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17、Kubernetes - 实战：系统监控、使用Metrics Server、hpa 自动伸缩 Pod 数量、Prometheus 的使用

1. Metrics Server

如果你对 Linux 系统有所了解的话，也许知道有一个命令 top 能够实时显示当前系统的 CPU 和内存利用率，它是性能分析和调优的基本工具，非常有用。Kubernetes 也提供了类似的命令，就是 kubectl top，不过默认情况下这个命令不会生效，必须要安装一个插件 Metrics Server 才可以。

Metrics Server 是一个专门用来收集 Kubernetes 核心资源指标（metrics）的工具，它定时从所有节点的 kubelet 里采集信息，但是对集群的整体性能影响极小，每个节点只大约会占用 1m 的 CPU 和 2MB 的内存，所以性价比非常高。

下面的这张图来自 Kubernetes 官网，你可以对 Metrics Server的工作方式有个大概了解：它调用 kubelet 的 API 拿到节点和 Pod 的指标，再把这些信息交给 apiserver，这样 kubectl、HPA 就可以利用 apiserver 来读取指标了：
 
在Metrics Server 的项目网址（ https://github.com/kubernetes-sigs/metrics-server）可以看到它的说明文档和安装步骤，不过如果你已经用 kubeadm 搭建了 Kubernetes 集群，就已经具备了全部前提条件，接下来只需要几个简单的操作就可以完成安装。

Metrics Server 的所有依赖都放在了一个 YAML 描述文件里，你可以使用 wget 或者 curl 下载：


wget https://github.com/kubernetes-sigs/metrics-server/releases/latest/download/components.yaml

但是在kubectl apply 创建对象之前，我们还有两个准备工作要做。

第一个工作，是修改 YAML 文件。你需要在 Metrics Server 的 Deployment 对象里，加上一个额外的运行参数 --kubelet-insecure-tls ，也就是这样：


apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: metrics-server
  namespace: kube-system
spec:
  ... ... 
  template:
    spec:
      containers:
      - args:
        - --kubelet-insecure-tls
        ... ...

这是因为 Metrics Server 默认使用 TLS 协议，要验证证书才能与 kubelet 实现安全通信，而我们的实验环境里没有这个必要，加上这个参数可以让我们的部署工作简单很多（生产环境里就要慎用）。

第二个工作，是预先下载 Metrics Server 的镜像。看这个 YAML 文件，你会发现 Metrics Server 的镜像仓库用的是 gcr.io下载很困难。好在它也有国内的镜像网站，下载后再改名，然后把镜像加载到集群里的节点上。

给出一段 Shell 脚本代码，供你参考：


repo=registry.aliyuncs.com/google_containers

name=registry.k8s.io/metrics-server/metrics-server:v0.6.3
src_name=metrics-server:v0.6.3

docker pull $repo/$src_name

docker tag $repo/$src_name $name
docker rmi $repo/$src_name

两个准备工作都完成之后，我们就可以使用 YAML 部署 Metrics Server 了：


kubectl apply -f components.yaml

Metrics Server 属于名字空间 kube-system，可以用 kubectl get pod 加上 -n 参数查看它是否正常运行：
 

现在有了 Metrics Server 插件，我们就可以使用命令 kubectl top 来查看 Kubernetes 集群当前的资源状态了。它有两个子命令，node 查看节点的资源使用率，pod 查看 Pod 的资源使用率。

由于Metrics Server 收集信息需要时间，我们必须等一小会儿才能执行命令，查看集群里节点和 Pod 状态：


kubectl top node
kubectl top pod -n kube-system

 

从这个截图里你可以看到：

  • 集群里两个节点 CPU 使用率都不高，分别是 3% 和 1%，但内存用的很多，master 节点用了差不多一半（40%），而 worker 节点用满（27%）。
  • 名字空间 kube-system里有很多 Pod，其中 apiserver 最消耗资源，使用了 25m 的 CPU 和 259MB 的内存。

2. HorizontalPodAutoscaler

有了Metrics Server，我们就可以轻松地查看集群的资源使用状况了，不过它另外一个更重要的功能是辅助实现应用的“水平自动伸缩”。

之前我们提到有一个命令 kubectl scale，可以任意增减 Deployment 部署的 Pod 数量，也就是水平方向的“扩容”和“缩容”。但是手动调整应用实例数量还是比较麻烦的，需要人工参与，也很难准确把握时机，难以及时应对生产环境中突发的大流量，所以最好能把这个“扩容”“缩容”也变成自动化的操作。

Kubernetes 为此就定义了一个新的 API 对象，叫做 HorizontalPodAutoscaler，简称是 hpa。顾名思义，它是专门用来自动伸缩 Pod 数量的对象，适用于 Deployment 和 StatefulSet，但不能用于 DaemonSet（原因很明显吧）。

HorizontalPodAutoscaler 的能力完全基于 Metrics Server，它从 Metrics Server 获取当前应用的运行指标，主要是 CPU 使用率，再依据预定的策略增加或者减少 Pod 的数量。

下面我们就来看看该怎么使用 HorizontalPodAutoscaler，首先要定义 Deployment 和 Service，创建一个 Nginx 应用，作为自动伸缩的目标对象：

# ngx-hpa-dep.yml

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: ngx-hpa-dep

spec:
  replicas: 1
  selector:
    matchLabels:
      app: ngx-hpa-dep

  template:
    metadata:
      labels:
        app: ngx-hpa-dep
    spec:
      containers:
      - image: nginx:alpine
        name: nginx
        ports:
        - containerPort: 80

        resources:
          requests:
            cpu: 50m
            memory: 10Mi
          limits:
            cpu: 100m
            memory: 20Mi
---

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: ngx-hpa-svc
spec:
  ports:
  - port: 80	
    protocol: TCP
    targetPort: 80
  selector:
    app: ngx-hpa-dep

在这个YAML 里只部署了一个 Nginx 实例，名字是 ngx-hpa-dep。

注意在它的 spec 里一定要用 resources 字段写清楚资源配额，否则 HorizontalPodAutoscaler 会无法获取 Pod 的指标，也就无法实现自动化扩缩容。

kubectl apply  -f ngx-hpa-dep.yml

接下来我们要用命令 kubectl autoscale 创建一个 HorizontalPodAutoscaler 的样板 YAML 文件，它有三个参数：

  • min：Pod 数量的最小值，也就是缩容的下限。
  • max：Pod 数量的最大值，也就是扩容的上限。
  • cpu-percent：CPU 使用率指标，当大于这个值时扩容，小于这个值时缩容。

好，现在我们就来为刚才的 Nginx 应用创建 HorizontalPodAutoscaler，指定 Pod 数量最少 2 个，最多 10 个，CPU 使用率指标设置的小一点，5%，方便我们观察扩容现象：


export out="--dry-run=client -o yaml"              定义Shell变量
kubectl autoscale deploy ngx-hpa-dep --min=2 --max=10 --cpu-percent=5 $out

得到的YAML 描述文件就是这样：

# ngx-hpa.yml

apiVersion: autoscaling/v1
kind: HorizontalPodAutoscaler
metadata:
  name: ngx-hpa

spec:
  maxReplicas: 10
  minReplicas: 2
  scaleTargetRef:
    apiVersion: apps/v1
    kind: Deployment
    name: ngx-hpa-dep
  targetCPUUtilizationPercentage: 5

我们再使用命令 kubectl apply 创建这个 HorizontalPodAutoscaler 后，它会发现 Deployment 里的实例只有 1 个，不符合 min 定义的下限的要求，就先扩容到 2 个：

 

 

从这张截图里你可以看到，HorizontalPodAutoscaler 会根据 YAML 里的描述，找到要管理的 Deployment，把 Pod 数量调整成 2 个，再通过 Metrics Server 不断地监测 Pod 的 CPU 使用率。

下面我们来给 Nginx 加上压力流量，运行一个测试 Pod，使用的镜像是“httpd:alpine”，它里面有 HTTP 性能测试工具 ab（Apache Bench）：


kubectl run test -it --image=httpd:alpine -- sh

 

然后我们向 Nginx 发送一百万个请求，持续 1 分钟，再用 kubectl get hpa 来观察 HorizontalPodAutoscaler 的运行状况：


ab -c 10 -t 60 -n 1000000 'http://ngx-hpa-svc/'

 

因为Metrics Server 大约每 15 秒采集一次数据，所以 HorizontalPodAutoscaler 的自动化扩容和缩容也是按照这个时间点来逐步处理的。

当它发现目标的 CPU 使用率超过了预定的 5% 后，就会以 2 的倍数开始扩容，一直到数量上限，然后持续监控一段时间，如果 CPU 使用率回落，就会再缩容到最小值。

3. Prometheus

显然，有了 Metrics Server 和 HorizontalPodAutoscaler 的帮助，我们的应用管理工作又轻松了一些。不过，Metrics Server 能够获取的指标还是太少了，只有 CPU 和内存，想要监控到更多更全面的应用运行状况，还得请出这方面的权威项目 Prometheus。

下面的这张图是 Prometheus 官方的架构图，
 
Prometheus 系统的核心是它的 Server，里面有一个时序数据库 TSDB，用来存储监控数据，另一个组件 Retrieval 使用拉取（Pull）的方式从各个目标收集数据，再通过 HTTP Server 把这些数据交给外界使用。

在Prometheus Server 之外还有三个重要的组件：

  • Push Gateway，用来适配一些特殊的监控目标，把默认的 Pull 模式转变为 Push 模式。
  • Alert Manager，告警中心，预先设定规则，发现问题时就通过邮件等方式告警。
  • Grafana 是图形化界面，可以定制大量直观的监控仪表盘。

由于同属于 CNCF，所以 Prometheus 自然就是“云原生”，在 Kubernetes 里运行是顺理成章的事情。不过它包含的组件实在是太多，部署起来有点麻烦，这里我选用了 kube-prometheus项目（https://github.com/prometheus-operator/kube-prometheus/），感觉操作起来比较容易些。

我们先要下载 kube-prometheus 的源码包，当前的最新版本是 0.11：


wget https://github.com/prometheus-operator/kube-prometheus/archive/refs/tags/v0.11.0.tar.gz

解压缩后，Prometheus 部署相关的 YAML 文件都在 manifests 目录里，有近 100 个，你可以先大概看一下。

和Metrics Server 一样，我们也必须要做一些准备工作，才能够安装 Prometheus。

第一步，是修改 prometheus-service.yaml、grafana-service.yaml。
这两个文件定义了 Prometheus 和 Grafana 服务对象，我们可以给它们添加 type: NodePort（参考第 20 讲），这样就可以直接通过节点的 IP 地址访问（当然你也可以配置成 Ingress）。

第二步，是修改 kubeStateMetrics-deployment.yaml、prometheusAdapter-deployment.yaml，因为它们里面有两个存放在 gcr.io 的镜像，必须解决下载镜像的问题。

但很遗憾，我没有在国内网站上找到它们的下载方式，为了能够顺利安装，只能把它们下载后再上传到 Docker Hub 上。所以你需要修改镜像名字，把前缀都改成 chronolaw：


image: k8s.gcr.io/kube-state-metrics/kube-state-metrics:v2.5.0
image: k8s.gcr.io/prometheus-adapter/prometheus-adapter:v0.9.1

image: chronolaw/kube-state-metrics:v2.5.0
image: chronolaw/prometheus-adapter:v0.9.1

这两个准备工作完成之后，我们要执行两个 kubectl create 命令来部署 Prometheus，先是 manifests/setup 目录，创建名字空间等基本对象，然后才是 manifests 目录：


kubectl create -f manifests/setup
kubectl create -f manifests

Prometheus 的对象都在名字空间 monitoring里，创建之后可以用 kubectl get 来查看状态：
 
确定这些 Pod 都运行正常，我们再来看看它对外的服务端口：


kubectl get svc -n monitoring

 

前面修改了 Grafana 和 Prometheus 的 Service 对象，所以这两个服务就在节点上开了端口，Grafana 是“30358”，Prometheus 有两个端口，其中“9090”对应的“30827”是 Web 端口。
在浏览器里输入节点的 IP 地址（我这里是“http://192.168.10.210”），再加上端口号“30827”，我们就能看到 Prometheus 自带的 Web 界面，：
 
Web界面上有一个查询框，可以使用 PromQL 来查询指标，生成可视化图表，比如在这个截图里我就选择了“node_memory_Active_bytes”这个指标，意思是当前正在使用的内存容量。

Prometheus 的 Web 界面比较简单，通常只用来调试、测试，不适合实际监控。我们再来看 Grafana，访问节点的端口“30358”（我这里是“http://192.168.10.210:30358”），它会要求你先登录，默认的用户名和密码都是“admin”：
 Grafana 内部已经预置了很多强大易用的仪表盘，你可以在左侧菜单栏的“Dashboards - Browse”里任意挑选一个：
 
比如我选择了“Kubernetes / Compute Resources / Namespace (Pods)”这个仪表盘，就会出来一个非常漂亮图表，比 Metrics Server 的 kubectl top 命令要好看得多，各种数据一目了然：
 

4. 总结

1、 MetricsServer是一个Kubernetes插件，能够收集系统的核心资源指标，相关的命令是kubectltop；
2、 Prometheus是云原生监控领域的“事实标准”，用PromQL语言来查询数据，配合Grafana可以展示直观的图形界面，方便监控；
3、 HorizontalPodAutoscaler实现了应用的自动水平伸缩功能，它从MetricsServer获取应用的运行指标，再实时调整Pod数量，可以很好地应对突发流量；

Metrics Server 早期的数据来源是 cAdvisor，它是一个独立的应用程序，后来被精简集成进了 kubelet。

当前的HorizontalPodAutoscaler 版本是 v2，除了支持 CPU 指标外也支持自定义指标，还有更多的可调节参数，但命令 kubectl autoscale 创建的样板 yaml 默认用的是 v1。

通常来说运行 Grafana 要预先定于数据源，指定 Prometheus 地址，但 kube-prometheus 已经把这些都配置好了，我们可以直接开箱即用。

Grafana 官网上有很多定义好的仪表盘，是一个类似 GitHub、DockerHub 的社区，可以任意下载，只需要输入数字编号就可以把仪表盘导入到本地。