监控系统经典架构详解

要了解一个监控系统那么我们就先要了解他的架构，看看监控系统是由哪些模块组成，各个模块是如何相互协调。我们将众多主流监控系统架构进行逻辑抽象和概括。

典型架构

从上图（监控系统经典架构图）来看，从左往右，采集器是负责采集监控数据的，采集到数据化传输到服务端，这些通常是写入时序库，然后就是对时序库中的数据进行分析和可视化，分析部分最经典做法就是告警规则判断（复杂一些的做会引入统计算法和机器学习的能力做预判），也就是上图中的告警引擎，告警引擎产生告警事件之后交给告警发送模块做不同媒介的通知。可视化就比较好理解，即图上的数据展示，通过各种图表来合理地渲染各类监控数据，便于用户查看比较、日常巡检。

下面我们来详细介绍一下每个模块的职能和设计。

采集器

采集器负责采集监控数据，有两种典型部署方式，一种是跟随监控对象部署，常见做法是所有机器都部署一个采集器采集机器的 CPU、内存、硬盘、IO、网络相关的指标；另一种是远程探针式，比如选取一个中心机器做探针，同时探测很多个机器的 PING 连通性，或者连到很多 MySQL 实例上去，执行命令采集数据。

下面我们就介绍几个典型的开源采集器：

Telegraf

Telegraf 是 InfluxData 公司的产品，开源协议是 MIT，非常开放，有很多外部贡献者，主要配合 InfluxDB 使用。当然，Telegraf 也可以把监控数据推给 Prometheus、Graphite、Datadog、OpenTSDB 等很多其他存储，但和 InfluxDB 的对接是最丝滑的。

InfluxDB 支持存储字符串，而 Telegraf 采集的很多数据都是字符串类型，但如果把这类数据推给 Prometheus 生态的时序库，比如 VictoriaMetrics、M3DB、Thanos 等，它就会报错。因为这些时序库只能存储数值型时序数据。另外，Telegraf 采集的很多数据在成功和失败的时候会打上不同的标签，比如成功的时候会打上 result=success 标签，失败的时候打上 result=failed 标签。

在 InfluxDB 中这种情况是可以的，但是在 Prometheus 生态里，标签变化就表示不同的指标，这种情况我叫它标签非稳态结构，使用 Prometheus 生态的时序库与 Telegraf 对接时需要把这类标签丢弃掉。

Telegraf 是指标领域的 All-In-One 采集器，支持各种采集插件，只需要使用 Telegraf 这一个采集器，就能解决绝大部分采集需求

Exporters

xporter 是专门用于 Prometheus 生态的组件，Prometheus 生态的采集器比较零散，每个采集目标都有对应的 Exporter 组件，比如 MySQL 有 mysqld_exporter，Redis 有 redis_exporter，交换机有 snmp_exporter，JVM 有 jmx_exporter。

这些 Exporter 的核心逻辑，就是去这些监控对象里采集数据，然后暴露为 Prometheus 协议的监控数据。比如 mysqld_exporter，就是连上 MySQL，执行一些类似于 show global status 、show global variables 、show slave status 这样的命令，拿到输出，再转换为 Prometheus 协议的数据；还有 redis_exporter，它是连上 Redis，执行一些类似于 info 的命令，拿到输出，转换为 Prometheus 协议的数据。

随着 Prometheus 的影响越来越大，很多中间件都内置支持了 Prometheus，直接通过自身的 /metrics 接口暴露监控数据，不用再单独伴生 Exporter，简化了架构。比如 Kubernetes 中的各类组件：kube-apiserver、kube-proxy、kube-scheduler 等等，比如 etcd，还有新版本的 ZooKeeper、 RabbitMQ、HAProxy，都可以直接暴露 Prometheus 协议的监控数据，无需 Exporter。

不管是 Exporter 还是直接内置支持 Prometheus 协议的各类组件，都提供 HTTP 接口（通常是 /metrics ）来暴露监控数据，让监控系统来拉，这叫做 PULL 模型。而像 Telegraf 那种则是 PUSH 模型，采集了数据之后调用服务端的接口来推送数据。

Grafana-Agent

Grafana-Agent 是 Grafana 公司推出的一款 All-In-One 采集器，不但可以采集指标数据，也可以采集日志数据和链路数据。开源协议是 Apache 2.0，比较开放。

Grafana-Agent 作为后来者，是如何快速集成各类采集能力的呢？Grafana-Agent 写了个框架，方便导入各类 Exporter，把各个 Exporter 当做 Lib 使用，常见的 Node-Exporter、Kafka-Exporter、Elasticsearch-Exporter、Mysqld-Exporter 等，都已经完成了集成。这样我们就不用到处去找各类 Exporter，只使用 Grafana-Agent 这一个二进制就可以搞定众多采集能力了。

Grafana-Agent 这种集成 Exporter 的方式，完全兼容 Exporter 的指标体系，比如 Node-Exporter。如果我们的场景不方便使用 PULL 的方式来抓取数据，就可以换成 Grafana-Agent，采用 PUSH 的方式推送监控数据，完全兼容 Node-Exporter 的指标。当然，Exporter 种类繁多，Grafana-Agent 不可能全部集成，对于默认没有集成进去的 Exporter，Grafana-Agent 也支持用 PULL 的方式去抓取其他 Exporter 的数据，然后再通过 Remote Write 的方式，将采集到的数据转发给服务端。

对于日志采集，Grafana-Agent 集成了 Loki 生态的日志采集器 Promtail。对于链路数据，Grafana-Agent 集成了 OpenTelemetry Collector。相当于把可观测性三大支柱的采集能力都建全了。一个 Agent 搞定所有采集能力有个显而易见的好处，就是便于附加一些通用标签，比如某个机器的所有可观测性数据，都统一打上机器名的标签，后面就可以使用这种统一的标签做关联查询，这个关联能力是这类 All-In-One 采集器带来的最大好处。

采集器采集到数据之后，要推给服务端。通常有两个做法： 一个是直接推给时序库，一个是先推送给kafka，再经由kafka写到时序库.如果复杂场景我们还可以在kafka和时序库之间加一个流式计算引擎，比如 Flink，做一些预聚合计算。

时序库

监控系统的架构中，最核心的就是时序库。老一些的监控系统直接复用关系型数据库，比如 Zabbix 直接使用 MySQL 存储时序数据，MySQL 擅长处理事务场景，没有针对时序场景做优化，容量上有明显的瓶颈。Open-Falcon 是用 RRDtool 攒了一个分布式存储组件 Falcon-Graph，但是 RRDTool 本身的设计就有问题，散文件很多，对硬盘的 IO 要求太高，性能较差。Falcon-Graph 是分布式的，可以通过堆机器来解决大规模的问题，但显然不是最优解。

后来，各种专门解决时序存储问题的数据库横空出世，比较有代表性的有：OpenTSDB、InfluxDB、TDEngine、M3DB、VictoriaMetrics、TimescaleDB 等。下面我们逐一介绍一下。

OpenTSDB

OpenTSDB 出现得较早，2010 年左右就有了，OpenTSDB 的指标模型有别于老一代监控系统死板的模型设计，它非常灵活，给业界带来了非常好的引导。

OpenTSDB 是基于 HBase 封装的，后来持续发展，也有了基于 Cassandra 封装的版本。你可以看一下它的架构图。

由于底层存储是基于 HBase 的，一般小公司都玩不转，在国内的受众相对较少，当下再选型时序数据库时，就已经很少有人会选择 OpenTSDB 了。

InfluxDB

InfluxDB 来自 InfluxData，是一个创业公司做的项目，2019 年 D 轮融资 6000 万美金，所以开发人员不担心养家糊口的问题，做的产品还是非常不错的。

InfluxDB 针对时序存储场景专门设计了存储引擎、数据结构、存取接口，国内使用范围比较广泛，而且 InfluxDB 可以和 Grafana、Telegraf 等良好整合，生态是非常完备的。不过 InfluxDB 开源版本是单机的，没有开源集群版本。毕竟是商业公司，需要赚钱实现良性发展，这个点是需要我们斟酌的。

TDEngine

TDEngine 姑且可以看做是国产版 InfluxDB，GitHub 的 Star 数上万，针对物联网设备的场景做了优化，性能很好，也可以和 Grafana、Telegraf 整合，对于偏设备监控的场景，TDEngine 是个不错的选择。

TDEngine 的集群版是开源的，相比 InfluxDB，TDEngine 这点很有吸引力。TDEngine 不止是做时序数据存储，还内置支持了流式计算，可以让用户少部署一些组件。

你可能比较关注 TDEngine 是否可以和 Prometheus 生态良好打通。通过 TDEngine 的官网可以得知，TDEngine 是支持 Prometheus 的 remote_read 和 remote_write 接口的。不过不支持 Prometheus 的 Query 类接口，这点需要注意。

M3DB

M3DB 是来自 Uber 的时序数据库，M3 声称在 Uber 抗住了 66 亿监控指标，这个量非常庞大。而且 M3DB 是全开源的，包括集群版，不过架构原理比较复杂，CPU 和内存占用较高，在国内没有大规模推广起来。M3DB 的架构代码中包含很多分布式系统设计的知识，是个可以拿来学习的好项目。

VictoriaMetrics

VictoriaMetrics，简称 VM，架构非常简单清晰，采用 merge read 方式，避免了数据迁移问题，搞一批云上虚拟机，挂上云硬盘，部署 VM 集群，使用单副本，是非常轻量可靠的集群方式。

架构图如下：

VM 实现了 Prometheus 的 Query 类接口，即 /api/v1/query、/api/v1/query_range、/api/v1/label//values 相关的接口，是 Prometheus 一个非常好的 Backend，甚至可以说是 Prometheus 的一个替代品。其实 VM 的初衷就是想要替换掉 Prometheus 的。

TimescaleDB

TimescaleDB 是 timescale.inc 开发的一款时序数据库，作为一个 PostgreSQL 的扩展提供服务。

它是基于 PostgreSQL 设计而成的，而 PostgreSQL 生态四十年的积累，就是巨人的肩膀，很多底层的工作 PostgreSQL 其实已经完成了。就拿保障数据安全来说吧，因为程序可能随时会崩溃，服务器可能会遇到电源问题或硬件故障，磁盘可能损坏或者夯住，这些极端场景都需要完善的解决方案来处理。PostgreSQL 社区已经有了现成的高可用特性，包括完善的流复制和只读副本、数据库快照功能、增量备份和任意时间点恢复、wal 支持、快速导入导出工具等。而其他时序库，这些问题都要从头解决。

但是传统数据库是基于 btree 做索引的，数据量到百亿或者千亿行，btree 会大到内存都存不下，产生频繁的磁盘交换，数据库性能会显著下降。另外，时序数据的写入量特别大，PostgreSQL 面对大量的插入，性能也不理想。TimescaleDB 就要解决这些问题。目前 Zabbix 社区在尝试对接到 TimescaleDB，不过国内应用案例还比较少。

告警引擎

告警引擎的核心职责是处理告警规则，生成告警事件。通常来说，用户会配置数百甚至数千条告警规则，一些超大型公司可能需要配置数万条告警规则。每个规则里含有数据过滤条件、阈值、执行频率等，有一些配置丰富的监控系统，还支持配置规则生效时段、持续时长、留观时长等。

告警引擎通常有两种架构，一种是数据触发式，一种是周期轮询式。

数据触发式，是指服务端接收到监控数据之后，除了存储到时序库，还会转发一份数据给告警引擎，告警引擎每收到一条监控数据，就要判断是否关联了告警规则，做告警判断。因为监控数据量比较大，告警规则的量也可能比较大，所以告警引擎是会做分片部署的，即部署多个实例。这样的架构，即时性很好，但是想要做指标关联计算就很麻烦，因为不同的指标哈希后可能会落到不同的告警引擎实例。

ps； 分片的常见做法是根据指标标识做哈希。

周期轮询式，架构简单，通常是一个规则一个协程，按照用户配置的执行频率，周期性查询判断即可，因为是主动查询的，做指标关联计算就会很容易。像 Prometheus、Grafana 等，都是这样的架构。

生成事件之后，通常是交给一个单独的模块来做告警发送，这个模块负责事件聚合、收敛，根据不同的条件发送给不同的接收者和不同的通知媒介。告警事件的处理，是一个非常通用的需求，而且非常零碎、复杂，每个监控系统都去实现一套，通常不会做得很完备。于是就有了专门处理这类需求的产品，最典型的比如 PagerDuty ，可以接收各类事件源的事件，用户就只需要在 PagerDuty 做 OnCall 响应即可，非常方便。

数据展示

监控数据的可视化也是一个非常通用且重要的需求，业界做得最成功的当数 Grafana。Grafana 采用插件式架构，可以支持不同类型的数据源，图表非常丰富，基本可以看做是开源领域的事实标准。很多公司的商业化产品中，甚至直接内嵌了 Grafana，可见它是多么流行。当然，Grafana 新版本已经修改了开源协议，使用 AGPLv3，这就意味着如果某公司的产品基于 Grafana 做了二次开发，就必须公开代码，有些厂商想要 Fork Grafana，然后进行闭源商业分发，就行不通了。

监控数据可视化，通常有两类需求，一个是即时查询，一个是监控大盘（Dashboard）。即时查询是临时起意，比如线上有个问题，需要追查监控数据，还原现场排查问题，这就需要有个方便我们查看的指标浏览功能，快速找到想要的指标。监控大盘通常用于日常巡检和问题排查，由资深工程师创建，放置了一些特别值得重点关注的指标，一定程度上可以引发我们思考，具有很强的知识沉淀效果。如果想要了解某个组件的原理，这个组件的监控大盘通常可以带给你一些启发。

总结：

我们回顾一下监控系统经典架构各个功能模块的职能。

• 采集器：用于收集监控数据，业界有不少开源解决方案，大同小异，总体分为推拉两种模式，各有应用场景。Telegraf、Exporters 用得最广泛，Grafana-Agent 是后来者。
• 时序库：用于存储时序数据，有很多开源方案可供选择。如果规模比较小，1000 台机器以下，通常一个单机版本的 Prometheus 就够用了。如果规模再大一些，建议你考虑 VictoriaMetrics，毕竟架构简单，简单的东西可能不完备，但是出了问题容易排查，更加可控。
• 告警引擎：用于做告警规则判断，生成告警事件。这是监控系统的一个重要组成部分，通常是基于固定阈值规则来告警。同时我司进行了些关于利用统计算法和机器学习做告警预判的尝试。
• 数据展示：用于渲染展示监控数据

如下是我们总结的脑图