【云原生•监控】基于Prometheus的云原生集群监控(理论+实践)-02

k8s资源对象指标

kube-state-metrics

cAdvisor主要是底层容器运行时的性能指标，并没有kubernetes集群资源对象的状态指标，比如我们想了解服务运行状态、Pod有没有重启、伸缩有没有成功、Pod的状态是怎么样的等，kubernetes提供了一个kube-state-metrics组件可以用来暴露这些指标。

kube-state-metrics 只是一个简单的服务，该服务通过监听API Server订阅各类资源对象的变更生成有关资源对象的最新状态指标，比如Deployment、Daemonset、StatefulSet、Node、Pod、Container、Service等。它不关注 Kubernetes 节点组件的运行状况，而是关注集群内部各种资源对象的运行状况，需要注意的是kube-state-metrics只是简单的提供一个metrics数据，并不会存储这些指标数据，所以我们可以使用prometheus来抓取这些数据然后存储。

cAdvisor 已经被 Kubernetes 默认集成，而kube-state-metrics并没有被默认集成，所以我们要想监控集群完整数据，就需要在 kubernetes 中单独部署kube-state-metrics组件，这样才能够将集群中的服务资源指标数据暴露出来，以便于对不同资源进行监控。

kube-state-metrics组件部署比较简单，不过需要注意版本兼容的问题：

我的kubernetes版本是v1.21.0，所以这里选择kube-state-metrics版本v2.3.0。

部署

1、在master节点上创建目录kube-state-metrics，并将kube-state-metrics-2.3.0.tar.gz解压包中examples/standard目录下文件拷贝到kube-state-metrics目录中：

[root@k8s-01 kube-state-metrics]# ls -alh
总用量 20K
drwxr-xr-x 2 root root  135 6月  19 16:02 .
drwxr-xr-x 4 root root   54 6月  19 15:57 ..
-rw-r--r-- 1 root root  418 6月  19 16:02 cluster-role-binding.yaml
-rw-r--r-- 1 root root 1.7K 6月  19 16:02 cluster-role.yaml
-rw-r--r-- 1 root root 1.2K 6月  19 16:02 deployment.yaml
-rw-r--r-- 1 root root  234 6月  19 16:02 service-account.yaml
-rw-r--r-- 1 root root  447 6月  19 16:02 service.yaml

❝

由于 kube-state-metrics 组件需要通过与 kube-apiserver 连接，并调用相应的接口去获取 kubernetes 集群数据，这个过程需要kube-state-metrics组件拥有一定的权限才能成功执行这些操作。在 kubernetes 中默认使用 RBAC 方式管理权限，所以，我们需要创建相应的 RBAC 资源来提供该组件使用。

❞

2、修改镜像：

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: kube-state-metrics
  labels:
    k8s-app: kube-state-metrics
spec:
  replicas: 1
  selector:
    matchLabels:
      k8s-app: kube-state-metrics
  template:
    metadata:
      labels:
        k8s-app: kube-state-metrics
    spec:
      serviceAccountName: kube-state-metrics
      containers:
      - name: kube-state-metrics
        image: bitnami/kube-state-metrics:2.0.0
        securityContext:
          runAsUser: 65534
        ports:
        - name: http-metrics    ##用于公开kubernetes的指标数据的端口
          containerPort: 8080
        - name: telemetry       ##用于公开自身kube-state-metrics的指标数据的端口
          containerPort: 8081

❝

k8s.gcr.io/kube-state-metrics/kube-state-metrics:v2.3.0这个镜像是特别注意的，因为前缀是k8s.gcr.io，所以是pull不了的需要，改为registry.cn-beijing.aliyuncs.com/zhaohongye/kube-state-metrics:v2.3.0。

❞

3、创建部署：

[root@master kube-state-metrics]# kubectl  apply -f  ./
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

4、查看是否允许成功：

[root@k8s-01 ~]# kubectl get pod -n kube-system -l app.kubernetes.io/name=kube-state-metrics -owide
NAME                                 READY   STATUS    RESTARTS   AGE   IP              NODE     NOMINATED NODE   READINESS GATES
kube-state-metrics-5dc49b696-rssx8   1/1     Running   0          11m   192.165.179.4   k8s-02   <none>           <none>
[root@master kube-state-metrics]# kubectl get svc -n kube-system |grep kube-state-metrics
kube-state-metrics   ClusterIP   None           <none>        8080/TCP,8081/TCP        50m

5、验证/metrics端点是否可以采集指标：

[root@master kube-state-metrics]# curl  192.165.179.4:8080/metrics

❝

访问kube-state-metrics组件的pod ip+8080端口。

❞

prometheus接入

/metrics端点可以采集到指标数据，说明kube-state-metrics组件部署正常，下面就可以使用prometheus接入。

1、该组件创建了svc名称kube-state-metrics，所以可以采用service的endpoints服务发现协议，配置如下：

- job_name: 'kube-state-metrics'
   metrics_path: metrics
   kubernetes_sd_configs:
   - role: endpoints
   relabel_configs:
   - source_labels: [__meta_kubernetes_service_name]
     regex: kube-state-metrics
     action: keep
   - source_labels: [__meta_kubernetes_endpoint_port_name]
     regex: http-metrics
     action: keep  
   - action: labelmap
     regex: __meta_kubernetes_pod_label_(.+)

❝

参见prometheus部署一节，prometheus的配置放到prometheus-config这个ConfigMap中。并将configmap-reload容器以sidecar模式部署到prometheus容器部署到一起，我们只需要修改prometheus-config这个ConfigMap，configmap-reload容器会自动监听变更，然后拉取最新的配置并热更新到prometheus。

❞

2、查看prometheus的web页面下target信息，接入正常：

3、grafana中导入14518 dashboard，kube-state-metrics性能监控指标就展示到模板上。

a、如集群Node节点性能指标，如CPU、内存、网络IO、磁盘IO、磁盘等监控信息：

b、如集群中各种资源对象统计，比如各种状态Pod数量统计、namespace数量、pvc数量、node节点上运行pod统计，namespace资源申请统计等等。

c、更多资源监控如下：

metrics-server

和kube-state-metrics组件经常容易混淆的还有一个组件metrics-server，下面来看下该组件的作用。

从kubernetes 1.8开始，资源使用指标，如容器的CPU和内存，是通过Metrics API在kubernetes中获取，这些数据可以由用户直接访问，例如通过使用kubectl top命令查看节点、Pod或容器的CPU和内存使用信息, 或者由集群中的控制器，例如VPA、HPA等使用来进行决策，metrics-server组件替代了heapster实现了这套接口，heapster从1.11开始逐渐被废弃。

❝

VPA、HPA读书用于扩缩容技术，扩缩容判断的标准是否出现性能问题，metrics-server就是为性能问题提供数据依据。

❞

metrics-server是集群核心监控数据的聚合器，通俗地说，它存储了集群中各节点的监控数据，并且提供了API以供分析和使用。核心原理就是从每个节点上的 kubelet组件Summary API采集指标信息，如下指令就可以获取到k8s-02节点上kubelet组件的summart数据：

# 获取节点 kubelet summary 数据
[root@k8s-01 metrics-server]# kubectl get --raw=/api/v1/nodes/k8s-02/proxy/stats/summary

这里数据就是节点的CPU、内存、网络、文件系统的使用情况，以及更细化的该节点上每个容器的CPU、内存、网络、volume等使用情况，metrics-server组件通过kubelet组件将集群中所有节点的信息都收集汇集到一起，这样在控制台输入kubectl top pods 命令就可以查看到这些信息。

比如查看每个节点的CPU和内存使用情况：

[root@k8s-01 metrics-server]# kubectl top nodes
NAME     CPU(cores)   CPU%   MEMORY(bytes)   MEMORY%   
k8s-01   164m         8%     2172Mi          59%       
k8s-02   93m          4%     1631Mi          44%       
k8s-03   101m         5%     1489Mi          40%  

或者查看Pod的CPU和内存使用情况：

[root@k8s-01 metrics-server]# kubectl top pod --all-namespaces
NAMESPACE              NAME                                        CPU(cores)   MEMORY(bytes)   
default                my-nginx-6b74b79f57-gxzx6                   0m           4Mi             
demo01                 nginx                                       0m           3Mi             
demo01                 nginx-demo1-7678bcdf48-cwtxk                0m           2Mi             
demo01                 nginx-demo1-7678bcdf48-f8bhh                0m           2Mi             
demo01                 nginx-deployment-746fbb99df-lxn7b           0m           1Mi             
demo01                 probe-deployment-59dd8bb78d-d5ljg           0m           0Mi             
demo01                 tomcat-deployment-7db86c59b7-bn8zl          2m           129Mi                     
monitoring             grafana-7cfd74ccf5-crcnz                    1m           34Mi            
monitoring             prometheus-7fd7fdb677-4q7d2                 4m           160Mi 

还可以更细化查看pod里容器的负载：

[root@k8s-01 metrics-server]# kubectl top pod prometheus-7fd7fdb677-4q7d2 --containers -n monitoring
POD                           NAME                CPU(cores)   MEMORY(bytes)   
prometheus-7fd7fdb677-4q7d2   prometheus          8m           156Mi           
prometheus-7fd7fdb677-4q7d2   prometheus-reload   0m           4Mi             

这个功能的背后就是metric-server这个组件提供的支持，如果没有部署这个组件，执行kubectl top指令会报错。

「metrics-server关注的是底层容器CPU、内存等性能数据，其来源于kubelet组件，其实来源于kubelet内部集成的cAdvisor组件提供的容器性能指标，即cAdvisor提供的性能指标已经包含metrics-server组件的性能指标，prometheus采集是只需要采集cAdvisor组件，metrics-server不在需要接入prometheus监控。」

部署

1、metrics-server 是扩展的依赖于kube-aggregator，因为我们需要在 APIServer 中添加启动参数--enable-aggregator-routing=true：

# vi /etc/kubernetes/manifests/kube-apiserver.yaml
spec:
  containers:
  - command:
    - kube-apiserver
    - --advertise-address=192.168.31.160
    - --allow-privileged=true
    - --authorization-mode=Node,RBAC
    - --client-ca-file=/etc/kubernetes/pki/ca.crt
    - --enable-admission-plugins=NodeRestriction
    - --enable-bootstrap-token-auth=true
    - --enable-aggregator-routing=true
    - --etcd-cafile=/etc/kubernetes/pki/etcd/ca.crt
    - --etcd-certfile=/etc/kubernetes/pki/apiserver-etcd-client.crt
    - --etcd-keyfile=/etc/kubernetes/pki/apiserver-etcd-client.key
    - --etcd-servers=https://127.0.0.1:2379

❝

如果您未在master节点上运行kube-proxy，则必须确保 kube-apiserver启动参数中包含--enable-aggregator-routing=true。

然后，重启kubelet组件：systemctl restart kubelet。

❞

2、下载metrics-server介质：https://github.com/kubernetes-sigs/metrics-server/releases

❝

我这里下载v0.6.1版本。

❞

3、修改配置：

❝

注意事项：

1、如果需要忽略 Kubelet certificate ，name只需要在 deployment 的containers.args 中加上 –kubelet-insecure-tls 即可 2、如果在国内，需要将镜像仓库更改为国内的源，例如阿里云的，例如将 k8s.gcr.io/metrics-server/metrics-server 更改为 registry.aliyuncs.com/google_containers/metrics-server。

3、添加配置hostNetwork: true

❞

4、创建部署：

[root@k8s-01 metrics-server]# kubectl apply  -f components.yaml
serviceaccount/metrics-server created
clusterrole.rbac.authorization.k8s.io/system:aggregated-metrics-reader created
clusterrole.rbac.authorization.k8s.io/system:metrics-server created
rolebinding.rbac.authorization.k8s.io/metrics-server-auth-reader created
clusterrolebinding.rbac.authorization.k8s.io/metrics-server:system:auth-delegator created
clusterrolebinding.rbac.authorization.k8s.io/system:metrics-server created
service/metrics-server created
deployment.apps/metrics-server created
apiservice.apiregistration.k8s.io/v1beta1.metrics.k8s.io created

5、查看是否运行成功：

[root@k8s-01 metrics-server]# kubectl get pod -n kube-system -l k8s-app=metrics-server 
NAME                              READY   STATUS    RESTARTS   AGE
metrics-server-5bb7df9c68-x4ttq   1/1     Running   0          3m44s

❝

隔个一两分钟就可以看到metrics-server-5bb7df9c68-x4ttq运行成功。

❞

6、执行kubectl top指令验证是否正常：

[root@k8s-01 metrics-server]# kubectl top nodes
NAME     CPU(cores)   CPU%   MEMORY(bytes)   MEMORY%   
k8s-01   164m         8%     2172Mi          59%       
k8s-02   93m          4%     1631Mi          44%       
k8s-03   101m         5%     1489Mi          40%  

「所以，总结下：kube-state-metrics和metrics-server之间还是有很大不同的，kube-state-metrics主要关注的是业务相关的一些元数据，比如Deployment、Pod、副本状态等；metrics-service主要关注的是资源度量API的实现，比如CPU、内存、网络等指标，为kubectl top指令查看性能信息，或为VPA、HPA等组件提供决策指标支持。」