一文读懂VictoriaMetrics集群方案

一、简介

VictoriaMetrics集群方案，除了有单节点方案的优点以外，还可以做到水平扩容，当有大量数据存储时，VictoriaMetrics集群方案是个不错的选择。官方建议是100w/s以下的数据点抓取，使用单节点版，单节点版可以省更多的CPU、内存、磁盘资源。

但是，当遇到如下问题可以考虑集群方案：

抓取数据点过高：大于100w/s数据点抓取(如果lable内容过多,会低于这个值)
海量数据存储：单机磁盘容量已经满足不了，更长时间的存储、海量数据存储需求
要更高性能：要求更高的写入和查询性能
原生高可用：VictoriaMetrics集群方案，原生支持高可用
多租户：想要数据多租户管理

注意：下面无特殊声明统一把VictoriaMetrics简写成VM。相对于Thanos，VictoriaMetrics主要是一个可水平扩容的本地全量持久化存储方案。下面简单介绍一下VM集群版各个组件功能，通过这些组件才可以完成VM集群方案。

组件服务和作用：

组件服务	作用	默认端口	其它说明
vmstorage	数据存储，以及查询结果返回	8482
vminsert	数据录入，可实现类似分片、副本功能	8480
vmselect	数据查询，汇总和排重数据	8481
vmagent	数据指标抓取，并支持多种后端存储	8429	会占用本地磁盘缓存
vmalert	告警规则相关	8880	如不需要告警功能可不使用此组件服务
vmauth	账号认证相关	8427	不建议用，而且用户名是路由

关于启动参数：
vmstorage、vminsert、vmselect这三个组件关键启动参数要关注的不多，之后内容会对关键参数进行说明。

二、多租户

VM集群版支持多租户概念，可以把不类型的数据，分别放到不同的租户(命名空间)里，每个租户通过 accountID 或 accountID:projectID，在请求的url里做区分。其中：

accountID和projectID：是[0 .. 2^32)的任意整数，projectID可不写，默认0
创建时间：在首次对某个租户录入数据时，自动创建
性能：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
隔离：不能跨租户查询

三、API示例

API使用方法基本和VM单节点版差不多，主要多了租户和组件服务名，VM集群版querying API 格式：http://<vmselect>:8481/select/<accountID>/prometheus/<suffix> 下面以查询主机负载为例，对比区别：

# Prometheus&VM单节点 querying API
http://127.0.0.1:9090/api/v1/query?query=node_load15
# VM集群版 querying API
http://127.0.0.1:8481/select/6666/prometheus/api/v1/query?query=node_load15

如上，和Prometheus的API请求区别，主要多了 “/select/6666/prometheus” ，其它API请求类似。

四、副本、分片以及HA

4.1 实现方式

此处是本文的重点！请多看几遍。

VM集群版，可以实现副本和分片功能，来保证数据的冗余和水平扩容。主要是VM集群版的几个组件服务配合实现。

1）vmagent：target均摊和自身冗余抓取功能

promscrape.cluster.membersCount，指定target分组
promscrape.cluster.memberNum，指定当前vmagent，抓取指定target组
promscrape.cluster.replicationFactor，单target被多少个vmagent抓取，这里会产生冗余数据，此参数主要是为了保证vmagent的高可用

2）vminsert：按算法为固定时间序列选择后端存储（分片）和控制副本数量（副本）

replicationFactor，开启副本，并控制副本数量，既要往多少个vmstorage插入同一份样本数据

3）vmstorage：数据存储，vmstorage节点间不进行任何交互，都是独立的个体，只靠上层的vminsert，产生副本和分片

dedup.minScrapeInterval，vmagent会产生replicationFactor份冗余数据，需要此参数，来去除重复数据

4）vmselect：数据汇总以及返回，当vminsert开启副本后，vmselect必须设置dedup.minScrapeInterval，

dedup.minScrapeInterval，去除指定时间的重复数据，
replicationFactor，当replicationFactor=N，在出现最多N-1个vmstorage不可用或者响应慢时，vmselect查询直接忽略，提升了查询效率

注意：开启副本或修改副本个数(replicationFactor简称RF)后，可能造成数据部分丢失。下面展示没开副本之前已在收集数据，开了副本之后（RF=2），并且vmselect指定replicationFactor参数，vmselect会当成所有数据都是有副本的，但是 RF=2 之前有一段时间是未开副本收集数据的。如下图：当查 t之前的series1数据时，1节点突然故障或者响应慢了，vmselect会认为 2节点有副本数据，其实 t之前是没有开副本的，所以会导致 series1 丢失 1节点的数据。

4.2 分组与分片原理

1）分片如果vminsert后面存在多个vmstorage，vminsert就会对数据进行分片（或者说打散），vminsert主要通过一致性哈希选择vmstorage节点，具体实现如下代码：

参考：https://github.com/VictoriaMetrics/VictoriaMetrics/blob/38065bec7b1f7d5880f9e0080093cdee6778013b/app/vminsert/netstorage/insert_ctx.go#L158

2）分组vmagent分组方式，通过vmagent传入的4个参数标识集、组成员总数、当前成员编号、副本数 ，进行判断，是否为当前vmagent要抓取的target，具体实现方式如下代码：

参考：

https://github.com/VictoriaMetrics/VictoriaMetrics/blob/f77dde837a043da1e628dd4390da43f769d7621a/lib/promscrape/config.go#L936
https://github.com/VictoriaMetrics/VictoriaMetrics/blob/f77dde837a043da1e628dd4390da43f769d7621a/lib/promscrape/config.go#L976

五、安全认证

目前只有vmagent有自带了 httpAuth.username、httpAuth.password 的基础认证方式，但最需要有认证功能的vmselect、vminsert、vmstorage却没有，尤其是存在vmui的vmselect。官方给出的解释是，vmselect、vminsert、vmstorage，一般是在上层就把权限认证解决了，而且因为多租户，每个租户都应该有自己的账号密码，所以没有做全局的基础账号认证，而且也不打算开发。（可参考issues：https://github.com/VictoriaMetrics/VictoriaMetrics/issues/456）官方有个vmauth，认证模式比较简单，而且还需要用账号名称做路由标识，没法用同一个账号访问多个组件服务，目前还是建议用nginx做基础账号认证。

六、安装步骤

下面简单演示一下搭建VM集群版的简略步骤：

# 配置变量
VM_HOME='/data/victoria-metrics'
MEM_LIMIT='128MB'       #内存使用限制
VMSOTRAGE_PORT='8482'   #vmstorage监听端口
VMSOTRAGE_INSERT_PORT='8400'    #vmstorage对vminsert提供服务的监听端口
VMSOTRAGE_SELECT_PORT='8401'    #vmstorage对vmselect提供服务的监听端口
VMINSERT_PORT='8480'    #vminsert监听端口
VMSELECT_PORT='8481'    #vmselect监听端口
VMAGENT_PORT='8429'     #vmagent监听端口
REPLICATION_COUNT='2'   #副本数
SELECT_STORAGE_NODE_LIST=''
INSERT_STORAGE_NODE_LIST=''
NODE_LIST='192.168.1.100,192.168.1.101,192.168.1.102,192.168.1.103'
for NODE_IP in $(echo ${NODE_LIST} | awk '{split($0,arr,",");for(i in arr) print arr[i]}')
do
    INSERT_STORAGE_NODE_LIST="${INSERT_STORAGE_NODE_LIST}\"${NODE_IP}:${VMSOTRAGE_INSERT_PORT}\","
    SELECT_STORAGE_NODE_LIST="${SELECT_STORAGE_NODE_LIST}\"${NODE_IP}:${VMSOTRAGE_SELECT_PORT}\","
done

# 创建程序目录
mkdir -p ${VM_HOME}/{bin,logs,data,config}

# 启动vmstorage服务（所有节点运行）
nohup ${VM_HOME}/bin/vmstorage -retentionPeriod=365d \
-storageDataPath=${VM_HOME}/data/vmstorage \
-memory.allowedBytes=${MEM_LIMIT} \
-httpListenAddr=":${VMSOTRAGE_PORT}" \
-vminsertAddr=":${VMSOTRAGE_INSERT_PORT}" \
-vmselectAddr=":${VMSOTRAGE_SELECT_PORT}" \
-dedup.minScrapeInterval=30s \
 > ${VM_HOME}/logs/vmstorage.log 2>&1 &

# 启动vminsert服务（所有节点运行）
nohup ${VM_HOME}/bin/vminsert -replicationFactor=2 \
-storageNode=${INSERT_STORAGE_NODE_LIST} \
-memory.allowedBytes=${MEM_LIMIT} \
-httpListenAddr=":${VMINSERT_PORT}" \
> ${VM_HOME}/logs/vminsert.log 2>&1 &

# 启动vmselect服务（所有节点运行）
nohup ${VM_HOME}/bin/vmselect -dedup.minScrapeInterval=30s \
-replicationFactor=${REPLICATION_COUNT} \
-storageNode=${SELECT_STORAGE_NODE_LIST} \
-memory.allowedBytes=${MEM_LIMIT} \
-httpListenAddr=":${VMSELECT_PORT}" \
> ${VM_HOME}/logs/vmselect.log 2>&1 &

# 启动vmagent服务（所有节点运行）
VM_INSERT_URL="http://localhost:${VMINSERT_PORT}"
ACCOUNT_ID='6666'   #租户ID
MEMBER_NUM=0~3    #每个节点不一样，取值范围0~(membersCount-1)
nohup ${VM_HOME}/bin/vmagent -promscrape.cluster.membersCount=4 \
-promscrape.cluster.memberNum=${MEMBER_NUM} \
-promscrape.cluster.replicationFactor=${REPLICATION_COUNT} \
-promscrape.suppressScrapeErrors \
-remoteWrite.tmpDataPath=${VM_HOME}/data/vmagent \
-remoteWrite.maxDiskUsagePerURL=1GB \
-memory.allowedBytes=${MEM_LIMIT} \
-httpListenAddr=":${VMAGENT_PORT}" \
-promscrape.config=${VM_HOME}/config/prometheus.yml \
-remoteWrite.url=${VM_INSERT_URL}/insert/${ACCOUNT_ID}/prometheus/api/v1/write \
> ${VM_HOME}/logs/vmagent.log 2>&1 &

可访问 http://192.168.1.100:8481/select/6666/vmui 进入vmui界面

至此，VM集群搭建完成，并可以通过vmui进行数据简单性能数据查看。

七、扩容方案

当VM集群遇到瓶颈，无非就如下几种场景，可根据情况进行扩容：

查询速度过慢：vmselect为无态服务，配置信息都一样，直接扩容，即可解决此问题。
数据录入慢：vminsert和vmselect一样，直接扩容即可。
容量不足：vmstorage水平扩容来解决此问题，因为vmstorage是有态服务，扩容要配合上游组件服务一起。vmstorage各节点配置一样，直接扩容即可。同时需要把上游的vmselect和vminsert的存储列表（-storageNode）进行更新，然后全部重启。
抓取样本量过大：扩容vmagent即可，但需要重新分配所有vmagent对target的分组参数，-promscrape.cluster.membersCount=N 增加总分组数，-promscrape.cluster.memberNum=(0~N-1) 当前vmagent节点所在分组号，修改完后重启所有vmagent。

VM集群版的好处就是灵活，哪里性能不行扩哪里，哪种类型组件服务运行在哪类主机上，充分利用系统资源。

八、failover处理

VM集群版，各类组件服务故障后，怎么能够实现故障处理？下面针对关键组件，逐一分析一下：

故障组件	处理方法
vmselect故障	此为无态服务，所有节点配置信息一样，故障后直接扩容即可
vmagent故障	开启replicationFactor=N(N>1)后，单个target都会被N节vmagent点抓取数据，所以故障 “小于等于N-1″个节点，都不会影响数据抓取
vminsert故障	vminsert所有节点，配置信息都一样。而且vmagent开启replicationFactor，所以每个target样本数据都会被写入到多个vminsert，单个vminsert故障不会丢失数据，新部署一个即可
vmstorage故障	因为vminsert开启replicationFactor副本，所有target的样本数据都会存在多个vmstorage上，所以故障单个节点，不会丢失数据，只需要等待恢复，或者重新部署单个vmstorage节点

九、资源规划

VM集群各个组件，可根各自特点放到合适的硬件设备上，充分发挥硬件能力。根据业务监控量，可简单预估一下需要CPU和内存资源情况：

	vCPUs	RAM
vminsert	ingestion_rate / 100K	(active time series / 100w) *1G (less than 1KB per active time series)
vmstorage	ingestion_rate / 100K	(active time series / 100w) *1G (less than 1KB per active time series)
vmselect	根据读取量评估	根据读取量评估

注：上面只是预估，建议上线之前，还是要根据自己业务类型进行测试，并扩充资源，直到集群变得稳定。

十、总结

本文主要带大家了解VictoriaMetrics集群方案，并能简单搭建和使用。相对于VictoriaMetrics单节点方案，集群方案架构复杂度更高，但是它可以带来更灵活的使用方式，更好的扩展，容纳更大的数据量，以及更高的资源利用率。
总的来说，当业务用VictoriaMetrics/Prometheus单节点遇到性能、容量、成本等等问题时，VictoriaMetrics集群方案也许能解决你的痛点，为业务带来更高效、稳定的数据展示。

参考资料：

https://docs.victoriametrics.com/Cluster-VictoriaMetrics.html
https://github.com/VictoriaMetrics/VictoriaMetrics/issues/1207
https://www.joyk.com/dig/detail/1558605608214852?page=3

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一、简介

二、多租户

三、API示例

四、副本、分片以及HA

4.1 实现方式

4.2 分组与分片原理

五、安全认证

六、安装步骤

七、扩容方案

八、failover处理

九、资源规划

十、总结

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