基于鐵路系統(tǒng)云平臺監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

聞彩麗，蔣文怡

（北京交通大學(xué) 電子信息工程學(xué)院， 北京 100044）

近年來，為了實現(xiàn)鐵路內(nèi)部各信息系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)共享與業(yè)務(wù)協(xié)同，以及能在同一網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上開展業(yè)務(wù)和采用新技術(shù)，需要將相關(guān)業(yè)務(wù)系統(tǒng)以及業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)遷移到云計算平臺上[1]。為了保證鐵路信息系統(tǒng)能在云上穩(wěn)定運行，平臺需要提供統(tǒng)一的監(jiān)控服務(wù)來實時地監(jiān)控物理服務(wù)器的狀態(tài)和資源使用信息，對出現(xiàn)的異常及時告警，由運維人員進行快速處理。開源的監(jiān)控軟件Zabbix由于其強大的展現(xiàn)功能和可擴展性被廣泛使用。但是由于鐵路的覆蓋范圍廣泛，需要在不同的鐵路局集團公司部署云計算平臺，同時也需要在不同的云計算中心部署監(jiān)控服務(wù)。現(xiàn)有的Zabbix部署方式是通過在服務(wù)器上下載安裝包，然后由運維人員手工進行安裝和系統(tǒng)配置。這種部署方式操作繁多、效率低[2-3]，實現(xiàn)的監(jiān)控系統(tǒng)通常只能監(jiān)控平臺的基礎(chǔ)設(shè)備，對平臺中重要的容器服務(wù)的狀態(tài)和性能信息是無法監(jiān)控的[4]。本文基于云計算中的容器技術(shù)，提出了基于Zabbix軟件的監(jiān)控系統(tǒng)的自動化部署方式。同時，實現(xiàn)的監(jiān)控系統(tǒng)可以監(jiān)控物理服務(wù)器上的各項指標(biāo)參數(shù)。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

Zabbix作為一個基于Web界面的企業(yè)級監(jiān)控軟件，主要是用來監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的眾多參數(shù)以及服務(wù)器健康的完整性軟件，以保證服務(wù)器系統(tǒng)能夠安全運營[5]。Zabbix提供了靈活的通知機制，允許用戶為任何事件配置基于電子郵件的警報，實現(xiàn)對服務(wù)器問題的快速響應(yīng)[6]。Zabbix是由服務(wù)組件共同協(xié)作來完成監(jiān)控服務(wù)的，包含的組件如下。

（1）Zabbix Server：是 Zabbix的核心組件，可以通過SNMP，Zabbix Agent 等方式提供對遠程服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的監(jiān)控和數(shù)據(jù)收集功能。

（2）MysqL：負責(zé)用來存儲用戶的配置信息和從Agent上收集到的數(shù)據(jù)。

（3）ZabbixProxy：常用于分布式監(jiān)控環(huán)境中，代理Server收集部分被監(jiān)控的數(shù)據(jù)并統(tǒng)一發(fā)往Server端。

（4）Zabbix Web：提供Web界面，方便用戶通過界面瀏覽每個服務(wù)器的數(shù)據(jù)信息和監(jiān)控狀態(tài)。

（5）Zabbix Agent： 部署在被監(jiān)控主機上，負責(zé)收集本地數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)往Server端或Proxy端。

當(dāng)需要被監(jiān)控的主機的數(shù)量較多時，可以基于Zabbix的分布式架構(gòu)，實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的可用性和可擴展性。監(jiān)控系統(tǒng)的分布式架構(gòu)圖，如圖1所示。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)的分布式架構(gòu)圖

1.2 系統(tǒng)功能

Zabbix可以用來監(jiān)控不同的物理設(shè)備。這里只介紹對物理主機的監(jiān)控。Zabbix已經(jīng)提供了一些強大的的功能，如圖2的功能概括圖所示，實現(xiàn)了對主機的全面監(jiān)控。

（1）為主機關(guān)聯(lián)模板：Zabbix提供的默認(rèn)模板，已經(jīng)定義好了監(jiān)控項可以直接使用。我們也可以創(chuàng)建自定義監(jiān)控項。

（2）主機監(jiān)控指標(biāo)收集：實現(xiàn)這一功能的前提是已在主機上部署了Zabbix Agent服務(wù)，在模板關(guān)聯(lián)后，就開始收集數(shù)據(jù)。

（3）問題自動檢測：在創(chuàng)建監(jiān)控項時，需要為監(jiān)控項設(shè)置觸發(fā)器，系統(tǒng)會自動檢測獲取的數(shù)據(jù)是否會超過閾值。

（4）告警及時通知：當(dāng)系統(tǒng)檢測到問題時，需要通知相關(guān)人員進行查看和處理。

（5）監(jiān)控數(shù)據(jù)可視化顯示：為了方便用戶查看監(jiān)控信息的變動，可以通過可視化界面將數(shù)據(jù)以圖像的形式顯示出來。

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)的功能概括圖

Zabbix提供的主機默認(rèn)監(jiān)控項有CPU、內(nèi)存、硬盤、網(wǎng)絡(luò)接口以及操作系統(tǒng)的相關(guān)監(jiān)控信息等。這些監(jiān)控項只是從主機的系統(tǒng)信息的角度考慮。在主機上還有許多用來構(gòu)建云平臺的服務(wù)容器還沒有監(jiān)控起來，當(dāng)某個容器掛掉之后，云平臺對外提供服務(wù)就會受到影響。尤其是對于大量的鐵路業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的存儲是通過ceph容器實現(xiàn)的。這時就需要能實時監(jiān)控容器的狀態(tài)和性能信息。因此我們需要在原有監(jiān)控項的基礎(chǔ)上通過編寫腳本來實現(xiàn)對容器模板和監(jiān)控項的自定義。

2 技術(shù)支撐

實現(xiàn)Zabbix系統(tǒng)的自動化部署到服務(wù)的快速啟動過程，需要借助Docker技術(shù)和AnsibLe技術(shù)。Docker通過構(gòu)建鏡像來將Zabbix相關(guān)服務(wù)組件進行容器化。AnsibLe用來實現(xiàn)將各個組件容器在多個主機上進行自動化部署和系統(tǒng)配置[7]。

2.1 Docker

Docker是一個開源項目，它基于Linux內(nèi)核的Cgroup、Namespace等技術(shù)，對進程進行封裝隔離，屬于操作系統(tǒng)層面的虛擬化技術(shù)[8]。由于隔離的進程獨立于宿主機和其它的進程，因此也稱其為容器，這與虛擬機的虛擬化技術(shù)有著明顯的差別。如圖3所示，虛擬機的虛擬化實現(xiàn)是在物理硬件和操作系統(tǒng)之間加了一層中間軟件層，即Hypervisor，它可以對下層的硬件資源進行封裝、隔離、抽象，使它們成為另一種形式的邏輯資源，再提供給上層的虛擬機[9]。對每個虛擬機來說都擁有獨立的操作系統(tǒng)。對于容器的虛擬化實現(xiàn)來說，容器是共享主機的操作系統(tǒng)的。在操作系統(tǒng)的上層通過通過Docker Engine，將不同的應(yīng)用鏡像打包，使它們相互隔離[10]。

圖3 容器和虛擬化技術(shù)的比較

2.2 Ansible

Ansible是一個自動化運維工具，可以實現(xiàn)批量系統(tǒng)配置、批量程序部署、批量運行命令等功能[11]。Anisble包含許多基于Python編寫的模塊，為部署提供某項具體的功能。Ansible要完成在多個主機上部署服務(wù)的功能，不僅需要模塊的支持，還需要通過Hosts文件來管理這些主機，默認(rèn)通過SSH來實現(xiàn)主機之間的通信。在主機上執(zhí)行的任務(wù)通常是通過playbooks來定義的，將多個任務(wù)也就是執(zhí)行的命令定義在roles文件中,由Ansible自動執(zhí)行的。由于Ansible具有配置簡單、擴展性強、部署簡單等優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用在了云計算平臺。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)部署實現(xiàn)

監(jiān)控系統(tǒng)是通過在多個主機上部署Zabbix服務(wù)組件，由組件之間互相通信來實現(xiàn)的。傳統(tǒng)的部署方式需要操作人員下載安裝包，手動進行安裝，這種方式不適合用于在多個主機上部署服務(wù)。基于Docker技術(shù)，將Zabbix的服務(wù)組件容器化。基于AnsibLe技術(shù)，實現(xiàn)服務(wù)的自動化部署過程。Zabbix容器化到自動化部署的過程，如圖4所示。

圖4 Zabbix容器化到自動化部署的實現(xiàn)流程圖

3.1.1 鏡像的構(gòu)建和推送

Zabbix各個組件鏡像的制作是Docker 通過執(zhí)行Dockerfile文件來實現(xiàn)的。Dockerfile文件中包括基礎(chǔ)鏡像，以及在基礎(chǔ)鏡像的上執(zhí)行的一些命令和定義的參數(shù)。構(gòu)建出的鏡像是與主機環(huán)境隔離的，不受主機環(huán)境的影響。將構(gòu)建好的鏡像通過Docker命令推送到自己的代碼倉庫中方便管理。Zabbix中需要制作鏡像的組件包括：Zabbix Server、Zabbix Web、Zabbix Proxy、Zabbix Agent。圖5是Zabbix-agent的Dockerfile文件主要代碼。

3.1.2 自動化部署的實現(xiàn)

自動化部署是基于Ansible技術(shù)通過編寫部署代碼來實現(xiàn)的。其中，包括對Zabbix服務(wù)容器的的啟動、配置和擴展的自動化實現(xiàn)。自動化部署的代碼實現(xiàn)流程圖，如圖6所示。

其中，group_vars文件夾中all.yml定義的是部署Zabbix各個服務(wù)組件時用到的一些常用變量，包括各個鏡像的名稱、容器的名稱、數(shù)據(jù)庫的地址、用戶和密碼等。inventory文件夾中的hosts文件定義的是要部署服務(wù)的主機組和主機。roles文件夾下定義的是要執(zhí)行的任務(wù)以及執(zhí)行任務(wù)的先后順序。順序如下：

（1）為了方便數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理，我們選擇在云計算平臺的數(shù)據(jù)庫添加Zabbix數(shù)據(jù)庫。正如圖6中所示，需要創(chuàng)建Zabbix數(shù)據(jù)庫、用戶、密碼，用戶和密碼是用來登錄Zabbix數(shù)據(jù)庫的。

（2）啟動Zabbix Server、Zabbix Web 容器。需要先從Docker倉庫中拉取該服務(wù)的鏡像來啟動容器。該服務(wù)需要部署到將要作為Server的物理節(jié)點上，讓這兩服務(wù)先對外提供服務(wù)，為后面的服務(wù)連接提供保障。

（3）在已經(jīng)啟動好的Zabbix Server中在創(chuàng)建主機組和導(dǎo)入自定義的模板。當(dāng)部署多個異地的云計算中心時，監(jiān)控系統(tǒng)也需要部署多個，該步驟可以保證不同監(jiān)控系統(tǒng)的起始數(shù)據(jù)的一致性。這使得維護人員不需要重新創(chuàng)建模板，或者是手動導(dǎo)入模板，極大地簡化了維護操作流程。

（4）啟動Zabbix Proxy服務(wù)。需要先從Docker倉庫中拉取該服務(wù)的鏡像來啟動容器。該服務(wù)是用來對監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)分布式管理的，部署到其他的主機上，當(dāng)需要監(jiān)控的物理節(jié)點較多時，可以采用分布式架構(gòu)。

（5）啟動Zabbix Agent服務(wù)。需要先從Docker倉庫中拉取該服務(wù)的鏡像來啟動容器。該服務(wù)要部署到需要被監(jiān)控的每臺物理節(jié)點上，由Agent來收集主機的監(jiān)控信息，發(fā)往Server端。

圖5 Docker file文件中的主要代碼圖

圖6 自動化部署的代碼實現(xiàn)流程圖

只需要在部署服務(wù)器上拷貝Zabbix 部署的代碼，通過執(zhí)行“ansible-playbook -i ./inventory/hosts site.yml -e action=collect”該命令，既可以將整個監(jiān)控服務(wù)搭建起來，完成部署的所有操作，縮短了部署的時間。部署成功后在物理節(jié)點上執(zhí)行“Docker ps”，出現(xiàn)如圖7所示的界面，說明通過自動化部署在物理節(jié)點control上成功部署了Zabbix Server、Zabbix Web、Zabbix Agent的服務(wù)。

圖7 部署成功的結(jié)果圖

3.2 系統(tǒng)功能的實現(xiàn)

在Zabbix提供的原有功能外，通對Zabbix Agent進行二次開發(fā)，使它能獲取主機上容器的監(jiān)控數(shù)據(jù)。因為容器是與主機外的環(huán)境是隔離的。因此在啟動Zabbix Agent容器時需要將主機上的Docker.socket進程掛載到容器中，通過該進程獲取主機外的容器的相關(guān)信息。在該容器中編寫Python腳本來實現(xiàn)對所有容器的監(jiān)控的。圖8是腳本中用來監(jiān)控容器的CPU使用率的關(guān)鍵代碼。

通過自定義用來監(jiān)控容器的模板，實現(xiàn)了對容器的性能信息和狀態(tài)信息的監(jiān)控。

圖8 實現(xiàn)獲取容器CPU使用率的相關(guān)代碼圖

4 結(jié)束語

利用Docker技術(shù)和Ansible技術(shù)，基于Zabbix軟件的監(jiān)控系統(tǒng)的自動化部署方式，已在學(xué)校實驗室的云平臺環(huán)境得到了應(yīng)用。應(yīng)用結(jié)果表明，該方法可以在2 min中內(nèi)將整個監(jiān)控系統(tǒng)部署好，并且監(jiān)控系統(tǒng)可以根據(jù)在部署時導(dǎo)入的自定義模板實時監(jiān)控到云環(huán)境中的物理服務(wù)器的狀態(tài)和性能信息。通過對Zabbix軟件的功能擴展，實現(xiàn)的監(jiān)控系統(tǒng)也可以實時監(jiān)控到云平臺中的容器服務(wù)的狀態(tài)和性能信息。隨著鐵路云計算平臺的擴展，該監(jiān)控系統(tǒng)的容器化和自動化方式將會得到快速的應(yīng)用。