在Kubernetes中从零打造可观测性
作者：乔克译 2023-03-08 17:33:36
云计算
云原生 我们使用Start.spring.io创建一个Java spring boot项目，它可以帮我们快速创建一个Java项目，并且支持在项目中添加依然和其他配置。
在这篇文章中，我们将在Kubernetes中使用Grafana、Prometheus、Loki、Tempo、OpenTelemetry来搭建可观测性平台。其中Grafana作为操作面板，Prometheus、Loki、Tempo作为数据源，分别用来获取指标、日志以及跟踪数据。同时，我们还将使用Exemplars将trace_id与Java指标相关联，使用OpenTelemetry对应用进行检测。
在开始之前，先简单介绍一下这些开源工具。
- OpenTelemetry：它是CNCF的 开源产品，通过使用代理来收集指标、日志和链路，然后将它们发送给其他工具，它支持多种语言集成，并且有很大的仪表功能。
- Prometheus：CNCF的毕业产品，是目前主流的监控工具之一。
- Examplars：它可以将trace_id和metrics联系起来，可以帮助我们通过指标获取到具体日志以及链路状况，通常和Prometheus配合工作。
- Promtail：日志收集工具，将日志发送到Loki。
- Loki：收集并处理日志，并且支持通过LogQL来查询日志，其语法和PromQL类似
- Tempo：接收OpenTelemetry的数据，并且可以通过Jaeger将其可视化
- Grafana：支持多种数据源的可视化面板
准备后端应用程序
在这个示例中，我们将使用java spring boot项目作为例子。
首先，我们使用start.spring.io创建一个java spring boot项目，它可以帮我们快速创建一个Java项目，并且支持在项目中添加依然和其他配置。
其中：
- 使用Gradle作为构建自动化工具
- 使用2.7版本的Spring Boot
- 使用JAR作为包构建格式
- 使用JDK11
当完成配置并生成之后，就可以将其压缩包下载下来并用IDE打开。
我们先配置build.gradle，确保所有依赖是没问题的。
plugins {
id'org.springframework.boot'version'2.7.0'
id'io.spring.dependency-management'version'1.0.11.RELEASE'
id'java'
}
repositories {
maven {
url=uri('https://repo.spring.io/libs-snapshot')
}
mavenCentral()
}
dependencyManagement {
imports {
mavenBom'io.micrometer:micrometer-bom:1.9.0-SNAPSHOT'
}
}
dependencies {
implementation'org.springframework.boot:spring-boot-starter-actuator'
implementation'io.micrometer:micrometer-registry-prometheus:1.9.0'
implementation'org.springframework.boot:spring-boot-starter-web'
implementation'io.opentelemetry:opentelemetry-api:1.12.0'
}
tasks.named('test') {
useJUnitPlatform()
}
group='com.staz'
version='0.0.1-SNAPSHOT'
sourceCompatibility='11'
然后我们将创建一个控制器类Controller.java，有两个端点：/fail 和 /success。该文件必须位于${project}/src/main/java/com/staz/observability/的路径下。
package com.staz.observability;
import org.springframework.web.bind.annotation.GetMapping;
import org.springframework.web.bind.annotation.PostMapping;
import org.springframework.web.bind.annotation.RestController;
@RestController
public class Controller {
@PostMapping("/fail")
public String fail() {
return "Fail!";
}
@GetMapping("/success")
public String success() {
return "Success!";
}
}
为了将metrics和trace_id关联起来，我们需要在${project}/src/main/java/com/staz/observability/路径下创建一个公共配置类PrometheusExemplarConfiguration.java。
package com.staz.observability;
import io.micrometer.core.instrument.Clock;
import io.micrometer.prometheus.PrometheusConfig;
import io.micrometer.prometheus.PrometheusMeterRegistry;
import io.opentelemetry.api.trace.Span;
import io.prometheus.client.CollectorRegistry;
import io.prometheus.client.exemplars.DefaultExemplarSampler;
import io.prometheus.client.exemplars.tracer.otel_agent.
OpenTelemetryAgentSpanContextSupplier;
import org.springframework.context.annotation.Bean;
import org.springframework.context.annotation.Configuration;
@Configuration
public class PrometheusExemplarConfiguration {
@Bean
public PrometheusMeterRegistry prometheusMeterRegistryWithExemplar
(PrometheusConfig prometheusConfig, CollectorRegistry collectorRegistry,
Clock clock) {
return new PrometheusMeterRegistry(prometheusConfig, collectorRegistry,
clock, new DefaultExemplarSampler(new OpenTelemetryAgentSpanContextSupplier() {
@Override
public String getTraceId() {
if (!Span.current().getSpanContext().isSampled()) {
return null;
}
return super.getTraceId();
}
})
);
}
}
最后，编辑${project}/src/main/resources/目录下的配置文件application.yml:
# Enable Actuator endpoints including Prometheus
management:
endpoints:
web:
exposure:
include: health, info, prometheus
metrics:
# Exemplar metrics
distribution:
percentiles-histogram:
http.server.requests: true
minimum-expected-value:
http.server.requests: 5ms
maximum-expected-value:
http.server.requests: 1000ms
# Add trace_id in log. OpenTelemetry set this value using logger-mdc.
# https://github.com/open-telemetry/opentelemetry-java-instrumentation/blob/main/docs/logger-mdc-instrumentation.md
logging:
pattern:
level: '%prefix(%mdc{trace_id:-0}) %5p'
如果想要在本地运行项目，需要下载OpenTelemetry Agent，该项目中使用的版本是1.12.1。
准备工作做完过后，我们在本地来测试一下。
首先，使用gradle build -x test编译项目。
然后使用以下命令启动：
java -javaagent:opentelemetry-javaagent.jar -Dspring.config.locatinotallow=src/main/resources/application.yml -jar build/libs/observability-0.0.1-SNAPSHOT.jar
然后可以使用htttp://localhost:8080/fail和htttp://localhost:8080/success进行访问测试。
再来使用localhost:8080/actuator/prometheus来验证Prometheus指标是否有效。
最后，验证metrice和trace_id的关联情况。
curl -H 'Accept: application/openmetrics-text; versinotallow=1.0.0; charset=utf-8' http://localhost:8080/actuator/prometheus | grep trace_id
我们的Spring Boot应用程序已经准备好了，现在我们需要安装观察性工具。在此之前，我们会在本地创建一个K3s集群，所有的软件都将部署到里面。
容器化应用程序
首先，在项目根目录创建一个Dockerfile，内容如下：
# Download OpenTelemetryAgent
FROM curlimages/curl:7.81.0 AS OTEL_AGENT
ARG OTEL_AGENT_VERSION="1.12.1"
RUN curl --silent --fail -L "https://github.com/open-telemetry/opentelemetry-java-instrumentation/releases/download/v${OTEL_AGENT_VERSION}/opentelemetry-javaagent.jar" \
-o "/tmp/opentelemetry-javaagent.jar"
# Build .JAR file
FROM gradle:7.1.1-jdk11-hotspot AS BUILD_IMAGE
COPY --chown=gradle:gradle . /home/gradle/src
WORKDIR /home/gradle/src
RUN gradle build -x test --no-daemon
# Final image copying OTEL Agent and .JAR File
FROM gradle:7.1.1-jdk11-hotspot
ENV TIME_ZONE America/Lima
ENV TZ=$TIME_ZONE
ENV JAVA_OPTS "-Dspring.config.locatinotallow=src/main/resources/application.yml"
COPY --from=OTEL_AGENT /tmp/opentelemetry-javaagent.jar /otel-javaagent.jar
COPY --from=BUILD_IMAGE home/gradle/src/build/libs/*.jar app.jar
ENTRYPOINT exec java -javaagent:/otel-javaagent.jar -jar app.jar
使用以下命令构建并测试：
$ docker build --no-cache -t otel-springboot-prometheus .
$ docker run -it -p 8080:8080 otel-springboot-prometheus
待容器启动过后，使用http://localhost:8080/success验证是否可以正常使用。
创建单节点集群
首先，使用multipass创建一个Ubuntu实例：
$ multipass launch --name demo --mem 4G --disk 20G
然后登录实例：
$ multipass shell demo
可以通过sudo su命令验证是否正确进去Ubuntu实例。
其次，使用以下命令安装K3s：
$ curl -sfL https://get.k3s.io | sh -
集群创建完成后，将KUBECONFIG添加到环境变量。
$ export KUBECONFIG=/etc/rancher/k3s/k3s.yaml
检查集群是否正常运行。
$ kubectl cluster-info
然后，安装Helm，后续都将使用它来安装应用软件。
$ snap install helm --classic
将K3s的KUBECONFIG拷贝到~/.kube/config目录下。
$ kubectl config view --raw > ~/.kube/config
最后，检查Helm是否能正常工作。
$ helm
部署可观测性组件
在该阶段，我们将使用Helm部署Prometheus、Promtail、Loki、Tempo以及Grafana，最后部署应用并验证。
以上应用都将部署到K3s中。
首先，从仓库把需要的manifests克隆下来。
$ git clone https://github.com/stazdx/otel-springboot-grafana-tools.git
$ cd otel-springboot-grafana-tools/kubernetes
然后，添加Helm仓库。
$ helm repo add grafana https://grafana.github.io/helm-charts
$ helm repo update
最后，创建一个namespace，所有应用都部署到该namespace下。
$ kubectl create ns observability
部署Promtail
使用以下命令进行部署：
$ cd promtail
$ helm upgrade --install promtail grafana/promtail -n observability -f promtail.yaml
注意检查Promtail所指向的Loki地址。
部署Loki
部署命令如下：
$ helm upgrade --install loki grafana/loki-distributed -n observability
loki-loki-distributed-gateway这个Service非常重要，Promtail将向它发送数据，Grafana将通过它获取数据。
部署Tempo
首先，进入Tempo清单所在的目录：
$ cd ../tempo
在安装Tempo之前，我们需要先安装minio，命令如下：
$ kubectl apply -f minio.yaml
Minio被部署在default命名空间中，因为它是一个更通用的对象存储工具，而不是直接用于观察性。
现在，使用以下命令部署Tempo：
$ helm upgrade --install tempo grafana/tempo-distributed -n observability -f tempo.yaml
!! Grafana将通过_tempo-tempo-distributed-query-frontend:3100_来获取数据。
部署Prometheus和Grafana
Prometheus和Grafana直接使用官网仓库进行部署。
首先，添加Helm仓库。
$ helm repo add prometheus-community https://prometheus-community.github.io/helm-charts
$ helm repo update
然后，使用仓库清单进行部署。
$ cd ../prometheus-grafana
$ helm dependency update
helm upgrade --install kube-prometheus-stack -n observability .
检查Deployments
使用Helm命令查看部署的所有应用。
$ helm ls -n observability
然后，使用kubectl检查应用是否都启动成功。
$ kubectl get po -n observability
检查Service是否正常。
$ kubectl get svc -n observability
我们看到所有应用都正常部署完成。
部署后端应用
直接到仓库目录清单部署即可。
$ cd ../springboot-app
需要注意的是，为了能够让Prometheus能够正常抓取指标，我们需要添加以下Annotations。
annotations:
# Annotations for Prometheus - scrape config
prometheus.io/path: '/actuator/prometheus'
prometheus.io/port: 'actuator'
prometheus.io/scrape: 'true'
另外一个重要的配置就是OpenTelemetry配置，如下：
env:
- name: SERVER_PORT
value: '8080'
- name: MANAGEMENT_SERVER_PORT
value: '8081'
# Setting OTEL_EXPORTER_METRICS: none - Default: OTLP
- name: OTEL_METRICS_EXPORTER
value: none
- name: OTEL_TRACES_EXPORTER
value: otlp,logging
# Setting Tempo Distributor Service using GRPC Port -> 4317
- name: OTEL_EXPORTER_OTLP_ENDPOINT
value: http://tempo-tempo-distributed-distributor.observability.svc.cluster.local:4317
- name: OTEL_SERVICE_NAME
value: springboot-app
- name: KUBE_POD_NAME
valueFrom:
fieldRef:
fieldPath: metadata.name
- name: OTEL_RESOURCE_ATTRIBUTES
value: app=springboot-app
最后，我们有一个包含Spring Boot的Grafana仪表盘的配置图，这将使我们能够通过请求延迟等指标看到Exemplar与Tempo的关联。
配置检查无误后，就可以进行部署了。
$ kubectl apply -f springboot-app.yaml
检查应用是否部署成功。
$ kubectl get deploy,svc,cm -l app=springboot-app
接口测试
首先，测试/fail接口：http://{external-ip}:8080/fail。
然后，测试/success接口：http://{external-ip}:8080/success。
最后，测试/actuator/prometheus接口：http://{external-ip}:8081/actuator/prometheus。
可以看到所有接口返回正常。
Grafana测试
上面以及完成了所有的配置，接下来就在Grafana中验证是否能够正常使用。
首先，获取Grafana的访问地址。
$ kubectl get svc -n observability
在浏览器输入地址http://{external-ip}:32656。
然后，添加数据源。
我们把Prometheus、Loki以及Tempo数据源都添加上。
其中，Prometheus的配置如下：
!! 可以看到Prometheus和Tempo通过Exemplars进行关联了。
Loki的配置如下：
!! 可以看到Loki和Tempo通过trace_id进行关联了。
Tempo的配置如下：
!! 在这里我们将Tempo与Loki相关联，并映射我们在微服务中配置的应用标签。
测试一下
通过Explore可以查看应用日志。
选择Loki数据源。
通过Loki，我们可以通过label对监控日志进行过滤。
从日志中，我们可以看到trace信息。
然后，我们查看Grafana面板。
我们选择Spring Boot Demo，它是我们自己创建的面板。
我们可以看到应用的请求延迟，另外星星是由Exemplar生成。
用鼠标悬停在它上面，我们可以看到它是如何与一个trace_id相关联的，当点击它时，它将把我们重定向到Tempo。
我们可以看到它产生的跟踪，我们也可以看到日志，因为它也是与Loki相关的，当点击时我们会看到具体信息：
屏幕被分割，但是我们可以看到具体的日志了。
最后
我们实现了指标、日志和跟踪之间的可观察性关联。这可以帮助我们在微服务的故障排除过程中，识别瓶颈，看到我们的应用指标的行为，并能够获得特定的跟踪和日志。
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