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你以為你在學 Grafana 其實你建立了 Kubernetes 可觀測性宇宙系列 第 23 篇

可觀測性宇宙的第二十三天 - Grafana Loki 實戰

15th鐵人賽 kubernetes grafana loki observability
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概述

現在我們即將進入 Grafana Loki 實戰演練環節。在這一章節中，我們會在本地的 Kubernetes 叢集中搭建 Loki 分佈式日誌系統。藉由之前章節所學的知識，我們將逐步完善其設定，使其達到適用於生產環境的標準。在這個過程中，我們不僅會探討實際操作的技巧，還會搶先使用不存在預設設定中的 Loki 最新功能，確保 Loki 的效能與穩定性都能達到頂尖水準。

https://ithelp.ithome.com.tw/upload/images/20231008/20149562uFdTjTyopw.png

Grafana Loki 安裝

擁抱開源社群的專案是美好的，套用在我們正要準備安裝 Grafana Loki 是再貼切不過了。因為社群上依照部署的複雜程度，分別提供了從最簡單的單體模式到顆粒最細微的微服務模式，讓我們有了這個甜蜜的煩惱，就來看看這些部署模式架構上的差異吧。

部署模式 deployment mode

Grafana Loki 的部署模式概念上可以分為單體和微服務模式。

單體模式 Monolithic mode

單體模式是 Grafana Loki 中最簡單的操作設定，開箱及用，對第一次體驗的人非常友善。單體模式可以讓我們在單一進程、一個二進制檔、一個 Docker Image 中，運作起包含所有微服務組件。

https://ithelp.ithome.com.tw/upload/images/20231008/20149562kdUcgeLjiW.png

簡易擴充模式 Simple scalable mode

當我們無法使用單體模式滿足需求或者需要讀寫分離時，Grafana Loki 提供了簡單的讀寫可擴展模式，可以單獨分別為讀服務和寫服務，按需求提升效能與可用性。

https://ithelp.ithome.com.tw/upload/images/20231008/20149562ueh6L4hG2z.png

微服務模式 Microservice mode

微服務模式將 Grafana Loki 的組件實例化成不同個別服務，提供最細的顆粒調整。此模式可以單獨以每個最小組件為擴展單位，是所有模式中最有效率的選擇，但它同時也是設定與維護門檻最高的。

Installed components:

  • gateway
  • ingester
  • distributor
  • querier
  • query-frontend
  • query-scheduler
  • compactor
  • memcached-components…

https://ithelp.ithome.com.tw/upload/images/20231008/201495622alTuVk7rv.png

Helm Chart 選擇

helm search repo loki | grep grafana/loki
------
NAME                            CHART VERSION   APP VERSION     DESCRIPTION
grafana/loki                    5.22.0          2.9.1           Helm chart for Grafana Loki in simple, scalable...
grafana/loki-canary             0.13.1          2.8.4           Helm chart for Grafana Loki Canary                
grafana/loki-distributed        0.74.2          2.9.1           Helm chart for Grafana Loki in microservices mode 
grafana/loki-simple-scalable    1.8.11          2.6.1           Helm chart for Grafana Loki in simple, scalable...
grafana/loki-stack              2.9.11          v2.6.1          Loki: like Prometheus, but for logs.

Grafana Loki 在我們的安裝管理套件 Helm 中的選擇，也擁有了眼花撩亂的甜蜜煩惱，但經過我們對其的認識後，我們現在也能夠一一拆解並了解其中的差異，選擇出最適合自己的專屬 Helm Chart：

  • grafana/loki-canary：有如金絲雀般的探知 Grafana Loki 健康的好夥伴，另一個好消息是我們的金絲雀是虛擬的。
  • grafana/loki-stack：開箱及用的單體模式 Grafana Loki 全家桶，附帶的有 Prometheus、Grafana 與多種 Log Agent 選擇。
  • grafana/loki-distributed：微服務模式 Grafana Loki ，提供最細膩的個別設定。
  • grafana/loki-simple-scalable：簡易讀寫模式 Grafana Loki。
  • grafana/loki：Grafana 團隊決定力推最新的三件式模式 Grafana Loki，分別為讀、寫以及新加入的後端組件，新拆分出來的後端是為了使讀寫組件可以成為無狀態組件，將有狀態的資源集中在後端組件中，使其他組件可以無後顧之憂的擴縮。

雖然 Grafana 團對在 2022 年底，對外宣佈了日後將專注於維護 grafana/loki 這個 Helm Chart，但 grafana/loki-distributed 的 Helm Chart 依然深受社群喜愛、擁簇，或許也有很大部分的人們跟我們一樣，對那些被包裝過的組件中的魔法充滿好奇，想要盡可能一探究竟，接下來就讓我們使用 grafana/loki-distributed 來一一深入已經初步認識的組件吧。

實戰演練

在接下來的實戰中，我們將利用先前建立好的 Kube-Prometheus-Stack 及其相關設定來當作 Grafana Loki 的可視化介面，其中詳細安裝過程可以回頭複習一下「Kube-Prometheus-Stack 實戰系列」。

Grafana Loki Distributed 參數設定檔

現在我們要使用 values.yaml、config.yaml 兩個參數檔，進行對 Grafana Loki 的設定。

# values.yaml
fullnameOverride: loki

customParams:
  authEnabled: true

serviceMonitor:
  enabled: true

prometheusRule:
  enabled: true

ingester:
  kind: StatefulSet
  replicas: 1
  autoscaling:
    enabled: false
  resources: {}

distributor:
  replicas: 1
  autoscaling:
    enabled: false
  resources: {}

querier:
  replicas: 1
  autoscaling:
    enabled: false
  resources: {}

queryFrontend:
  replicas: 1
  autoscaling:
    enabled: false
  resources: {}

queryScheduler:
  enabled: true
  replicas: 2
  affinity: ''
  resources: {}

gateway:
  enabled: true
  replicas: 1
  autoscaling:
    enabled: false
  resources: {}
  basicAuth:
    enabled: true
    username: log-user
    password: log-password

compactor:
  enabled: true
  resources: {}

values.yaml 主要針對所有組件在 Kubernetes 叢集中的相關資源設定。

# configmap.yaml
loki:
  config: |
    auth_enabled: {{ .Values.customParams.authEnabled }}

    server:
      {{- toYaml .Values.loki.server | nindent 6 }}

    common:
      compactor_address: http://{{ include "loki.compactorFullname" . }}:3100

    distributor:
      ring:
        kvstore:
          store: memberlist

    memberlist:
      join_members:
        - {{ include "loki.fullname" . }}-memberlist

    ingester_client:
      grpc_client_config:
        grpc_compression: gzip

    ingester:
      lifecycler:
        ring:
          kvstore:
            store: memberlist
          replication_factor: 1
      chunk_idle_period: 30m
      chunk_block_size: 262144
      chunk_encoding: snappy
      chunk_retain_period: 1m
      max_transfer_retries: 0
      wal:
        dir: /var/loki/wal

    limits_config:
      enforce_metric_name: false
      reject_old_samples: true
      reject_old_samples_max_age: 168h
      max_cache_freshness_per_query: 10m
      split_queries_by_interval: 15m

    {{- if .Values.loki.schemaConfig}}
    schema_config:
    {{- toYaml .Values.loki.schemaConfig | nindent 2}}
    {{- end}}
    {{- if .Values.loki.storageConfig}}
    storage_config:
    {{- if .Values.indexGateway.enabled}}
    {{- $indexGatewayClient := dict "server_address" (printf "dns:///%s:9095" (include "loki.indexGatewayFullname" .)) }}
    {{- $_ := set .Values.loki.storageConfig.boltdb_shipper "index_gateway_client" $indexGatewayClient }}
    {{- end}}
    {{- toYaml .Values.loki.storageConfig | nindent 2}}
    {{- if .Values.memcachedIndexQueries.enabled }}
      index_queries_cache_config:
        memcached_client:
          addresses: dnssrv+_memcached-client._tcp.{{ include "loki.memcachedIndexQueriesFullname" . }}.{{ .Release.Namespace }}.svc.{{ .Values.global.clusterDomain }}
          consistent_hash: true
    {{- end}}
    {{- end}}

    runtime_config:
      file: /var/{{ include "loki.name" . }}-runtime/runtime.yaml

    chunk_store_config:
      max_look_back_period: 0s
      {{- if .Values.memcachedChunks.enabled }}
      chunk_cache_config:
        embedded_cache:
          enabled: false
        memcached_client:
          consistent_hash: true
          addresses: dnssrv+_memcached-client._tcp.{{ include "loki.memcachedChunksFullname" . }}.{{ .Release.Namespace }}.svc.{{ .Values.global.clusterDomain }}
      {{- end }}
      {{- if .Values.memcachedIndexWrites.enabled }}
      write_dedupe_cache_config:
        memcached_client:
          consistent_hash: true
          addresses: dnssrv+_memcached-client._tcp.{{ include "loki.memcachedIndexWritesFullname" . }}.{{ .Release.Namespace }}.svc.{{ .Values.global.clusterDomain }}
      {{- end }}

    table_manager:
      retention_deletes_enabled: false
      retention_period: 0s

    query_range:
      align_queries_with_step: true
      max_retries: 5
      cache_results: true
      results_cache:
        cache:
          {{- if .Values.memcachedFrontend.enabled }}
          memcached_client:
            addresses: dnssrv+_memcached-client._tcp.{{ include "loki.memcachedFrontendFullname" . }}.{{ .Release.Namespace }}.svc.{{ .Values.global.clusterDomain }}
            consistent_hash: true
          {{- else }}
          embedded_cache:
            enabled: true
            ttl: 24h
          {{- end }}

    frontend_worker:
      {{- if .Values.queryScheduler.enabled }}
      scheduler_address: {{ include "loki.querySchedulerFullname" . }}:9095
      {{- else }}
      frontend_address: {{ include "loki.queryFrontendFullname" . }}-headless:9095
      {{- end }}

    frontend:
      log_queries_longer_than: 5s
      compress_responses: true
      {{- if .Values.queryScheduler.enabled }}
      scheduler_address: {{ include "loki.querySchedulerFullname" . }}:9095
      {{- end }}
      tail_proxy_url: http://{{ include "loki.querierFullname" . }}:3100

    compactor:
      shared_store: filesystem

    ruler:
      storage:
        type: local
        local:
          directory: /etc/loki/rules
      ring:
        kvstore:
          store: memberlist
      rule_path: /tmp/loki/scratch
      alertmanager_url: https://alertmanager.xx
      external_url: https://alertmanager.xx
    
    ### Custom Configs ###
    query_scheduler:
      max_outstanding_requests_per_tenant: 32768 # default 100

    querier:
      max_concurrent: 16 # default 10

  schemaConfig:
    configs:
      - from: "2023-01-05"
        store: tsdb
        object_store: filesystem
        schema: v11
        index:
          period: 24h
          prefix: loki_index_

  storageConfig:
    tsdb_shipper:
      active_index_directory: /var/loki/tsdb-index
      cache_location: /var/loki/tsdb-cache
      shared_store: filesystem
    filesystem:
      directory: /var/loki/chunks

config.yaml 提供了 Grafana Loki 中每個組件的設定參數調教以及相關儲存設定。

Grafana Loki Distributed 安裝

helm upgrade --install loki grafana/loki-distributed -f values.yaml -f config.yaml -n logging --version 0.74.2
------
Release "loki" does not exist. Installing it now.
NAME: loki
LAST DEPLOYED: Tue Sep 19 23:15:17 2023
NAMESPACE: logging
STATUS: deployed
REVISION: 1
TEST SUITE: None
NOTES:
***********************************************************************
 Welcome to Grafana Loki
 Chart version: 0.74.2
 Loki version: 2.9.1
***********************************************************************

Installed components:
* gateway
* ingester
* distributor
* querier
* query-frontend
* query-scheduler
* compactor

接下來我們就可以在 Kubernetes 叢集中看到熟悉各種 Loki 組件：

kubectl get pods -n logging
------
NAME                                    READY   STATUS    RESTARTS   AGE
loki-compactor-57d64f4f9d-lndcw         1/1     Running   0          115m
loki-distributor-6c7d7ff64c-6jx8x       1/1     Running   0          115m
loki-gateway-6c79cb7b45-4qmh5           1/1     Running   0          23h
loki-ingester-0                         1/1     Running   0          115m
loki-querier-0                          1/1     Running   0          115m
loki-query-frontend-67f5489cf9-67xj4    1/1     Running   0          115m
loki-query-scheduler-7b59cf7768-d4q6m   1/1     Running   0          115m
loki-query-scheduler-7b59cf7768-s4p5v   1/1     Running   0          114m

現在我們已經成功運作起來完整的微服務模式 Grafana Loki，但如果我們只空有日誌服務卻沒有人來幫忙推送日誌過來是不行的，所以我們需要一位可靠的 Log Agent 擔任對 Grafana Loki 發送日誌的角色。

Promtail 參數設定檔

Promtail 是 Grafana Loki 自家開發的 Log Agent，可以從 Grafana 官方文件找到非常豐富的設定範例。當然我們也可以使用先前提到的 Grafana Agent，但由於 Grafana Agent 太過於強大，非常適合額外介紹，這裡我們就使用更簡易的 Promtail。

# values.yaml
fullnameOverride: promtail

daemonset:
  enabled: true

config:
  clients:
    - url: http://loki-gateway.logging/loki/api/v1/push
      tenant_id: log-user
      external_labels:
        cluster: docker-desktop
      basic_auth:
        username: log-user
        password: log-password

可以看到 Promtail 對於在 Kubernetes 環境下的 Grafana Loki 設定開箱及用，不需要額外設定即可快速收集到每個資源的日誌，基本上我們只要把指向 clients 到我們剛建立的 Grafana Loki 即可。

Promtail 安裝

helm upgrade --install promtail grafana/promtail -f values.yaml -n logging --create-namespace
------
Release "promtail" does not exist. Installing it now.
NAME: promtail
LAST DEPLOYED: Wed Sep 20 00:45:11 2023
NAMESPACE: logging
STATUS: deployed
REVISION: 1
TEST SUITE: None
NOTES:
***********************************************************************
 Welcome to Grafana Promtail
 Chart version: 6.15.1
 Promtail version: 2.8.4
***********************************************************************

Verify the application is working by running these commands:
* kubectl --namespace logging port-forward daemonset/promtail 3101
* curl http://127.0.0.1:3101/metrics

現在 Promtail 將會以 Daemonset 資源存在 Kubernetes 中為我們收集所有 Pod 的日誌了。

kubectl get daemonset -n logging
------
NAME       DESIRED   CURRENT   READY   UP-TO-DATE   AVAILABLE   NODE SELECTOR   AGE
promtail   1         1         1       1            1           <none>          23h

Grafana Loki Distributed 參數設定檔詳解

以下將詳細拆解我們使用到的參數設定檔，幫助大家了解實際設定。

Prometheus Monitoring

serviceMonitor:
  enabled: true

prometheusRule:
  enabled: true

幫助我們預先建立 Grafana loki 的 serviceMonitor 以及 prometheus Rule，提供開箱及用的 Prometheus 指標設定和告警。

Components Resources

querier:
  replicas: 1
  autoscaling:
    enabled: false
  resources: {}

queryFrontend:
  replicas: 1
  autoscaling:
    enabled: false
  resources: {}
...others

在上面提供的設定檔中，各個組件使用的資源設定以及 autoscaling 的 HPA 都可以在 Helm Values 中特別設定，為了方便示範這邊沒有特別設定參數，請注意在生產環境中，依照自己的需求調整。

Component - Ingester

ingester:
  kind: StatefulSet
  replicas: 1
  autoscaling:
    enabled: false
  resources: {}

在微服務模式中的 Ingester 組件可以指定為 StatefulSet | Deployment 其中一種資源類型，Deployment 代表著無狀態模式，可能會面臨資料遺失的問題，而 StatefulSet 提供 Volume 設定作為持久化儲存，大大降低遺失資料的風險。

Component - QueryScheduler

queryScheduler:
  enabled: true
  replicas: 2
  affinity: ''
  resources: {}

QueryScheduler 如果開啟則代表著原本在 QueryFrontend 中作為給 Querier 消耗的隊列，將會以單獨組件的形式抽離 QueryFrontend。而 replicas 2 的數量為官方推薦最舒適的值。而 affinity 為空值的部分，是為了清空 QueryScheduler 預設只能在一個節點中存在一個 QueryScheduler Pod 的反親和設定，因為我們本機上 Docker Desktop 內的 Kubernetes 叢集正常情況下只會有一個節點 。

Component - Gateway

gateway:
  enabled: true
  replicas: 1
  autoscaling:
    enabled: false
  resources: {}
  basicAuth:
    enabled: true
    username: log-user
    password: log-password

Gateway 是一個以 Nginx 服務在 Grafana Loki 組件最前方替我們負載均衡所有讀寫請求的守門人，並且提供基本的驗證，可以大大降低我們將 Loki 端點公開的風險。

Component - Compactor

compactor:
  enabled: true
  resources: {}

Compactor 可以替我們將多個塊合併並且去重，達到更高的儲存效率，而 Compactor 同時也可以實現相關 retention 策略與刪除塊等操作：

compactor:
  working_directory: /var/lib/loki/retention
  shared_store: filesystem
  compaction_interval: 10m
  retention_enabled: true
  retention_delete_delay: 2h
  retention_delete_worker_count: 150
limits_config:
  retention_period: 90d

在 loki.config 內可以調整 Compactor 對 retention 的相關設定。

注意：啟用 retention 設定時需要非常的小心，建議先在非生產環境中經過完整測試。

Muti-tenancy

customParams:
  authEnabled: true

loki:
  config: |
    auth_enabled: {{ .Values.customParams.authEnabled }}
....

當我們開啟了 auth_enabled 參數時，代表著 Grafana Loki 將以多租戶模式運作，所有對 Loki 的寫入和讀取都需要使用帶有 X-Scope-OrgID 的 Header用來區分不同租戶。

Loki Config

loki:
  config: |
		....
    ### Custom Configs ###
    query_scheduler:
      max_outstanding_requests_per_tenant: 32768 # default 100

    querier:
      max_concurrent: 16 # default 10
		....

整個 loki.config 內容將會被我們提供的所有參數組合成最終的 loki config，供每個組件使用，大部分時候我們可以直接使用預設模板，也可以依照自己的需求對每個組件做內部參數調整，就像是下半部分提供的客製設定。

TSDB Storage Config

loki:
	config: |
		....
    ### Custom Configs ###
    query_scheduler:
      max_outstanding_requests_per_tenant: 32768 # default 100

    querier:
      max_concurrent: 16 # default 10

  schemaConfig:
    configs:
      - from: "2023-01-05"
        store: tsdb
        object_store: filesystem
        schema: v11
        index:
          period: 24h
          prefix: loki_index_

  storageConfig:
    tsdb_shipper:
      active_index_directory: /var/loki/tsdb-index
      cache_location: /var/loki/tsdb-cache
      shared_store: filesystem
    filesystem:
      directory: /var/loki/chunks

TSDB 時序儲存絕對是 Grafana Loki 2.X 中的一大亮點，它擁有比前一代索引模式 boltdb 更好的機制以及更有效率的查找模式，有幸我們可以在 Loki 2.8 後成為穩定功能後搶先體驗，甚至連 Grafana Loki Distributed Helm Chart 在當前版本都沒有還沒有提供預設參數，但我們基於實踐精神說什麼都要使用上，所以在這裡奉上相關設定。

由於 TSDB 擁有時序資料庫的特性，擅長於更多更小的查詢，所以官方推薦我們在使用 TSDB 可以加大他的併發相關設定。

在 Grafana Explore 中實際體驗 Grafana Loki

首先讓我們將 Grafana 端點導出來：

kubectl port-forward service/prometheus-stack-grafana 3000:80 -n prometheus
------
Forwarding from 127.0.0.1:3000 -> 3000
Forwarding from [::1]:3000 -> 3000

接著進入我們本機中的 localhost:3000 就能看到精美的 Grafana Login 頁面。

新增 Loki 為新的 Data Source

在其中我們需要應對我們的設定輸入對應的相關參數：

  • URL：輸入 loki-gateway 或 loki-query-frontend 的端點。
  • Basic Auth：輸入我們設定的 username 與 password。
  • Custom HTTP Header：這裡需要輸入 X-Scope-OrgID 以及對應 tenant_id 鍵值對。

https://ithelp.ithome.com.tw/upload/images/20231008/20149562aCgVDyy0Y5.png

進入 Grafana Explore 選取 Grafana Loki Data Source

現在，我們可以成功地在 Grafana Loki 中看到所有來自 Kubernete 叢集的日誌了，並且還能看到我們額外設定的 cluster=docker-desktop 標籤，代表 Promtail 也如我們料想中的一樣，通過了 Basic Auth 驗證並且在每筆日誌中附帶指定標籤。

https://ithelp.ithome.com.tw/upload/images/20231008/20149562xXzmHt9Glo.png

結論

在實戰演練環節，我們成功了安裝 Grafana Loki 並且使用了 Promtail 當作 Log Agent，完成了足以應付生產環境的大部分設定，並且搶先體驗了最新一代的索引解決方案 TSDB，雖然還沒有大規模的資料量，但什麼都用最新的心裡就是很舒坦，最後我們使用了前面章節架設起的 Grafana 成功揭露 Grafana Loki 的神秘面紗。其中每個地方都可以說是細節滿滿，都很適合獨立寫一個章節介紹，不論是 Grafana 與 Loki 的高度整合或是單純比較 boltdb 與 TSDB 帶來的改變，都十分的令人著迷，或許往後的某天反應不錯還能再詳細介紹下去。接下來就讓我們進入效能調校的世界，看看如何打造更強大的 Grafana Loki 吧。

相關程式碼同步收錄在：

https://github.com/MikeHsu0618/grafana-stack-in-kubernetes/tree/main/day23

References

6 easy ways to improve your log dashboards with Grafana and Grafana Loki | Grafana Labs

The only Helm chart you need for Grafana Loki is here | Grafana Labs

Grafana Loki 2.7: TSDB index, Promtail enhancements, and more

Grafana Loki 2.8 release: TSDB, LogQL enhancements, and more

Grafana Loki 2.9 release: TSDB volume endpoints, remote rule evaluations, LogQL optimizations | Grafana Labs


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1123 組
團體組數
52 組
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