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云原生监控 - VictoriaMetrics 之基础篇

VictoriaMetrics

说到云原生监控方案，第一时间基本上都会想到 Prometheus+AlertManager+Grafana 的一套成熟解决方案。 Prometheus 作为监控核心，具备强大的数据模型、高效率运作、丰富的监控能力、强大的查询语言 PromQL、 简单易用、管理方便等特点。但是 Prometheus 目前在高可用层面上做得还并不完美。为此，在开源社区中， 孕育出了许多替代、增强方案，VictoriaMetrics 属于其中较为优异的一个，是一个快速、经济高效且可扩展的监控解决方案和时间序列数据库。

七大特点

  1. 它可以作为 Prometheus 的长期储存，且支持 Prometheus 查询 API，可以在 Grafana 中用作 Prometheus 的代替品；
  2. 部署简单，无论是单节点版本还是集群版本，都只需要运行所需的组件可执行文件（每个组件都是一个可执行文件），运行前不需要安装任何依赖，易于设置和操作；
  3. 使用 vmbackup/vmrestore 工具可以轻松快速地将即时快照备份到 S3 或 GCS；
  4. 基于 PromQL 的查询语言实现 MetricsQL，对 PromSQL 进行改造；
  5. 读写性能比 InfluxDB 和 TimescaleDB 高达 20 倍；百万时间序列数据下，内存使用比 InfluxDB 少 10 倍， 比 Prometheus、Thanos 或 Cortex 少 7 倍；数据高压缩，与 Prometheus、Thanos 或 Cortex 相比，所需的存储空间最多可减少 7 倍；
  6. 具有高延迟 IO 和低 IOPS；
  7. 支持从第三方时序数据库获取数据源。

快速接入 Prometheus 获取数据源

数据源接入层面，VictoriaMetrics 支持通过 Prometheus 的远程写入方式直接兼容 Prometheus 的数据写入，同时也支持搜集多个 Prometheus 数据汇总。

remote_write:
  - url: http://<victoriametrics-addr>:8428/api/v1/write

# 多个proemtheus的话，需要配置每个Prometheus的标识符
global:
  external_labels:
    datacenter: dc-123

VictoriaMetrics 还支持直接取代 Prometheus 进行 exporter 搜集。

可以使用 -promscrape.config 配置 Prometheus 的 prometheus.yml

针对 Prometheus，VictoriaMetrics 进行了一些优化：

  1. 增加了 extra_label== 可选的查询支持，可用于基于额外标签进行查询过滤。 例如 /api/v1/query_range?extra_label=user_id=123&extra_label=group_id=456&query= ， 会返回额外标签中包含 {user_id="123",group_id="456"} 的结果；

  2. 增加了 extra_filters[]=series_selector 可选的查询支持，可用于基于拓展标签进行规则匹配的查询过滤。 例如 /api/v1/query_range?extra_filters[]={env=~"prod|staging",user="xyz"}&query= ， 会返回额外标签中包含 {env=~"prod|staging",user="xyz"} 的结果；

  3. 支持 “start“ 和 “end“，使用多种时间格式，如 1562529662.678、2022-03-29T01:02:03Z、2022-03、1h5m 等；

  4. 在 /api/v1/query“和“/api/v1/query_range 中增加了 round_digits 参数，它可用于将响应值四舍五入到小数点后给定的位数；

  5. 在 /api/v1/labels 和 /api/v1/label//values 中增加了 limit 参数，用于限制返回条目的数量；

  6. 在 /api/v1/series 中增加了 limit 参数，用于限制返回条目的数量；

  7. 新增 /api/v1/series/count ，返回数据库中时间序列的总数；

  8. 新增 /api/v1/status/active_queries ，返回当前正在运行的查询列表；

  9. 新增 /api/v1/status/top_queries ，返回 “topByCount“ 最常执行的查询； 返回 “topByAvgDuration“ 平均执行持续时间最长的查询；返回 “topBySumDuration“ 执行时间最长的查询。

除了支持 Prometheus 作为数据源外，VictoriaMetrics 还支持其他数据源：

  1. DataDog agent

  2. InfluxDB-compatible agents such as Telegraf

  3. Graphite-compatible agents such as StatsD

  4. OpenTSDB-compatible agents

架构

面对获取速率低于每秒一百万个数据点的场景下，官方建议使用单节点版本而不是群集版本。 单节点版本可以根据 CPU 内核、RAM 和可用存储空间的数量完美扩展。与群集版本相比， 单节点版本更易于配置和操作，因此在选择群集版本之前要三思。

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VictoriaMetrics 集群由以下服务组成：

  1. vmstorage，存储原始数据并返回给定标签过滤器的给定时间范围内的查询数据；

  2. vminsert，接受接收的数据，并根据 “度量名称及其所有标签” 计算出的哈希值，在 vmstorage 节点之间传播数据；

  3. vmselect，通过从所有配置的 vmstorage 节点获取所需数据来执行传入查询。

每个服务可以独立扩展，并且可以在最合适的硬件上运行。Vmstorage 节点不了解彼此，不相互通信， 也不共享任何数据。这是一个无共享架构，它提高了群集可用性，简化了群集维护和群集扩展。

VictoriaMetrics 在开源层面，提供以下组件：

  1. vmui：负责 vm 页面展示，提供数据查询、指标与基数查询、查询分析、链路分析、job 分析面板等功能；

  2. vmagent：负责数据采集、重新标记和过滤收集，并通过 Prometheus 协议将数据存储到 VictoriaMetrics 或其他支持 Prometheus 协议的存储系统中。支持按时间和标签聚合样本后同时复制多个远程存储系统， 且能在传输故障时缓存数据，等待恢复后继续传输；支持抓取暴露数百万时间序列的目标与写入多个租户中；支持 kafka 读写；

  3. vminsert：负责数据插入，支持不同格式、不同租户的数据；

  4. vmstorage：负责数据存储，具有高压缩率、低资源消耗、高性能的特点；

  5. vmselect：负责数据查询，支持数据统一查询与多租户数据隔离查询；

  6. vmalert：负责告警，和 Prometheus 一样支持纪录、告警两种规则配置与发送告警通知，允许在注解中使用 Go 模板来格式化数据、迭代或执行表达式，支持跨租户发送警报和记录规则

  7. vmbackup：负责数据备份，支持增量备份和全量备份，可以做到每小时、每天、每周和每月备份，支持本地存储、GCS、Azure Blob 存储、S3 存储、任何与 S3 兼容的存储；

  8. vmrestore：负责数据还原，支持随时中断与自动从断点恢复。

能力

保存

VictoriaMetrics 使用 “-retentionPeriod”命令行标志进行配置，该标志采用一个数字，后跟一个时间单位字符 “-h（ours）、d（ays）、w（eeks）、y（ears）”。如果未指定时间单位，则假定为月。例如，“-retentionPeriod=3” 表示数据将存储 3 个月，然后删除。默认保留期为一个月。

数据删除

VictoriaMetrics 除了支持配置定时过期外，还支持手动进行数据删除操作，使用 “:8428/api/v1/admin/tsdb/delete_series?match[>]=”。删除的时间序列的存储空间不会立即释放，而是在随后的数据文件后台合并过程中释放。请注意，对于前几个月的数据，后台合并可能永远不会发生，因此不会为历史数据释放存储空间。在这种情况下，强制合并可能有助于释放存储空间。

强制合并

VictoriaMetrics 会在后台以每个月为一个分区的形式进行数据压缩，以保持良好的性能。可以使用 “http://victoriametrics:8428/internal/force_merge?partition_prefix=YYYY_MM” 进行强制数据压缩，会以异步的形式，立马返回请求结果，并在后台执行数据压缩任务。当需要立即删除数据的时候，可以使用强制合并触发数据删除。

数据导入导出

VictoriaMetrics 支持使用专属 Agent 接口导入数据：

  1. Prometheus remote_write API

  2. DataDog submit metrics API

  3. Graphite plaintext protocol

  4. OpenTSDB telnet put protocol

  5. OpenTSDB http api/put protocol

支持使用 VictoriaMetrics 统一接口导入数据：

  1. /api/v1/import，导出 json 格式；

  2. /api/v1/import/csv，导出 csv 格式；

  3. /api/v1/import/native，导出二进制格式。

相对的，也可以使用导出接口导出数据：

  1. /api/v1/export，导出 json 格式；

  2. /api/v1/export/csv，导出 csv 格式；

  3. /api/v1/export/native，导出二进制格式。

VictoriaMetrics 接口侧，在导入、导出接口中，数据格式保持一致，可以直接使用导出的数据进行数据导入。

消除重复数据

VictoriaMetrics 会根据 “-dedup.minScrapeInterval” 配置的值进行去重，只留下一个原始样本， 保留配置周期中时间戳最大的数据。比如 “-dedup.minScrapeInterval=60s”，将会保留 60s 间隔中最大时间戳的单个原始样本。如果时间戳一致的情况下，随机保留数据。

多个相同配置的 vmagent 或 Prometheus 实例将数据写入同一 VictoriaMetrics 实例，则消除重复数据可减少磁盘空间的使用。

存储

VictoriaMetrics 将以类似 MergeTree 的数据结构存储时间序列数据。插入时，VictoriaMetrics 累积最多 1s 的数据，并将其转储到磁盘上的 storageDataPath>/data/small/YYYY_MM/ 子目录，形成具有以下名称模式的 part：“rowsCount_blocksCount_minTimestamp_maxTimestamp” 。 每个 part 由两个 “列” 组成：值和时间戳。这些是经过排序和压缩的原始时间序列值。 此外，part 包含索引文件，用于在值和时间戳文件中搜索特定 series。

part 会定期合并为较大的 part，生成的部分在 <-storageDataPath>/data/{small，big}/YYYY_MM/tmp 子目录下构造。 当生成的 part 完成后，它将自动从 tmp 移动到自己的子目录，而源部分将自动删除。最终结果是， 源部分被 <-storageDataPath>/data/{small，big}/YYYY_MM/ 目录中的单个较大部分替换。

如果 part 的摘要大小超过可用磁盘空间，VictoriaMetrics 不会合并部件。这可以防止合并过程中出现潜在的磁盘空间不足错误。 在可用磁盘空间不足的情况下，part 的数量可能会随着时间的推移而显著增加。这增加了数据查询期间的开销， 因为 VictoriaMetrics 每次请求都需要从更多的部分读取数据。这就是为什么建议在 “-storageDataPath” 命令行标志指示的目录下至少有 20% 的可用磁盘空间。

有关合并过程的信息支持在 Grafana 仪表板中查看。

合并过程提高了压缩率，并使磁盘上的部件数量保持相对较低。执行合并过程的好处如下：

  1. 它提高了查询性能，因为每次查询都会检查较少的部分；

  2. 它减少了数据文件的数量，因为每个部分都包含固定数量的文件。

存储或是合并，都不会只保存部分 part，part 会以数据整体的形式，要么被全部保存成功，要么全部失败。part 是不可变的。

监控

VictoriaMetrics 在 “/metrics” 页面以 Prometheus exposion 格式导出内部度量。 这些指标可以通过 vmagent 或 Prometheus 获取。或者，当 -selfScrapeInterval 命令行标志设置为持续时间大于 0 时，单节点 VictoriaMetrics 可以自抓取度量。

VictoriaMetrics 在 “/api/v1/status/active_queries“ 页面上公开当前正在运行的查询及其执行时间。

VictoriaMetrics 在 ”/api/v1/status/top_queries” 页面上公开了执行时间最长的查询。

TSDB 状态

VictoriaMetrics 以类似于 Prometheus 的方式在 “/api/v1/status/TSDB“ 页面返回 TSDB 统计信息：

  1. topN=N，其中 N 是响应数量。默认情况下，返回前 10 个；

  2. date=YYYY-MM-DD，其中 YYYY-MM-DD 是收集统计数据的日期。默认情况下，收集当天的统计数据；

  3. focusLabel=LABEL_NAME，返回 seriesCountByFocusLabelValue 列表中给定 LABEL_NAME 的时间序列数最多的标签值；

  4. match[]=SELECTOR，其中 SELECTOR 是一个任意时间序列选择器，用于在统计计算期间考虑序列。默认情况下，将考虑所有系列；

  5. extra_label=LABEL=VALUE，拓展标签筛选。

推指标

当出现无法拉取指标的场景下，VictoriaMetrics 支持以 Prometheus 数据格式的方式，通过 push 模式进行指标推送：

  1. -pushmetrics.url，推送地址，比如”-pushmetrics.url=http://victoria-metrics:8428/api/v1/import/prometheus“；

  2. -pushmetrics.extraLabel，拓展标签，支持以 label="value" 的形式给 push 数据增加标签；

  3. -pushmetrics.interval，push 周期，默认 10s。

缓存

VictoriaMetrics 使用各种内部缓存。在正常关机期间（例如，当 VictoriaMetrics 通过发送 SIGINT 信号停止时）， 这些缓存存储到 “<-storageDataPath>/cache” 目录中。缓存将在下次 VictoriaMetrics 启动时读取。 有时需要在下次启动时删除这些缓存。这可以通过在重启 VictoriaMetrics 之前将 reset_cache_on_startup 文件放置在“<-storageDataPath>/cache” 目录中来执行。

VictoriaMetrics 使用各种内存缓存来加快数据摄取和查询性能。每种类型缓存指标可以在 “/metrics” 页面导出：

  1. vm_cache_size_bytes，实际缓存大小；

  2. vm_cache_size_max_bytes，缓存大小限制；

  3. vm_cache_requests_total，对缓存的请求数；

  4. vm_cache_misses_total，缓存未命中数；

  5. vm_cache_entries，缓存中的条目数。

支持在 Grafana 仪表板上查看缓存指标，面板显示了每种类型缓存的当前内存使用情况，以及缓存命中率。如果命中率接近 100%，则缓存效率已经很高，不需要任何调整。

其他

支持众多 Prometheus 具备的功能，比如 Prometheus 的标签重写、联邦等功能。

与 Prometheus 对比

优势：

  1. 性能优势。在相同配置、采集压力的情况下，相比使用 Prometheus，存储空间最多可减少 7 倍， 磁盘读写峰值最多可减少 3-4 倍，内存使用最多减少 7 倍；

  2. 更优秀的横向拓展、高可用方案。VictoriaMetrics 集群模式，通过组件化各个能力，进行功能层面的架构解耦。 由于负责读写的 vmselect、vminsert 组件都是无状态组件，可以灵活根据读写压力，进行组件的横向扩缩容； 负责存储的 vmstorage 组件虽然是有状态组件，但是当存储压力增加时，同样支持横向扩容，扩容后只需要更新上下游的 vmselect、vminsert 组件配置并重启，即可提升 VictoriaMetrics 集群存储能力；采集压力的时候， 可以利用扩容 vmagent 与 vmagent 的采集分组能力，进行分散压力采集；

  3. 数据多租户能力。VictoriaMetrics 支持把不同类型的数据分别放到不同的租户里，每个租户通过 accountID 或 accountID:projectID 的形式，在请求的 url 里做区分。租户的数量不影响性能， 主要取决于所有租户的活跃总时间序列，每个租户的数据都均匀分布在后端 vmstorage 存储，但是不支持跨租户进行数据查询。

缺点：

  1. 没有类似 Prometheus 的 WAL 日志，突然故障可能会丢失部分数据。Prometheus 在接收到数据的时候， 会先把数据写入内存，定期再写入磁盘。为了防止写入磁盘前数据丢失，还会再写入内存的同时简单的写入 WAL 文件里，当出现故障时，就可以通过 WAL 快速恢复当前状态。而 VictoriaMetrics 则在写入过程中， 使用 Go 的 chan 作为数据缓存队列，多协程实现数据处理、压缩、存储等操作，故障下存在缓存数据丢失的情况；

  2. 为了更大程度优化存储，会选择丢失部分数据精度。Vmstorage 组件支持配置精度保存范围（1-64，64 表示不丢失），以此在数据读写过程中，提升速度。

安装

使用 helm 进行 VictoriaMetrics 集群模式的部署。

安装 helm，添加 chart helm 仓库：

helm repo add vm https://victoriametrics.github.io/helm-charts/
helm repo update

导出配置文件，并进行部署配置：

helm show values vm/victoria-metrics-cluster > values.yaml

可以使用以下命令进行配置检查：

helm install victoria-metrics vm/victoria-metrics-cluster -f values.yaml -n victoria-metrics --debug --dry-run

根据配置文件部署 victoria-metrics-cluster：

helm install victoria-metrics vm/victoria-metrics-cluster -f values.yaml -n victoria-metrics

稍等片刻 Helm 则会机提示安装成功，查询资源可以看到都已经部署起来了。

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使用

调整 victoria-metrics-victoria-metrics-cluster-vminsert 的 service 与 victoria-metrics-victoria-metrics-cluster-vmselect 的 service，从 ClusterIP 模式改成 NodePort 模式，提供对外访问能力。修改现有 Prometheus 的配置，增加：

remote_write:
  - url: http://IP:NodePort/insert/0/prometheus

把 Prometheus 的数据，写入 VictoriaMetrics，通过 VictoriaMetrics 的 UI 地址 http://IP:NodePort/select/0/vmui，即可查看 Prometheus 采集到的数据了。

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可以看出，两者数据基本一致。

参考资料：https://docs.victoriametrics.com/

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