浅谈k8s+docker 资源监控

写在前面

最近在研究docker集群（kubernetes）的监控，为了彻底弄清楚，简单看了一点源码。这里分享一下我学到的东西。

docker api: stats

首先是docker的api，stats的具体使用场景如：

http://$dockerip:2375/containers/$containerid/stats

可以获取docker机器上某一个容器的状态，该请求的response会持续的写响应报文回来（每秒一次）

http://$dockerip:2375/containers/$containerid/stats?stream=false

参数stream默认是true，设为false后，response只写一次。

docker中该api对应的操作，就相当于docker stats $CID 这条命令，它调用到了ContainerStats()方法（位于docker项目目录的/daemon/stats.go 第19行），函数中启动了一个收集器：

daemon.SubscribeToContainerStats(name)

收集器定时写数据到update变量中。
然后启动一个协程读数据，获取数据的途径包括：

update := v.(*execdriver.ResourceStats)

和

nwStats, err := daemon.getNetworkStats(name)

可以看到网络状态是另外读的，而cpu，内存状态在哪读呢？我们一步步跳转，看到在这里：
/daemon/execdriver/driver_linux.go 112行：

func Stats(containerDir string, containerMemoryLimit int64, machineMemory int64) (*ResourceStats, error)

在这个函数里我们看得到，其实所谓的获取容器状态，就是读文件而已。我们举一个已经在docker运行的容器来说：

 cat /run/docker/execdriver/native/$containerID/state.json

这里面记录了一个cgroup_paths字段，他的值是一个路径，通过cstats, err := mgr.GetStats()程序才真正拿到了监控数据，如cpu的状态信息，存储在一个如下的路径中：

cd /sys/fs/cgroup/cpu,cpuacct/system.slice/docker-9b479ceaf3bef1caee2c37dfdc982a968144700a2c42991b238b938788a8a91f.scope

又比如内存的大致信息存在：

cat /sys/fs/cgroup/memory/system.slice/docker-9b479ceaf3bef1caee2c37dfdc982a968144700a2c42991b238b938788a8a91f.scope/memory.stat

具体里面放了什么数据，大家就自己看咯。

还剩下一个数据，也是我们讨论的重点：网络IO。

我们回到/daemon/stats.go：
看看函数getNetworkStats(name string):
每个docker容器创建后都会又docker创建一个网卡，网卡名以veth开头，后面是一串随机生成的十六进制码。
我们只要找到该网卡，然后，像上文的cpu，内存状态获取的方法一样，去找文件就行了。
然而这个网卡名似乎是存在内存中，至少我没有看到docker将这个网卡名存到别的地方。
代码中：
nw, err := daemon.netController.NetworkByID(c.NetworkSettings.NetworkID)
可以看出获取了网卡（network），尔后有一个Statistics()方法，我们继续跟踪会发现，docker调用了一个组件包：
github.com/docker/libcontainer
其中有statistics方法，并执行了一个cat的命令（该组件包的/sandbox/interface_linux.go 第174行）：
data, err := exec.Command("cat", netStatsFile).Output()

是的，又是读文件。
这次读的文件在：/sys/class/net/目录下，
我们进入该目录可以看到有许多子目录，其中就包括了docker启动容器时生成的网卡。

个人猜测：docker在内存中保存了容器到网卡的映射关系。通过这个映射关系可以找到网卡的统计数据（数据由内核生成，记录在机器的文件中）
我们可以看到如下的数据：

将这些数据统一起来，就是docker stats 这条命令干的事。

kubernetes如何调用上述的监控功能

kubernetes的监控采用了cAdvisor组件。因为kubernetes中记录了容器的信息（但是没有记录容器-网卡的映射关系），所以运行在节点上的cAdvisor不需要通过docker stats去获取容器的cpu和内存使用数据。
而网络IO数据呢？

我们知道k8s部署运行一个容器是会先生成一个pause容器。
是的，网络IO都记录在pause容器中。这里大家可以在自己的k8s环境中验证。

所以只要我们获取某容器对应的pause容器的containerID，我们就可以用如上的方式去抓到网络IO。

因为cAdvisor并不是为k8s专门设计的，不会特地在获取网络IO时去遍历查找容器对应的pause容器。所以当前的cAdvisor没有办法获取容器的网络IO。

所以如果在使用k8s集群，想要加入网络IO监控功能的时候，可以从k8s自带的cAdvisor入手。

cAdvisor

上面讲到cAdvisor，那么cAdvisor是如何获取网络的IO的呢？
首先，在k8s（1.0.6版本）的/pkg/kubelet/cadvisor/cadvisor_linux.go中51行，New(port int）方法，这是kubelet调用cAdvisor的入口。实例化一个cAdvisorClient，并执行他的Start()方法，我们可以进入cAdvisor项目中找到该方法（github.com/google/cadvisor/manager/manager.go 195行）。

我们看到有一句

err := docker.Register(self, self.fsInfo)

先mark之。继续看：

glog.Infof("Starting recovery of all containers")
err = self.detectSubcontainers("/")

这里程序程序检查所有在运行的容器，同内存中记录的容器作比较，有新的容器就新建一个相关的处理机制：一个Container的结构（有减少的，就删除），然后执行cont.Start() （github.com/google/cadvisor/manager/manager.go 766行）

持续追踪我们就可以知道每秒它收集一次监控信息，收集方法即

stats, statsErr := c.handler.GetStats()

（/cadvisor/manager/container.go 401行）
handler是一个接口。我们得知道当时是如何给他赋值的。这里不赘述了，我们直接找关键的方法：

func (self *dockerContainerHandler) GetStats() (*info.ContainerStats, error)

（cadvisor/container/docker/handler.go 第305行）

它又调用了：

func GetStats(cgroupManager cgroups.Manager, networkInterfaces []string) (*info.ContainerStats, error)

（cadvisor/container/libcontainer/helpers.go 第77行）

这里就是真正获取监控信息的地方，它引入了libcontainer包中的同名方法，

最终是导入了"github.com/docker/libcontainer/cgroups"这个第三方包中的方法。是不是很熟悉？对就是上文中提到的docker stats获取网络IO用到的包。我们到这个包里找到函数：
(/libcontainer/cgroups/fs/apply_raw.go 第148行)

func (m *Manager) GetStats() (*cgroups.Stats, error) {
    m.mu.Lock()
    defer m.mu.Unlock()
    stats := cgroups.NewStats()
    for name, path := range m.Paths {
        //m.Paths中包括了cpu，memory，network等字段，根据这些字段找到相应的目录
        sys, ok := subsystems[name]
        if !ok || !cgroups.PathExists(path) {
            continue
        }
        //读目录里的文件获取监控信息
        if err := sys.GetStats(path, stats); err != nil {
            return nil, err
        }
    }

    return stats, nil
}

我们可以看到libcontainer/cgroups/fs目录下有cpu.go,memory.go等文件，每一个文件中都有一个集成了GetStats()的结构，我们可以获取到任何数据。

我们再回到cadvisor项目中cadvisor/container/libcontainer/helpers.go 第77行，

往下看：

// TODO(rjnagal): Use networking stats directly from libcontainer.
    stats.Network.Interfaces = make([]info.InterfaceStats, len(networkInterfaces))
    for i := range networkInterfaces {
        interfaceStats, err := sysinfo.GetNetworkStats(networkInterfaces[i])
        if err != nil {
            return stats, err
        }
        stats.Network.Interfaces[i] = interfaceStats
    }

这里官方还用了别的手段再去找network的数据，虽然不知道是处于什么理由，也不管这里是去找哪个系统文件看状态，但是这样依然是拿不到数据的。因为根本没有找到容器对应的网卡。这里找网卡的方法在cadvisor/container/docker/handler.go 第311行：

var networkInterfaces []string
    if len(config.Networks) > 0 {
        // ContainerStats only reports stat for one network device.
        // TODO(vmarmol): Handle multiple physical network devices.
        for _, n := range config.Networks {
            // Take the first non-loopback.
            if n.Type != "loopback" {
                networkInterfaces = []string{n.HostInterfaceName}
                break
            }
        }
    }
    stats, err := containerLibcontainer.GetStats(self.cgroupManager, networkInterfaces)

很显然这里是要改进的（在k8s的环境下）。

注：随着版本更新,新版本的cAdvisor采用github.com/opencontainers包。详见：github.com/opencontainers/runc/libcontainer/container_linux.go line 151:
另外，cadvisor获取网络监控数据的正确途径应该是：
监控pause容器，在其Pid对应的/proc/$pid/net/dev文件中即可得到容器内部网络监控数据

磁盘监控

cadvisor在主函数初始化时，通过一些init方法在内存中构建了机器上的文件系统的结构（有哪些磁盘、分别挂载目录是啥、maj和min号是啥）。随后，cadvisor会在监控机器的性能时，分为磁盘使用情况的监控和磁盘读写情况的监控。

磁盘使用情况的监控

cadvisor会执行syscall.Statfs方法，通过linux系统调用，获得磁盘的总大小、可用空间、inodes总数和使用数等信息

磁盘读写情况的监控

通过读取机器的/proc/diskstats文件内容，形如：

cat /proc/diskstats 
 254       0 vda 48560 0 994278 64304 2275295 70286 18962312 6814364 0 1205480 6877464
 254       1 vda1 48177 0 991034 64008 1865714 70286 18962304 6777592 0 1170880 6840740
 254      16 vdb 700 0 4955 284 0 0 0 0 0 284 284

通过这些数据计算出各个存储设备的读写次数、读写速度。（这里文件内容释义和计算方式可以参见http://www.udpwork.com/item/1...）

暴露接口

当我们调用cadvisor的接口：
/api/v2.1/machinestats 时，就能从返回的json结构中找到filesystem字段，包含了磁盘读写性能和磁盘使用情况的监控数据

缺陷

上文提到，cadvisor在初始化阶段就生成了机器文件系统的抽象结构，但是这个结构不会动态检查和更新，当机器上动态挂载了一个数据盘（比如使用ceph rbd做pod的pv），cadvisor不会感知，这个新挂的盘的监控数据也无法被感知。

目前社区暂时没有对这个功能进行优化

应用

说了这么多，其实给大家在实现k8s容器网络IO监控这个需求时提供一点想法：
1.从cadvisor入手，找到对应pause容器的containerID，那么就可以用libcontainer包去获取到数据（也即用docker stats的方式）。
2.从docker入手，创建容器时记录网卡信息，能否提供一个接口，根据容器名找到对应网卡名，那么cadvisor只要通过这个docker API得到网卡名，就可以自己读文件获取网络IO。