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2023-12-01

监控系统是整个运维环节，乃至整个产品生命周期中最重要的一环，事前及时预警发现故障，事后提供翔实的数据用于追查定位问题。监控系统作为一个成熟的运维产品，业界有很多开源的实现可供选择。当公司刚刚起步，业务规模较小，运维团队也刚刚建立的初期，选择一款开源的监控系统，是一个省时省力，效率最高的方案。之后，随着业务规模的持续快速增长，监控的对象也越来越多，越来越复杂，监控系统的使用对象也从最初少数的几个SRE，扩大为更多的DEVS，SRE。这时候，监控系统的容量和用户的“使用效率”成了最为突出的问题。

监控系统业界有很多杰出的开源监控系统。我们在早期，一直在用zabbix，不过随着业务的快速发展，以及互联网公司特有的一些需求，现有的开源的监控系统在性能、扩展性、和用户的使用效率方面，已经无法支撑了。

因此，我们在过去的一年里，从互联网公司的一些需求出发，从各位SRE、SA、DEVS的使用经验和反馈出发，结合业界的一些大的互联网公司做监控，用监控的一些思考出发，设计开发了小米的监控系统：open-falcon。

open-falcon的目标是做最开放、最好用的互联网企业级监控产品。

Highlights and features

强大灵活的数据采集：自动发现，支持falcon-agent、snmp、支持用户主动push、用户自定义插件支持、opentsdb data model like（timestamp、endpoint、metric、key-value tags）
水平扩展能力：支持每个周期上亿次的数据采集、告警判定、历史数据存储和查询
高效率的告警策略管理：高效的portal、支持策略模板、模板继承和覆盖、多种告警方式、支持callback调用
人性化的告警设置：最大告警次数、告警级别、告警恢复通知、告警暂停、不同时段不同阈值、支持维护周期
高效率的graph组件：单机支撑200万metric的上报、归档、存储（周期为1分钟）
高效的历史数据query组件：采用rrdtool的数据归档策略，秒级返回上百个metric一年的历史数据
dashboard：多维度的数据展示，用户自定义Screen
高可用：整个系统无核心单点，易运维，易部署，可水平扩展
开发语言：整个系统的后端，全部golang编写，portal和dashboard使用python编写。

Architecture

open-falcon architecture

每台服务器，都有安装falcon-agent，falcon-agent是一个golang开发的daemon程序，用于自发现的采集单机的各种数据和指标，这些指标包括不限于以下几个方面，共计200多项指标。

CPU相关
磁盘相关
IO
Load
内存相关
网络相关
端口存活、进程存活
ntp offset（插件）
某个进程资源消耗（插件）
netstat、ss 等相关统计项采集
机器内核配置参数

只要安装了falcon-agent的机器，就会自动开始采集各项指标，主动上报，不需要用户在server做任何配置（这和zabbix有很大的不同），这样做的好处，就是用户维护方便，覆盖率高。当然这样做也会server端造成较大的压力，不过open-falcon的服务端组件单机性能足够高，同时都可以水平扩展，所以自动多采集足够多的数据，反而是一件好事情，对于SRE和DEV来讲，事后追查问题，不再是难题。

另外，falcon-agent提供了一个proxy-gateway，用户可以方便的通过http接口，push数据到本机的gateway，gateway会帮忙高效率的转发到server端。

falcon-agent，可以在我们的github上找到 : https://github.com/open-falcon/falcon-plus

Data model

Data Model是否强大，是否灵活，对于监控系统用户的“使用效率”至关重要。比如以zabbix为例，上报的数据为hostname（或者ip）、metric，那么用户添加告警策略、管理告警策略的时候，就只能以这两个维度进行。举一个最常见的场景：

hostA的磁盘空间，小于5%，就告警。一般的服务器上，都会有两个主要的分区，根分区和home分区，在zabbix里面，就得加两条规则；如果是hadoop的机器，一般还会有十几块的数据盘，还得再加10多条规则，这样就会痛苦，不幸福，不利于自动化（当然zabbix可以通过配置一些自动发现策略来搞定这个，不过比较麻烦）。

open-falcon，采用和opentsdb相同的数据格式：metric、endpoint加多组key value tags，举两个例子：

{
    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
}

通过这样的数据结构，我们就可以从多个维度来配置告警，配置dashboard等等。备注：endpoint是一个特殊的tag。

Data collection

transfer，接收客户端发送的数据，做一些数据规整，检查之后，转发到多个后端系统去处理。在转发到每个后端业务系统的时候，transfer会根据一致性hash算法，进行数据分片，来达到后端业务系统的水平扩展。

transfer 提供jsonRpc接口和telnet接口两种方式，transfer自身是无状态的，挂掉一台或者多台不会有任何影响，同时transfer性能很高，每分钟可以转发超过500万条数据。

transfer目前支持的业务后端，有三种，judge、graph、opentsdb。judge是我们开发的高性能告警判定组件，graph是我们开发的高性能数据存储、归档、查询组件，opentsdb是开源的时间序列数据存储服务。可以通过transfer的配置文件来开启。

transfer的数据来源，一般有三种：

falcon-agent采集的基础监控数据
falcon-agent执行用户自定义的插件返回的数据
client library：线上的业务系统，都嵌入使用了统一的perfcounter.jar，对于业务系统中每个RPC接口的qps、latency都会主动采集并上报

说明：上面这三种数据，都会先发送给本机的proxy-gateway，再由gateway转发给transfer。

基础监控是指只要是个机器(或容器)就能加的监控，比如cpu mem net io disk等，这些监控采集的方式固定，不需要配置，也不需要用户提供额外参数指定，只要agent跑起来就可以直接采集上报上去；非基础监控则相反，比如端口监控，你不给我端口号就不行，不然我上报所有65535个端口的监听状态你也用不了，这类监控需要用户配置后才会开始采集上报的监控（包括类似于端口监控的配置触发类监控，以及类似于mysql的插件脚本类监控），一般就不算基础监控的范畴了。

Alerting

报警判定，是由judge组件来完成。用户在web portal来配置相关的报警策略，存储在MySQL中。heartbeat server 会定期加载MySQL中的内容。judge也会定期和heartbeat server保持沟通，来获取相关的报警策略。

heartbeat sever不仅仅是单纯的加载MySQL中的内容，根据模板继承、模板项覆盖、报警动作覆盖、模板和hostGroup绑定，计算出最终关联到每个endpoint的告警策略，提供给judge组件来使用。

transfer转发到judge的每条数据，都会触发相关策略的判定，来决定是否满足报警条件，如果满足条件，则会发送给alarm，alarm再以邮件、短信、米聊等形式通知相关用户，也可以执行用户预先配置好的callback地址。

用户可以很灵活的来配置告警判定策略，比如连续n次都满足条件、连续n次的最大值满足条件、不同的时间段不同的阈值、如果处于维护周期内则忽略等等。

另外也支持突升突降类的判定和告警。

API

到这里，数据已经成功的存储在了graph里。如何快速的读出来呢，读过去1小时的，过去1天的，过去一月的，过去一年的，都需要在1秒之内返回。

这些都是靠graph和API组件来实现的，transfer会将数据往graph组件转发一份，graph收到数据以后，会以rrdtool的数据归档方式来存储，同时提供查询RPC接口。

API面向终端用户，收到查询请求后，会去多个graph里面，查询不同metric的数据，汇总后统一返回给用户。

Dashboard

dashboard首页，用户可以以多个维度来搜索endpoint列表，即可以根据上报的tags来搜索关联的endpoint。 open-falcon dashboard homepage

用户可以自定义多个metric，添加到某个screen中，这样每天早上只需要打开screen看一眼，服务的运行情况便尽在掌握了。 open-falcon dashboard screen

当然，也可以查看清晰大图，横坐标上zoom in/out，快速筛选反选。总之用户的“使用效率”是第一要务。 open-falcon big graph

一个高效的portal，对于提升用户的“使用效率”，加成很大，平时大家都这么忙，能给各位SRE、Devs减轻一些负担，那是再好不过了。

这是host group的管理页面，可以和服务树结合，机器进出服务树节点，相关的模板会自动关联或者解除。这样服务上下线，都不需要手动来变更监控，大大提高效率，降低遗漏和误报警。 open-falcon portal HostGroup

一个最简单的模板的例子，模板支持继承和策略覆盖，模板和host group绑定后，host group下的机器会自动应用该模板的所有策略。 open-falcon template

当然，也可以写一个简单的表达式，就能达到监控的目的，这对于那些endpoint不是机器名的场景非常方便。 open-falcon expression

添加一个表达式也是很简单的。 open-falcon add an expression

Storage

对于监控系统来讲，历史数据的存储和高效率查询，永远是个很难的问题！

数据量大：目前我们的监控系统，每个周期，大概有2000万次数据上报（上报周期为1分钟和5分钟两种，各占50%），一天24小时里，从来不会有业务低峰，不管是白天和黑夜，每个周期，总会有那么多的数据要更新。
写操作多：一般的业务系统，通常都是读多写少，可以方便的使用各种缓存技术，再者各类数据库，对于查询操作的处理效率远远高于写操作。而监控系统恰恰相反，写操作远远高于读。每个周期几千万次的更新操作，对于常用数据库（MySQL、postgresql、mongodb）都是无法完成的。
高效率的查：我们说监控系统读操作少，是说相对写入来讲。监控系统本身对于读的要求很高，用户经常会有查询上百个meitric，在过去一天、一周、一月、一年的数据。如何在1秒内返回给用户并绘图，这是一个不小的挑战。

open-falcon在这块，投入了较大的精力。我们把数据按照用途分成两类，一类是用来绘图的，一类是用户做数据挖掘的。

对于绘图的数据来讲，查询要快是关键，同时不能丢失信息量。对于用户要查询100个metric，在过去一年里的数据时，数据量本身就在那里了，很难1秒之类能返回，另外就算返回了，前端也无法渲染这么多的数据，还得采样，造成很多无谓的消耗和浪费。我们参考rrdtool的理念，在数据每次存入的时候，会自动进行采样、归档。我们的归档策略如下，历史数据保存5年。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。

// 1分钟一个点存 12小时
c.RRA("AVERAGE", 0.5, 1, 720)

// 5m一个点存2d
c.RRA("AVERAGE", 0.5, 5, 576)
c.RRA("MAX", 0.5, 5, 576)
c.RRA("MIN", 0.5, 5, 576)

// 20m一个点存7d
c.RRA("AVERAGE", 0.5, 20, 504)
c.RRA("MAX", 0.5, 20, 504)
c.RRA("MIN", 0.5, 20, 504)

// 3小时一个点存3个月
c.RRA("AVERAGE", 0.5, 180, 766)
c.RRA("MAX", 0.5, 180, 766)
c.RRA("MIN", 0.5, 180, 766)

// 1天一个点存1year
c.RRA("AVERAGE", 0.5, 720, 730)
c.RRA("MAX", 0.5, 720, 730)
c.RRA("MIN", 0.5, 720, 730)

对于原始数据，transfer会打一份到hbase，也可以直接使用opentsdb，transfer支持往opentsdb写入数据。

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