中间件运维之故障自愈

原创 Carry 安第斯智能云

1. 背景

1. 目前中间件容器节点故障、机器资源不足(磁盘大小、内存大小、cpu)等问题时有发生，接入自动化运维后可快速的处理集群异常问题。

2. 以前处理问题需要人工介入，人力成本较大，运维流程缺乏规范。

2. 目标

1. 标准化，规范运维流程，制定标准的运维流程。

2. 可视化，运维流程可视化、平台化，做到可追踪，可回溯。

3. 自动化，容器重建，进程启停，部分指标通过根因分析实现故障自愈。

3. 故障自愈架构图

故障自愈的监控数据采集模块，周期性将采集到的各实例指标数据上报给处理器，处理器通过调用元数据模块获取匹配规则、故障自愈处理流。匹配异常数据成功并生成运维事件，再经过事件收敛过滤以确保没有大批量相同属性(如同业务、机房等)，最后执行对应编排的自愈处理流，运维事件恢复，发送通知，业务恢复正常。

产品架构图：

整体流程图：

4. 方案设计

4.1 故障识别

通过拉取实例监控数据、多指标聚合检测识别出异常，并触发故障自动化流程。

方案一：过滤型检测监控数据

过滤型检测匹配，只跟数据本身有关，时间窗口设定没有要求，数据来一条处理一条。达到设定的异常阈值时触发运维事件。此检测方案过于粗暴，对于一些监控数据存在瞬时突刺现象也会触发误运维，若频繁自愈会影响中间件稳定性。此方案一般用于告警触发，用作运维触发存在一定风险。

方案二：基于窗口时间检测

窗口选择分类：

固定窗口(fixed windows)：设置一个固定的时间长度，实时统计窗口时间内的数据。通常情况会根据key做一些Partition划分，这样可以做一些并发处理，加速计算。

滑动窗口(sliding windows)：设置一个窗口长度和滑动长度，如果滑动长度小于窗口的长度，那么就出现一部分窗口会互相覆盖，部分数据存在重复计算；如果窗口长度等于执行周期，那么就是固定窗口的模式；如果窗口长度小于执行周期，就是抽样的计算了。

会话窗口(session windows)：针对的是具体的某个事件，比如特定的人看的视频集合等。会话要等待的数据是不确定什么时候到来的，窗口永远是不规整的。

结论：周期性监控数据可以看作相对规律且无穷的数据，故而前两种窗口模式做流式计算比较适合。

窗口时间选择：

基于计算时间的窗口处理问题是非常简单的，只要关注窗口内的数据就可以了，数据完整性也不用操心。但是实际的数据里肯定带有事件时间，这个时间的数据通常在分布式系统中也是无序的，要是系统出现某些点的延迟，那么得到的结果其准确性就大大降低了。基于事件时间对于业务准确性有很明显的好处，但是也有很明显的缺点，因为数据延迟，在分布式系统很难说这段时间内，数据已经完整了。

数据完整性保障：

显然无论窗口给的多大，永远无法保证，符合窗口内事件时间的数据一定能够准时到达，利用watermarks （水位线）可以解决什么时候认为数据结束关闭窗口进行计算的问题。如下图：

设定固定窗口2分钟聚合计算，得到的4个窗口聚合结果分别是6、6、7、12，但在第一个窗口12:02聚合结束后，其实该窗口数据在12:03才算完整完整，故而得到的结果不准确，引入watermark可得到正确的聚合结果11。这里的watermark表示多长时间以前的数据将不再更新，也就是说每次窗口聚合之前会进行watermark的计算，首先判断这次聚合窗口最大事件时间，然后加上所能忍受的延迟时间就是watermark，当一组数据或新接收的数据事件时间大于watermark时，则该数据不会更新，可弹出窗口内的数据进行计算且在内存中不再维护该组数据的状态。

流式计算之固定窗口：

中间件监控数据周期性上报数据量不是很大，分布式系统中对于轻量级流可以考虑利用redis做实时聚合，并实现滚动窗口触发。

如上图所示，设定匹配的窗口大小为2分钟，允许数据最大延迟时间为2分钟，则watermark = 窗口时间的最大值+2，通过往redis缓存实时聚合两个窗口结果即可完成窗口持续滚动，当事件时间大于window1窗口的watermark threshold 时间时，立即弹出window1窗口给process处理器判断是否超过异常阈值，若超过则产生运维事件等待自愈，同时将第二个窗口window2的数据移动至第一个窗口window1中，从而实现持续滚动效果。

总结：滚动窗口占用缓存空间较少，聚合速度快，不足地方可能存在匹配不精准，如果设置窗口时间较大，聚合结果到达配置阈值的数据刚好位于两个窗口相连的数据集中，此时是不会触发运维事件的，其次多指标（一个监控指标对应一个固定窗口）匹配运维事件时，会存在多窗口到达水位线后的弹出时间对不齐的情况，可能存在永远匹配不上的情况。这个时候还需增加窗口之间匹配等待来解决该问题。基于滑动窗口方式可解决以上两个问题。

流式计算之滑动窗口：

多指标滑动窗口; DataEvent为某个实例监控数据，每分钟上报一次或多次，数据包含3个指标项metrics1、metrics2、metrics3，若配置三个指标项周期聚合结果超过设定阀值则触发运维事件，其周期窗口大小分别为6分钟、5分钟、3分钟，滑动窗口时间1分钟，允许最大延迟时间为1分钟，则在12:08分后同时弹出三个窗口数据进行聚合匹配运维事件规则。同时窗口向前移动，不再参与统计的数据则可不在缓存中维护，如上图带虚线的指标项数据。

4.2 事件收敛及自愈控制

事件收敛：

相同事件在短时间内多次发生，自愈事件可能会发生并行执行或在短时间内多次触发。自愈往往会涉及到容器或者服务重启，频繁自愈影响集群稳定性，对此可设置一个静默时间对事件做收敛，静默时间未过不再往自愈服务发送事件。

自愈控制：

1.同一集群下，集群事件与实例事件互斥，即保证在同一时刻只允许集群中的一个节点进行自愈行为。若集群中的实例都在自愈（如垂直扩容），则会导致集群不可用。同集群实例实现串行化自愈可通过MQ发送端利用集群ID做路由到指定队列上，消费端拉取队列按顺序消费完成。如下图所示：

2.当有新节点添加/下线时，会给节点2分钟的容忍时间，防止由于节点刚刚添加到集群/或下线的不稳定性导致错误自愈。

3.针对自愈解决不了的场景设置自愈次数上限，防止循环自愈，并发通知。

4.历史过期事件过滤，每个事件有过期时间，表示这个事件在发生多久后，会认为过期，事件在决策流程时会先判断是否有效，过期的事件不用再处理。

4.3 故障原因分析

运维事件触发回调进行故障分析，分析根本原因，识别误运维。拉取运维事件对应的根因分析策略，主要利用动态指标+决策树实现自愈，整个分析自愈模块可视化。指标：主要是监控项的指标，如系统负载、cpu使用率、内存使用率、网络I/O、磁盘使用率、系统日志、gc日志等。

e.g 决策树模型

e.g 节点离线总结结论

4.4 故障自愈

利用根因分析及异常结论总结，在元数据模块进行可视化的事件处理流程编排以及决策动作、执行动作的配置，当检测到运维事件发生后，结合事先编排的事件处理流，并执行相关的流程动作，实现服务自愈效果。

节点异常处理流编排如下：

5. 总结

通过拉取监控数据，检测匹配异常数据触发运维事件，再结合编排的事件处理流自动完成一些比较繁琐的自愈行为，整个执行流程可视化、串行化。以上仅例举节点异常事件编排，还可编排磁盘清理、扩容等运维场景，同时沉淀故障处理经验形成知识库，回溯过往发生的异常监控数据来提前发现问题，并处理潜在故障。

作者简介

Carry OPPO 高级后端工程师

目前在OPPO负责中间件自动化运维的研发，关注分布式调度、消息队列、Redis等中间件技术。

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