监控系统设计

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本文为个人对监控系统的设计调研后的总结及个人理解，如有偏差，欢迎指正。

监控系统是企业运维系统中非常重要的一环，一个强大成熟的监控系统，能够对所有业务系统的稳定运行提供保障。

功能模块

一个完整的监控系统，应该包含如下功能模块:

数据上报

监控的第一环，也就是监控指标的采集，在一个复杂的系统中，可能会有非常多的监控指标由不同种类的采集端进行采集，这时就需要有一个数据上报服务，所有采集端采集到的指标，统一上报到这个服务，再经由数据上报服务，对将数据提供给 tsdb、后端存储、告警判定等模块进行加工和消费。
一个好的数据上报模块，需要有标准化的灵活的数据模型，这样才能兼容大量的复杂的监控指标和采集方式，才能对后面的数据展示和告警策略配置提供更丰富的数据支持。以 open-falcon 为例，它采用和 opentsdb 相同的数据格式：metric、endpoint 加多组 key value tags，如下示例：

{
    metric: load.1min,
    endpoint: open-falcon-host,
    tags: srv=falcon,idc=aws-sgp,group=az1,
    value: 1.5,
    timestamp: `date +%s`,
    counterType: GAUGE,
    step: 60
}
{
    metric: net.port.listen,
    endpoint: open-falcon-host,
    tags: port=3306,
    value: 1,
    timestamp: `date +%s`,
    counterType: GAUGE,
    step: 60
}

这种多组 tag 的形式能够为数据提供更多维度的信息。需要注意的是，tag 的定义也需要有标准的规范，随意、不规范的 tag 定义，可能会给后续的存储组件造成极大的压力。
另外，还需考虑监控数据获取模式，一般有推和拉两种模式。

• 大部分已有监控平台如 open-falcon 都采用推模式。这种模式好处是实时性好，并且能够很容器的实现采集端的自动发现(只要起了采集的agent)，采集到的数据直接推送给上报服务，但是缺点是对上报服务压力很大，全量的数据实时推送给上报服务，数据量大的时候很容易造成服务端压力过大，一般的解决方法是在前面加一个消息队列来作限流，减小服务端压力，但是同时也牺牲了部分的实时性。
• 典型的采用拉模式的获取数据的就是 prometheus。这种模式的好处是服务端可以很方便的配置自己需要拉取的数据，并提前知道自己所需要获取的数据量级，不易于出现意外的压力过大的情况，并且可以通过 联邦集群 的模式，来相对容易的实现压力分担和高可用。最大的缺点就是非实时性，采集到的信息的时间取决于 pull 的时间间隔。
  最后，好的上报服务，还需考虑对采集端的支持，尽量通用并易于扩展。

数据存储

监控数据的存储，自己实现的话，成本和复杂度都很高，目前开源社区已经有很多成熟的产品，可以根据自己的需求进行选择。
首先，需要时序数据库来存储采集到的实时监控信息，并尽可能基于其功能支持可能的实时数据绘图功能，目前主流的选择有 prometheus, influxdb, opentsdb。
另外，还需根据需要选择存储监控信息归档数据的存储系统，实时信息数据量非常庞大，不可能全量存储，这是就需要对数据进行选择性的处理并归档存储。简单的可以选择基于 mysql/redis 等关系数据库加缓存的方式自己开发实现，贴近业务。数据量大、复杂的系统可以选在类似 elasticsearch 等搜索和数据分析引擎，来支持更复杂的需求和庞大的数据量。
仍以 open falcon 为例，选用了时序数据库 opentsdb，并自研了高性能数据存储、归档、查询组件 graph，采用 rrdtool 的数据归档策略，对实时数据进行采样、归档，存储到 graph 中，同时为了不丢失信息量，数据归档的时候，会按照平均值采样、最大值采样、最小值采样存三份。

告警

准确的告警判定，灵活的告警策略配置，以及丰富的告警渠道，是最终体现监控系统能力的最直接的方式。
告警判定，获取告警的规则配置和对应的监控数据，来判断是否需要告警，并通知相应的告警渠道来出发告警。视系统规模和场景而定，大规模复杂的系统，可以考虑借助消息队列等中间件，避免告警信息的丢失，更复杂的情况，可以参考一些开源规则引擎的实现，避免因判定阶段的效率低下，影响告警触发的及时性,同样可参考 open falcon 的 judge 模块。
策略配置，对于告警策略，要尽量灵活，结合多 tag 的数据模型，可以定制出非常灵活的告警策略。另外，对于告警级别，告警合并，告警抑制，告警恢复，告警升级的支持，在设计阶段都要考虑在内，策略配置的设计较为通用，有很多前人的经验可以直接借鉴，可以参考如 open falcon 的业界较为成熟的监控系统。
告警渠道，即发送告警的通道，常见的有邮件，IM(钉钉/企业微信等)，短信，电话等，还要考虑
web hook 的支持，便于对接其他的系统。另外，告警渠道最好设计为可插拔易扩展的 plugin 模式，便于后续更多自定义渠道的添加。

dashboard 展示 (绘图)

另一个直观体现监控平台能力的功能，就是绘图展示。监控采集的大量的数据，除了用于告警，用户不可能逐条查看，用户查看监控数据最主要的途径就是绘制监控图表。绘图能力，非常依赖数据储存，一般有实时信息图和历史信息图两种。
针对实时信息，一般直接从 tsdb 中获取数据直接进行绘图展示，这里对 tsdb 的性能及监控数据的数据模型都有很高的要求，tsdb 一般选择开源产品，对一般团队来说，能够优化的空间已经有限。而数据模型方面的优化，其实也相当重要。
例如，对于 influxDB 数据定义时的一个字段是定义成 tag 还是 field，对于后续的写入和读取性能，都有很大的影响；现在社区更加活跃的 prometheus，一个字段是否应该定义称 label，对性能的影响也很大，例如将一个值几乎不会重复的字段设为label，那么当数据量上来时，对性能的影响将非常严重，如果刚好对应的数据已经被多个系统所依赖，那么这种情况更加是灾难性的，所以，设计阶段将数据模型及规范设计好，是非常重要的一环。
针对历史信息，就需要从归档存储来读取信息。这里存储的性能，数据搜索和分析能力，归档采样的策略对历史信息的绘图能力都有很大的影响。对一般团队来说，这里比较需要关注的地方，一个是合适的存储的选型(自研的成本较高)，另一个就是采样策略的选择，最简单的就是每隔一个固定时间段进行采样，为了避免极端数据，可以根据业务场景选取平均值/最大值/最小值采样。
另外，绘图作为使用频率最高的功能，设计上还需要尽可能用户友好，操作简单，可以加入考虑一些实用的小功能，如对比，分享等。

其他

监控的数据，如告警次数、资源使用率等，很有可能会作为部门运营分析数据的一部分，所以数据对于运营分析等其他系统的数据支持能力，也是可能需要考虑的一部分。
其他基础系统如发布平台/云管平台等可能和监控系统有所交互或影响的系统的对接。如云管平台下线虚拟机，如果监控平台不知情，就可能触发不必要的告警。

能力要求

基于以上功能模块，对于一个监控平台，有以下的基本的能力要求：

• 各个组件的水平扩展能力，保证每个组件的高可用，以及资源不足时可随时扩容
• 统一标准化数据模型
• 插件化的数据采集能力，基于标准化的数据模型，任意用户都可以自己开发扩展数据的采集端
• 灵活的告警配置和丰富的告警渠道
• 高性能的查询/绘图能力，这一能力同时要求了数据存储能力
• 外部系统数据及 API 支持

架构设计

open falcon 架构：

基本 open falcon 的架构已经基本满足一个复杂的监控系统所需要考虑的大部分因素，从头开始设计的话，可以参考 open falcon 的架构并结合自身业务场景进行设计。
对于规模没有那么大的团队，可按需合并或减少不分组件，并以一些更加活跃的开源产品替代其中自研的组件。当然，满足需求的话，完全可以直接使用 open falcon 作为监控平台。

参考：
http://book.open-falcon.com/zh_0_2/intro/

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