]))

• 效果如下图，每个实例的所有写操作被累加在一起

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网络IO

• 网络IO相关的两个重要指标

1. node_network_receive_bytes_total：收到的字节数，count型
2. node_network_transmit_bytes_total：发出的字节数，count型

• 先看node_network_receive_bytes_total的原始数据，如下图，可见有多个网卡的数据，如果只想观察实际接受的字节数，需要用device这个label将回环网卡和虚拟网卡剔除

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• 另外，对于网络IO而言，我们更关注瞬时情况，而非某个时间段的平均情况，这时候用rate就不合适了，建议使用irate函数，它用的是区间内最后两个点来计算（rate是用所有点），表达式如下

sum by (instance)(irate (node_network_receive_bytes_total[1m]))

• 对于的图形如下，应用服务器的网络IO读速率

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• 写速率用指标node_network_transmit_bytes_total，表达式与读类似

sum by (instance)(irate (node_network_transmit_bytes_total[1m]))

• 图形效果如下

在这里插入图片描述

• 至此，最初级的指标操作已经完成，相信您对prometheus已经有了初步的了解，接下来的文章，咱们会继续深入学习