ClickHouse как бэкенд для Prometheus

Привет! Меня зовут Михаил Кажемский, я Lead DevOps в IT‑интеграторе Hilbert Team. В последнее время к нам часто обращаются заказчики, которым нужна помощь с организацией хранения долгосрочных метрик в российских облаках. Так как для многих эта задача сейчас актуальная, в данной статье мы с моим коллегой Денисом Бабичевым решили рассказать, как мы используем мощные возможности ClickHouse для эффективного долгосрочного хранения метрик Prometheus.

В статье вы найдете рекомендации по использованию инструмента и описание альтернативных решений, таких как Thanos, Grafana Mimir и Victoria Metrics.

Prometheus и проблемы с LTS

Prometheus — это система мониторинга с открытым исходным кодом для сбора и хранения метрик в базах данных временных рядов (TSDB). Сервис использует достаточно простой язык запросов PromQL, который удобен как разработчикам, так и DevOps/SRE‑инженерам. Prometheus уже стал отраслевым стандартом и обладает огромным комьюнити.

К Prometheus по PromQL обращаются такие сервисы, как Grafana или различные API по http‑интерфейсу. Чаще всего в системе мониторинга присутствует Alertmanager — сервис отправки алертов на PagerDuty, Email, Telegram и прочие каналы.

Несмотря на все преимущества, один инстанс Prometheus сможет безотказно работать только с небольшими предприятиями, которые не сталкиваются с огромными объемами данных. При повышенных нагрузках в Prometheus могут начаться сбои — из‑за этого, например, Grafana может перестать показывать метрики или алерты могут потеряться.

Это происходит по следующим причинам:

• TSDB Prometheus не оптимизирован для долгосрочного хранения метрик.

• Отсутствие горизонтального масштабирования компонентов Prometheus.

• Несмотря на то, что PromQL является достаточно простым языком запросов, он имеет ограниченные возможности по сравнению с другими языками запросов, например, SQL.

Однако LTS в Prometheus можно оптимизировать. Например, сделать несколько независимых Prometheus для каждой логической группы таргетов. Это разгрузит Prometheus и Grafana… правда, в Grafana будет показано уже несколько метрик, склейка которых окажется целой задачей. Зато после этого метрики смогут накапливаться более длительный срок и не удаляться.

Но это лишь временное решение проблемы. Поскольку Prometheus не предназначен для долгосрочного хранения данных, сервис снова может начать сбоить или потреблять слишком много ресурсов.

К сожалению, с подобной проблемой могут столкнуться все крупные предприятия. Поэтому для ее решения можно применить специальные продукты, способные без проблем хранить неограниченное число метрик Prometheus — к ним относятся Thanos, Grafana Mimir, Victoria Metrics и т. д. Кратко рассмотрим, как выглядят схемы работы с данными решениями.

Thanos

Thanos — проект с открытым исходным кодом от компании Improbable. Он предназначен для бесшовной трансформации существующих кластеров Prometheus в единую систему мониторинга с неограниченным хранилищем исторических данных.

Рассмотрим, как устроена схема работы Thanos.

1. В данной схеме Prometheus находится в Kubernetes. 

2. В поде к Prometheus подключается Sidecar-контейнер с Thanos.

3. Sidecar пишет в компонент Store, который может быть масштабируемым. 

4. Store пишет в Object Storage по протоколу S3. 

5. Compact около Storage позволяет оптимально хранить метрики.

6. Кроме того, есть компоненты Query для получения метрик и Ruler для оценки алертов.

Grafana Mimir

Grafana Mimir — достаточно производительный, набирающий популярность инструмент от Grafana Labs. Это решение устроено немного сложнее, чем Thanos. Стоит отметить, что в Grafana Mimir почти каждый элемент горизонтально масштабируем.

Рассмотрим схему по пути записи метрик: 

1. Запросы от Prometheus приходят на distributors.

2. Distributors распределяют метрики среди ingesters.

3. Далее ingesters пишут метрики в Long-Term хранилище в Оbject Storage.

4. compactor оптимизирует хранение.

Чтение происходит другим каналом: 

1. Запросы поступают через query frontend и идут к querier. Эти сервисы позволяют склеивать метрики от разных источников.

2. Затем запросы попадают в store-gateway, через который данные считываются с LT-хранилища. 

Важно отметить, что queriers также обращаются и к ingesters, т.к. те отправляют свои данные в LT лишь через пару часов.

Victoria Metrics

Victoria Metrics — пожалуй, самый популярный на данный момент инструмент. Его архитектура устроена проще Mimir, при этом он не уступает по производительности и выигрывает по потреблению ресурсов.

Victoria Metrics состоит из 3 основных компонентов:

1. Масштабируемый vminsert для записи метрик.

2. Масштабируемый vmstorage — оптимизированное TSDB-хранилище для долгосрочного хранения.

3. Масштабируемый vmselect для получения данных из хранилища.

В этом случае используются схожие с Prometheus компоненты, однако они более масштабируемые и оптимизированные для долгосрочного хранения.

Каждый из описанных инструментов — Thanos, Grafana Mimir, Victoria Metrics — по‑своему хорошо выполняет свои функции. Но в некоторых случаях для хранения долгосрочных метрик Prometheus мы используем ClickHouse. Например, если у заказчика уже есть дата‑платформа, созданная на основе ClickHouse, и он хочет обогатить свои данные метриками мониторинга.

Рассмотрим подробнее, как использовать ClickHouse для этой задачи.

ClickHouse как бэкенд

ClickHouse — популярная аналитическая система управления базами данных с открытым исходным кодом. Она работает в режиме реального времени и отличается высокой производительностью. Это хорошее решение для приложений, которые используют большие объемы структурированных наборов данных. Как масштабируемая система, она поддерживает распределенную обработку запросов, разделение данных и репликацию, а также сегментирование, что делает ее способной обрабатывать терабайты информации.

Изначально ClickHouse создавался под задачи Яндекс Метрики — в основном для онлайн‑отчётов по неагрегированным данным. Но благодаря своей масштабируемости, скорости и доступу к SQL, сервис отлично справляется и с задачами долгосрочного хранения метрик.

Он обладает следующими преимуществами:

• ClickHouse «не тормозит».

• Сам может быть ML Data Storage и создан для больших аналитических запросов.

• Имеет высокую производительность и нативное горизонтальное масштабирование.

• Доступен в managed‑исполнении у многих облачных провайдеров.

Для решения проблемы долгосрочного хранения мониторинговых метрик Prometheus ClickHouse может предложить следующие возможности:

• Шардирование. Это стратегия горизонтального масштабирования кластера, при которой части одной базы данных ClickHouse размещаются на разных группах хостов.

• Распределительные таблицы. Чтобы разнести данные по разным шардам, нужно создать распределенную таблицу на движке Distributed.

Integration/Configuration

По умолчанию ClickHouse плохо интегрируется с Prometheus, поэтому для организации процесса можно использовать внешние инструменты, такие как QRYN или Carbon‑Graphite.

QRYN

Отлично работает с  огромным количеством метрик и прочих данных, а также успешно переносит их в ClickhHouse.

QRYN предлагает следующие возможности:

• Принимает данные в формате Prometheus, Loki, Tempo, InfluxDB, Elastic и др.

• Совместим с PromQL, LogQL, Tempo APIs.

• Использует ClickHouse как бэкенд для хранения.

QRYN настраивается достаточно просто — выбираем для него путь до ClickHouse, и он самостоятельно создает там базу данных с нужными таблицами. После этого настраиваем Prometheus на запись метрик.

# Настройка сервера QRYN spec:   containers:     - env:       - name: CLICKHOUSE_AUTH         value:”demo:demo”       - name: CLICKHOUSE_PORT         value: ”8123"       - name: CLICKHOUSE_SERVER          value: ”clickhouse-svc”  # Настройка сервера Prometheus remote_write:   - url: "http://qryn:3100/api/v1/remote/write"

Схема чтения и записи метрик выглядит следующим образом: Prometheus и Grafana ходят в горизонтально масштабируемый сервис QRYN, а QRYN — в ClickHouse.

Carbon-Graphite

Carbon‑Graphite — это отдельная система мониторинга, отличная от Prometheus — метрики в формате Graphite имеют другой формат. Graphite используется для чтения, а Carbon — для записи метрик.

Для интеграции с ClickHouse используются:

• carbon‑clickhouse — пишет метрики в формате Graphite.

• graphite‑clickhouse — читает метрики из ClickHouse.

Оба инструмента написаны на Go и поддерживают вставку и чтение по формату Prometheus.

При этом для работы с Carbon нужно предварительно создать 3 таблицы, необходимые для его работы:

• Первая использует движок для метрик от Graphite, который уже есть в Clickhouse.

• Вторая и третья применяются для индекса и тегов (ускоряет поиск).

В итоге, выходит следующая структура:

1. Prometheus обращается к Carbon. 

2. Carbon пишет в ClickHouse Managed. 

3. Grafana читает с Graphite по PromQL и также обращается в ClickHouse за метриками.

Результаты тестирования Carbon-Graphite-ClickHouse

В качестве инструмента тестирования мы использовали prometheus-benchmark от Victoria Metrics и непосредственно managed кластер ClickHouse, разделенный на фронт и бэк.

Спецификации следующие:

• Кластер1 (данные): 2 шарда по 2 хоста, для Replicated MergeTree таблиц.

• Кластер2 (фронт‑прокси): 1 хост для для Distributed MergeTree таблиц.

• Каждый хост имеет по 2 RAM и 4 ГБ RAM.

Параметры бенчмарка определены как:

• TargetCount — количество «виртуальных» площадок, откуда данные шлют node — экспортеры,

• WriteReplicas — количество инстансов, отправляющих данные с «виртуальных» площадок. Горизонтальное масштабирование TargetCount,

• WriteConcurrency — количество одновременных TCP‑соединений для отправки метрик.

Результаты тестирования при разных параметрах.

Тест 1

Ingest Rate — 116k wr/s

Тест 2

Ingest Rate — 400k wr/s

Выводы по тестам:

• Высокий Ingest Rate при небольших ресурсах,

• Время выборки не самое быстрое,

• Компоненты Graphite-Carbon довольно ресурсоемки.

С аналогичными тестами по Victoria Metrics и Grafana Mimir вы можете ознакомиться по ссылке.

Таким образом, ClickHouse может быть неплохим вариантом для организации хранения долгосрочных метрик Prometheus. ClickHouse доступен в managed‑решениях в облаках, поддерживает SQL и распределение метрик по разным шардам, что обеспечивает удобную работу с Prometheus. Все это делает ClickHouse хорошим решением для компаний, которые уже используют его в качестве основы своей аналитической инфраструктуры и хотят обогатить свою аналитику метриками Prometheus.