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openGauss数据库源码解析系列文章——AI技术(四):指标采集、预测与异常检测

Gauss松鼠会 2022-01-29
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上篇图文,我们分享了AI技术——智能索引推荐的相关精彩内容,本篇将详细介绍AI技术——指标采集、预测与异常检测的相关内容

8.5  指标采集、预测与异常检测

数据库指标监控与异常检测技术,通过监控数据库指标,并基于时序预测和异常检测等算法,发现异常信息,进而提醒用户采取措施避免异常情况造成严重后果。

8.5.1  使用场景

用户操作数据库的某些行为或某些正在运行的业务发生了变化,都可能会导致数据库产生异常,如果不及时发现并处理这些异常,可能会导致严重的后果。通常,数据库监控指标(metric,如CPU使用率、QPS等)能够反映出数据库系统的健康状况。通过对数据库指标进行监控,分析指标数据特征或变化趋势等信息,可及时发现数据库异常状况,并及时将告警信息推送给运维管理人员,从而避免造成损失。

8.5.2  实现原理

图1  Anomaly-Detection框架

指标采集、预测与异常检测是通过同一套系统实现的,在openGauss项目中名为Anomaly-Detection,它的结构如图1所示。该工具主要可以分为Agent和Detector两部分,其中Agent是数据库代理模块,负责收集数据库指标数据并将数据推送到Detector;Detector是数据库异常检测与分析模块,该模块主要有三个作用。
(1) 收集Agent端采集的数据并进行转储。
(2) 对收集到的数据进行特征分析与异常检测。
(3) 将检测出来的异常信息推送给运维管理人员。

1. Agent模块的组成

Agent模块负责采集并发送指标数据,该模块由DBSource、MemoryChannel、HttpSink三个子模块组成。
(1) DBSource作为数据源,负责定期去收集数据库指标数据并将数据发送到数据通道MemoryChannel中。
(2) MemoryChannel是内存数据通道,本质是一个FIFO队列,用于数据缓存。HttpSink组件消费MemoryChannel中的数据,为了防止MemoryChannel中的数据过多导致OOM(out of Memory,内存溢出),设置了容量上限,当超过容量上限时,过多的元素会被禁止放入队列中。
(3) HttpSink是数据汇聚点,该模块定期从MemoryChannel中获取数据,并以Http(s)的方式将数据进行转发,数据读取之后从MemoryChannel中清除。

2. Detector 模块组成

Detector模块负责数据检测,该模块由Server、Monitor两个子模块组成。
(1) Server是一个Web服务,为Agent采集到的数据提供接收接口,并将数据存储到本地数据库内部,为了避免数据增多导致数据库占用太多的资源,我们将数据库中的每个表都设置了行数上限。
(2) Monitor模块包含时序预测和异常检测等算法,该模块定期从本地数据库中获取数据库指标数据,并基于现有算法对数据进行预测与分析,如果算法检测出数据库指标在历史或未来某时间段或时刻出现异常,则会及时的将信息推送给用户。

8.5.3  关键源码解析

1. 总体流程解析

智能索引推荐工具的路径是openGauss-server/src/gausskernel/dbmind/tools/anomaly_detection,下面的代码详细展示了程序的入口。
def forecast(args):

# 如果没有指定预测方式,则默认使用’auto_arima’算法
if not args.forecast_method:
forecast_alg = get_instance('auto_arima')
else:
forecast_alg = get_instance(args.forecast_method)
# 指标预测功能函数
def forecast_metric(name, train_ts, save_path=None):

forecast_alg.fit(timeseries=train_ts)
dates, values = forecast_alg.forecast(
period=TimeString(args.forecast_periods).standard)
date_range = "{start_date}~{end_date}".format(start_date=dates[0],
end_date=dates[-1])
display_table.add_row(
[name, date_range, min(values), max(values), sum(values) / len(values)]
)
# 校验存储路径
if save_path:
if not os.path.exists(os.path.dirname(save_path)):
os.makedirs(os.path.dirname(save_path))
with open(save_path, mode='w') as f:
for date, value in zip(dates, values):
f.write(date + ',' + str(value) + '\n')
# 从本地sqlite中抽取需要的数据
with sqlite_storage.SQLiteStorage(database_path) as db:
if args.metric_name:
timeseries = db.get_timeseries(table=args.metric_name, period=max_rows)
forecast_metric(args.metric_name, timeseries, args.save_path)
else:
# 获取sqlite中所有的表名
tables = db.get_all_tables()
# 从每个表中抽取训练数据进行预测
for table in tables:
timeseries = db.get_timeseries(table=table, period=max_rows)
forecast_metric(table, timeseries)
# 输出结果
print(display_table.get_string())

# 代码远程部署
def deploy(args):
print('Please input the password of {user}@{host}: '.format(user=args.user, host=args.host))
# 格式化代码远程部署指令
command = 'sh start.sh --deploy {host} {user} {project_path}' \
.format(user=args.user,
host=args.host,
project_path=args.project_path)
# 判断指令执行情况
if subprocess.call(shlex.split(command), cwd=SBIN_PATH) == 0:
print("\nExecute successfully.")
else:
print("\nExecute unsuccessfully.")

# 展示当前监控的参数
def show_metrics():


# 项目总入口
def main():

2. 关键代码段解析

(1) 后台线程的实现。
前面已经介绍过了,本功能可以分为三个角色:Agent、Monitor以及Detector,这三个不同的角色都是常驻后台的进程,各自执行着不同的任务。Daemon类就是负责运行不同业务流程的容器类,下面介绍该类的实现。
class Daemon:
"""
This class implements the function of running a process in the background."""

def __init__(self):

def daemon_process(self):
# 注册退出函数
atexit.register(lambda: os.remove(self.pid_file))
signal.signal(signal.SIGTERM, handle_sigterm)
# 启动进程
@staticmethod
def start(self):
try:
self.daemon_process()
except RuntimeError as msg:
abnormal_exit(msg)

self.function(*self.args, **self.kwargs)
# 停止进程
def stop(self):
if not os.path.exists(self.pid_file):
abnormal_exit("Process not running.")

read_pid = read_pid_file(self.pid_file)
if read_pid > 0:
os.kill(read_pid, signal.SIGTERM)
if read_pid_file(self.pid_file) < 0:
os.remove(self.pid_file)
(2) 数据库相关指标采集过程。
数据库的指标采集架构,参考了Apache Flume的设计。将一个完整的信息采集流程拆分为三个部分,分别是Source、Channel以及Sink。上述三个部分被抽象为三个不同的基类,由此可以派生出不同的采集数据源、缓存管道以及数据的接收端。
前文提到过的DBSource即派生自Source、MemoryChannel派生自Channel,HttpSink则派生自Sink。下面这段代码来自metric_agent.py,负责采集指标,在这里将上述模块串联起来了。
def agent_main():

# 初始化通道管理器
cm = ChannelManager()
# 初始化数据源
source = DBSource()
http_sink = HttpSink(interval=params['sink_timer_interval'], url=url, context=context)
source.channel_manager = cm
http_sink.channel_manager = cm
# 获取参数文件里面的功能函数
for task_name, task_func in get_funcs(metric_task):
source.add_task(name=task_name,
interval=params['source_timer_interval'],
task=task_func,
maxsize=params['channel_capacity'])
source.start()
http_sink.start()
(3) 数据存储与监控部分的实现。
Agent将采集到的指标数据发送到Detector服务器上,并由Detector服务器负责存储。Monitor不断对存储的数据进行检查,以便提前发现异常。
这里实现了一种通过SQLite进行本地化存储的方式,代码位于sqlite_storage.py文件中,实现的类为SQLiteStorage,该类实现的主要方法如下:
# 通过时间戳获取最近一段时间的数据
def select_timeseries_by_timestamp(self, table, period):

# 通过编号获取最近一段时间的数据
def select_timeseries_by_number(self, table, number):

其中,由于不同指标数据是分表存储的,因此上述参数table也代表了不同指标的名称。
异常检测当前主要支持基于时序预测的方法,包括Prophet算法(由Facebook开源的工业级时序预测算法工具)和ARIMA算法,他们分别被封装成类,供Forecaster调用。
上述时序检测的算法类都继承了AlgModel类,该类的结构如下:
class AlgModel(object):
"""
This is the base class for forecasting algorithms.
If we want to use our own forecast algorithm, we should follow some rules.
"""

def __init__(self):
pass

@abstractmethod
def fit(self, timeseries):
pass

@abstractmethod
def forecast(self, period):
pass

def save(self, model_path):
pass

def load(self, model_path):
pass
在Forecast类中,通过调用fit()方法,即可根据历史时序数据进行训练,通过forecast()方法预测未来走势。
获取到未来走势后如何判断是否是异常呢?方法比较多,最简单也是最基础的方法是通过阈值来进行判断,在我们的程序中,默认也是采用该方法进行判断的。

8.5.4  使用示例

Anomaly-Detection工具有start、stop、forecast、show_metrics、deploy五种运行模式,各模式说明如表1所示。
表1 Anomaly-Detection使用模式及说明

模式名称

说明

start

启动本地或者远程服务

stop

停止本地或远程服务

forecast

预测指标未来变化

show_metrics

输出当前监控的参数

deploy

远程部署代码

Anomaly-Detection工具运行模式使用示例如下所示。
① 使用start模式启动本地collector服务,代码如下:
python main.py startrole collector
② 使用stop模式停止本地collector服务,代码如下:
python main.py stoprole collector
③ 使用start模式启动远程collector服务,代码如下:
python main.py start --user xxx --host xxx.xxx.xxx.xxxproject-path xxxrole collector
④ 使用stop模式停止远程collector服务,代码如下:
python main.py stop --user xxx --host xxx.xxx.xxx.xxxproject-path xxxrole collector
⑤ 显示当前所有的监控参数,代码如下:
python main.py show_metrics
⑥ 预测io_read未来60秒的最大值、最小值和平均值,代码如下:
python main.py forecastmetric-name io_readforecast-periods 60Ssave-path predict_result
⑦ 将代码部署到远程服务器,代码如下:
python main.py deployuser xxxhost xxx.xxx.xxx.xxxproject-path xxx

8.5.5  演进路线

Anomaly-Detection作为一款数据库指标监控和异常检测工具,目前已经具备了基本的数据收集、数据存储、异常检测、消息推送等基本功能,但是目前存在以下几个问题。
(1) Agent模块收集数据太单一。目前Agent只能收集数据库的资源指标数据,包IO、磁盘、内存、CPU等,后续还需要在采集指标丰富度上作增强。
(2) Monitor内置算法覆盖面不够。Monitor目前只支持两种时序预测算法,同时针对异常检测额,也仅支持基于阈值的简单情况,使用的场景有限。
(3) Server仅支持单个Agent传输数据。Server目前采用的方案仅支持接收一个Agent传过来的数据,不支持多Agent同时传输,这对于只有一个主节点的openGauss数据库暂时是够用的,但是对分布式部署显然是不友好的。
因此,针对以上三个问题,未来首先会丰富Agent以便于收集数据,主要包括安全指标、数据库日志等信息。其次在算法层面上,编写鲁棒性(即算法的健壮性与稳定性)更强的异常检测算法,增加异常监控场景。同时,需要对Server进行改进,使其支持多Agent模式。最后,需要实现故障自动修复功能,并与本功能相结合。

以上内容为AI技术中指标采集、预测与异常检测详细介绍,下篇图文将分享“AI查询时间预测”的相关内容,敬请期待!


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最后修改时间:2022-02-24 18:40:19
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