b485ce023742a3bca1fc94cfdc1d78eb93f7228e
[ganeti-local] / doc / design-monitoring-agent.rst
1 =======================
2 Ganeti monitoring agent
3 =======================
4
5 .. contents:: :depth: 4
6
7 This is a design document detailing the implementation of a Ganeti
8 monitoring agent report system, that can be queried by a monitoring
9 system to calculate health information for a Ganeti cluster.
10
11 Current state and shortcomings
12 ==============================
13
14 There is currently no monitoring support in Ganeti. While we don't want
15 to build something like Nagios or Pacemaker as part of Ganeti, it would
16 be useful if such tools could easily extract information from a Ganeti
17 machine in order to take actions (example actions include logging an
18 outage for future reporting or alerting a person or system about it).
19
20 Proposed changes
21 ================
22
23 Each Ganeti node should export a status page that can be queried by a
24 monitoring system. Such status page will be exported on a network port
25 and will be encoded in JSON (simple text) over HTTP.
26
27 The choice of JSON is obvious as we already depend on it in Ganeti and
28 thus we don't need to add extra libraries to use it, as opposed to what
29 would happen for XML or some other markup format.
30
31 Location of agent report
32 ------------------------
33
34 The report will be available from all nodes, and be concerned for all
35 node-local resources. This allows more real-time information to be
36 available, at the cost of querying all nodes.
37
38 Information reported
39 --------------------
40
41 The monitoring agent system will report on the following basic information:
42
43 - Instance status
44 - Instance disk status
45 - Status of storage for instances
46 - Ganeti daemons status, CPU usage, memory footprint
47 - Hypervisor resources report (memory, CPU, network interfaces)
48 - Node OS resources report (memory, CPU, network interfaces)
49 - Information from a plugin system
50
51 Format of the report
52 --------------------
53
54 The report of the will be in JSON format, and it will present an array
55 of report objects.
56 Each report object will be produced by a specific data collector.
57 Each report object includes some mandatory fields, to be provided by all
58 the data collectors:
59
60 ``name``
61   The name of the data collector that produced this part of the report.
62   It is supposed to be unique inside a report.
63
64 ``version``
65   The version of the data collector that produces this part of the
66   report. Built-in data collectors (as opposed to those implemented as
67   plugins) should have "B" as the version number.
68
69 ``format_version``
70   The format of what is represented in the "data" field for each data
71   collector might change over time. Every time this happens, the
72   format_version should be changed, so that who reads the report knows
73   what format to expect, and how to correctly interpret it.
74
75 ``timestamp``
76   The time when the reported data were gathered. It has to be expressed
77   in nanoseconds since the unix epoch (0:00:00 January 01, 1970). If not
78   enough precision is available (or needed) it can be padded with
79   zeroes. If a report object needs multiple timestamps, it can add more
80   and/or override this one inside its own "data" section.
81
82 ``category``
83   A collector can belong to a given category of collectors (e.g.: storage
84   collectors, daemon collector). This means that it will have to provide a
85   minumum set of prescribed fields, as documented for each category.
86   This field will contain the name of the category the collector belongs to,
87   if any, or just the ``null`` value.
88
89 ``kind``
90   Two kinds of collectors are possible:
91   `Performance reporting collectors`_ and `Status reporting collectors`_.
92   The respective paragraphs will describe them and the value of this field.
93
94 ``data``
95   This field contains all the data generated by the specific data collector,
96   in its own independently defined format. The monitoring agent could check
97   this syntactically (according to the JSON specifications) but not
98   semantically.
99
100 Here follows a minimal example of a report::
101
102   [
103   {
104       "name" : "TheCollectorIdentifier",
105       "version" : "1.2",
106       "format_version" : 1,
107       "timestamp" : 1351607182000000000,
108       "category" : null,
109       "kind" : 0,
110       "data" : { "plugin_specific_data" : "go_here" }
111   },
112   {
113       "name" : "AnotherDataCollector",
114       "version" : "B",
115       "format_version" : 7,
116       "timestamp" : 1351609526123854000,
117       "category" : "storage",
118       "kind" : 1,
119       "data" : { "status" : { "code" : 1,
120                               "message" : "Error on disk 2"
121                             },
122                  "plugin_specific" : "data",
123                  "some_late_data" : { "timestamp" : 1351609526123942720,
124                                       ...
125                                     }
126                }
127   }
128   ]
129
130 Performance reporting collectors
131 ++++++++++++++++++++++++++++++++
132
133 These collectors only provide data about some component of the system, without
134 giving any interpretation over their meaning.
135
136 The value of the ``kind`` field of the report will be ``0``.
137
138 Status reporting collectors
139 +++++++++++++++++++++++++++
140
141 These collectors will provide information about the status of some
142 component of ganeti, or managed by ganeti.
143
144 The value of their ``kind`` field will be ``1``.
145
146 The rationale behind this kind of collectors is that there are some situations
147 where exporting data about the underlying subsystems would expose potential
148 issues. But if Ganeti itself is able (and going) to fix the problem, conflicts
149 might arise between Ganeti and something/somebody else trying to fix the same
150 problem.
151 Also, some external monitoring systems might not be aware of the internals of a
152 particular subsystem (e.g.: DRBD) and might only exploit the high level
153 response of its data collector, alerting an administrator if anything is wrong.
154 Still, completely hiding the underlying data is not a good idea, as they might
155 still be of use in some cases. So status reporting plugins will provide two
156 output modes: one just exporting a high level information about the status,
157 and one also exporting all the data they gathered.
158 The default output mode will be the status-only one. Through a command line
159 parameter (for stand-alone data collectors) or through the HTTP request to the
160 monitoring agent
161 (when collectors are executed as part of it) the verbose output mode providing
162 all the data can be selected.
163
164 When exporting just the status each status reporting collector will provide,
165 in its ``data`` section, at least the following field:
166
167 ``status``
168   summarizes the status of the component being monitored and consists of two
169   subfields:
170
171   ``code``
172     It assumes a numeric value, encoded in such a way to allow using a bitset
173     to easily distinguish which states are currently present in the whole cluster.
174     If the bitwise OR of all the ``status`` fields is 0, the cluster is
175     completely healty.
176     The status codes are as follows:
177
178     ``0``
179       The collector can determine that everything is working as
180       intended.
181
182     ``1``
183       Something is temporarily wrong but it is being automatically fixed by
184       Ganeti.
185       There is no need of external intervention.
186
187     ``2``
188       The collector has failed to understand whether the status is good or
189       bad. Further analysis is required. Interpret this status as a
190       potentially dangerous situation.
191
192     ``4``
193       The collector can determine that something is wrong and Ganeti has no
194       way to fix it autonomously. External intervention is required.
195
196   ``message``
197     A message to better explain the reason of the status.
198     The exact format of the message string is data collector dependent.
199
200     The field is mandatory, but the content can be an empty string if the
201     ``code`` is ``0`` (working as intended) or ``1`` (being fixed
202     automatically).
203
204     If the status code is ``2``, the message should specify what has gone
205     wrong.
206     If the status code is ``4``, the message shoud explain why it was not
207     possible to determine a proper status.
208
209 The ``data`` section will also contain all the fields describing the gathered
210 data, according to a collector-specific format.
211
212 Instance status
213 +++++++++++++++
214
215 At the moment each node knows which instances are running on it, which
216 instances it is primary for, but not the cause why an instance might not
217 be running. On the other hand we don't want to distribute full instance
218 "admin" status information to all nodes, because of the performance
219 impact this would have.
220
221 As such we propose that:
222
223 - Any operation that can affect instance status will have an optional
224   "reason" attached to it (at opcode level). This can be used for
225   example to distinguish an admin request, from a scheduled maintenance
226   or an automated tool's work. If this reason is not passed, Ganeti will
227   just use the information it has about the source of the request.
228   This reason information will be structured according to the
229   :doc:`Ganeti reason trail <design-reason-trail>` design document.
230 - RPCs that affect the instance status will be changed so that the
231   "reason" and the version of the config object they ran on is passed to
232   them. They will then export the new expected instance status, together
233   with the associated reason and object version to the status report
234   system, which then will export those themselves.
235
236 Monitoring and auditing systems can then use the reason to understand
237 the cause of an instance status, and they can use the timestamp to
238 understand the freshness of their data even in the absence of an atomic
239 cross-node reporting: for example if they see an instance "up" on a node
240 after seeing it running on a previous one, they can compare these values
241 to understand which data is freshest, and repoll the "older" node. Of
242 course if they keep seeing this status this represents an error (either
243 an instance continuously "flapping" between nodes, or an instance is
244 constantly up on more than one), which should be reported and acted
245 upon.
246
247 The instance status will be on each node, for the instances it is
248 primary for, and its ``data`` section of the report will contain a list
249 of instances, named ``instances``, with at least the following fields for
250 each instance:
251
252 ``name``
253   The name of the instance.
254
255 ``uuid``
256   The UUID of the instance (stable on name change).
257
258 ``admin_state``
259   The status of the instance (up/down/offline) as requested by the admin.
260
261 ``actual_state``
262   The actual status of the instance. It can be ``up``, ``down``, or
263   ``hung`` if the instance is up but it appears to be completely stuck.
264
265 ``uptime``
266   The uptime of the instance (if it is up, "null" otherwise).
267
268 ``mtime``
269   The timestamp of the last known change to the instance state.
270
271 ``state_reason``
272   The last known reason for state change of the instance, described according
273   to the JSON representation of a reason trail, as detailed in the :doc:`reason
274   trail design document <design-reason-trail>`.
275
276 ``status``
277   It represents the status of the instance, and its format is the same as that
278   of the ``status`` field of `Status reporting collectors`_.
279
280 Each hypervisor should provide its own instance status data collector, possibly
281 with the addition of more, specific, fields.
282 The ``category`` field of all of them will be ``instance``.
283 The ``kind`` field will be ``1``.
284
285 Note that as soon as a node knows it's not the primary anymore for an
286 instance it will stop reporting status for it: this means the instance
287 will either disappear, if it has been deleted, or appear on another
288 node, if it's been moved.
289
290 The ``code`` of the ``status`` field of the report of the Instance status data
291 collector will be:
292
293 ``0``
294   if ``status`` is ``0`` for all the instances it is reporting about.
295
296 ``1``
297   otherwise.
298
299 Storage collectors
300 ++++++++++++++++++
301
302 The storage collectors will be a series of data collectors
303 that will gather data about storage for the current node. The collection
304 will be performed at different granularity and abstraction levels, from
305 the physical disks, to partitions, logical volumes and to the specific
306 storage types used by Ganeti itself (drbd, rbd, plain, file).
307
308 The ``name`` of each of these collector will reflect what storage type each of
309 them refers to.
310
311 The ``category`` field of these collector will be ``storage``.
312
313 The ``kind`` field will depend on the specific collector.
314
315 Each ``storage`` collector's ``data`` section will provide collector-specific
316 fields.
317
318 In case of error, the ``message`` subfield of the ``status`` field of the
319 report of the instance status collector will disclose the nature of the error
320 as a type specific information. Examples of these are "backend pv unavailable"
321 for lvm storage, "unreachable" for network based storage or "filesystem error"
322 for filesystem based implementations.
323
324 Diskstats collector
325 *******************
326
327 This storage data collector will gather information about the status of the
328 disks installed in the system, as listed in the /proc/diskstats file. This means
329 that not only physical hard drives, but also ramdisks and loopback devices will
330 be listed.
331
332 Its ``kind`` in the report will be ``0`` (`Performance reporting collectors`_).
333
334 Its ``category`` field in the report will contain the value ``storage``.
335
336 When executed in verbose mode, the ``data`` section of the report of this
337 collector will be a list of items, each representing one disk, each providing
338 the following fields:
339
340 ``major``
341   The major number of the device.
342
343 ``minor``
344   The minor number of the device.
345
346 ``name``
347   The name of the device.
348
349 ``readsNum``
350   This is the total number of reads completed successfully.
351
352 ``mergedReads``
353   Reads which are adjacent to each other may be merged for efficiency. Thus
354   two 4K reads may become one 8K read before it is ultimately handed to the
355   disk, and so it will be counted (and queued) as only one I/O. This field
356   specifies how often this was done.
357
358 ``secRead``
359   This is the total number of sectors read successfully.
360
361 ``timeRead``
362   This is the total number of milliseconds spent by all reads.
363
364 ``writes``
365   This is the total number of writes completed successfully.
366
367 ``mergedWrites``
368   Writes which are adjacent to each other may be merged for efficiency. Thus
369   two 4K writes may become one 8K read before it is ultimately handed to the
370   disk, and so it will be counted (and queued) as only one I/O. This field
371   specifies how often this was done.
372
373 ``secWritten``
374   This is the total number of sectors written successfully.
375
376 ``timeWrite``
377   This is the total number of milliseconds spent by all writes
378
379 ``ios``
380   The number of I/Os currently in progress.
381   The only field that should go to zero, it is incremented as requests are
382   given to appropriate struct request_queue and decremented as they finish.
383
384 ``timeIO``
385   The number of milliseconds spent doing I/Os. This field increases so long
386   as field ``IOs`` is nonzero.
387
388 ``wIOmillis``
389   The weighted number of milliseconds spent doing I/Os.
390   This field is incremented at each I/O start, I/O completion, I/O merge,
391   or read of these stats by the number of I/Os in progress (field ``IOs``)
392   times the number of milliseconds spent doing I/O since the last update of
393   this field. This can provide an easy measure of both I/O completion time
394   and the backlog that may be accumulating.
395
396 DRBD status
397 ***********
398
399 This data collector will run only on nodes where DRBD is actually
400 present and it will gather information about DRBD devices.
401
402 Its ``kind`` in the report will be ``1`` (`Status reporting collectors`_).
403
404 Its ``category`` field in the report will contain the value ``storage``.
405
406 When executed in verbose mode, the ``data`` section of the report of this
407 collector will provide the following fields:
408
409 ``versionInfo``
410   Information about the DRBD version number, given by a combination of
411   any (but at least one) of the following fields:
412
413   ``version``
414     The DRBD driver version.
415
416   ``api``
417     The API version number.
418
419   ``proto``
420     The protocol version.
421
422   ``srcversion``
423     The version of the source files.
424
425   ``gitHash``
426     Git hash of the source files.
427
428   ``buildBy``
429     Who built the binary, and, optionally, when.
430
431 ``device``
432   A list of structures, each describing a DRBD device (a minor) and containing
433   the following fields:
434
435   ``minor``
436     The device minor number.
437
438   ``connectionState``
439     The state of the connection. If it is "Unconfigured", all the following
440     fields are not present.
441
442   ``localRole``
443     The role of the local resource.
444
445   ``remoteRole``
446     The role of the remote resource.
447
448   ``localState``
449     The status of the local disk.
450
451   ``remoteState``
452     The status of the remote disk.
453
454   ``replicationProtocol``
455     The replication protocol being used.
456
457   ``ioFlags``
458     The input/output flags.
459
460   ``perfIndicators``
461     The performance indicators. This field will contain the following
462     sub-fields:
463
464     ``networkSend``
465       KiB of data sent on the network.
466
467     ``networkReceive``
468       KiB of data received from the network.
469
470     ``diskWrite``
471       KiB of data written on local disk.
472
473     ``diskRead``
474       KiB of date read from the local disk.
475
476     ``activityLog``
477       Number of updates of the activity log.
478
479     ``bitMap``
480       Number of updates to the bitmap area of the metadata.
481
482     ``localCount``
483       Number of open requests to the local I/O subsystem.
484
485     ``pending``
486       Number of requests sent to the partner but not yet answered.
487
488     ``unacknowledged``
489       Number of requests received by the partner but still to be answered.
490
491     ``applicationPending``
492       Num of block input/output requests forwarded to DRBD but that have not yet
493       been answered.
494
495     ``epochs``
496       (Optional) Number of epoch objects. Not provided by all DRBD versions.
497
498     ``writeOrder``
499       (Optional) Currently used write ordering method. Not provided by all DRBD
500       versions.
501
502     ``outOfSync``
503       (Optional) KiB of storage currently out of sync. Not provided by all DRBD
504       versions.
505
506   ``syncStatus``
507     (Optional) The status of the synchronization of the disk. This is present
508     only if the disk is being synchronized, and includes the following fields:
509
510     ``percentage``
511       The percentage of synchronized data.
512
513     ``progress``
514       How far the synchronization is. Written as "x/y", where x and y are
515       integer numbers expressed in the measurement unit stated in
516       ``progressUnit``
517
518     ``progressUnit``
519       The measurement unit for the progress indicator.
520
521     ``timeToFinish``
522       The expected time before finishing the synchronization.
523
524     ``speed``
525       The speed of the synchronization.
526
527     ``want``
528       The desiderd speed of the synchronization.
529
530     ``speedUnit``
531       The measurement unit of the ``speed`` and ``want`` values. Expressed
532       as "size/time".
533
534   ``instance``
535     The name of the Ganeti instance this disk is associated to.
536
537
538 Ganeti daemons status
539 +++++++++++++++++++++
540
541 Ganeti will report what information it has about its own daemons.
542 This should allow identifying possible problems with the Ganeti system itself:
543 for example memory leaks, crashes and high resource utilization should be
544 evident by analyzing this information.
545
546 The ``kind`` field will be ``1`` (`Status reporting collectors`_).
547
548 Each daemon will have its own data collector, and each of them will have
549 a ``category`` field valued ``daemon``.
550
551 When executed in verbose mode, their data section will include at least:
552
553 ``memory``
554   The amount of used memory.
555
556 ``size_unit``
557   The measurement unit used for the memory.
558
559 ``uptime``
560   The uptime of the daemon.
561
562 ``CPU usage``
563   How much cpu the daemon is using (percentage).
564
565 Any other daemon-specific information can be included as well in the ``data``
566 section.
567
568 Hypervisor resources report
569 +++++++++++++++++++++++++++
570
571 Each hypervisor has a view of system resources that sometimes is
572 different than the one the OS sees (for example in Xen the Node OS,
573 running as Dom0, has access to only part of those resources). In this
574 section we'll report all information we can in a "non hypervisor
575 specific" way. Each hypervisor can then add extra specific information
576 that is not generic enough be abstracted.
577
578 The ``kind`` field will be ``0`` (`Performance reporting collectors`_).
579
580 Each of the hypervisor data collectory will be of ``category``: ``hypervisor``.
581
582 Node OS resources report
583 ++++++++++++++++++++++++
584
585 Since Ganeti assumes it's running on Linux, it's useful to export some
586 basic information as seen by the host system.
587
588 The ``category`` field of the report will be ``null``.
589
590 The ``kind`` field will be ``0`` (`Performance reporting collectors`_).
591
592 The ``data`` section will include:
593
594 ``cpu_number``
595   The number of available cpus.
596
597 ``cpus``
598   A list with one element per cpu, showing its average load.
599
600 ``memory``
601   The current view of memory (free, used, cached, etc.)
602
603 ``filesystem``
604   A list with one element per filesystem, showing a summary of the
605   total/available space.
606
607 ``NICs``
608   A list with one element per network interface, showing the amount of
609   sent/received data, error rate, IP address of the interface, etc.
610
611 ``versions``
612   A map using the name of a component Ganeti interacts (Linux, drbd,
613   hypervisor, etc) as the key and its version number as the value.
614
615 Note that we won't go into any hardware specific details (e.g. querying a
616 node RAID is outside the scope of this, and can be implemented as a
617 plugin) but we can easily just report the information above, since it's
618 standard enough across all systems.
619
620 Format of the query
621 -------------------
622
623 .. include:: monitoring-query-format.rst
624
625 Instance disk status propagation
626 --------------------------------
627
628 As for the instance status Ganeti has now only partial information about
629 its instance disks: in particular each node is unaware of the disk to
630 instance mapping, that exists only on the master.
631
632 For this design doc we plan to fix this by changing all RPCs that create
633 a backend storage or that put an already existing one in use and passing
634 the relevant instance to the node. The node can then export these to the
635 status reporting tool.
636
637 While we haven't implemented these RPC changes yet, we'll use Confd to
638 fetch this information in the data collectors.
639
640 Plugin system
641 -------------
642
643 The monitoring system will be equipped with a plugin system that can
644 export specific local information through it.
645
646 The plugin system is expected to be used by local installations to
647 export any installation specific information that they want to be
648 monitored, about either hardware or software on their systems.
649
650 The plugin system will be in the form of either scripts or binaries whose output
651 will be inserted in the report.
652
653 Eventually support for other kinds of plugins might be added as well, such as
654 plain text files which will be inserted into the report, or local unix or
655 network sockets from which the information has to be read.  This should allow
656 most flexibility for implementing an efficient system, while being able to keep
657 it as simple as possible.
658
659 Data collectors
660 ---------------
661
662 In order to ease testing as well as to make it simple to reuse this
663 subsystem it will be possible to run just the "data collectors" on each
664 node without passing through the agent daemon.
665
666 If a data collector is run independently, it should print on stdout its
667 report, according to the format corresponding to a single data collector
668 report object, as described in the previous paragraphs.
669
670 Mode of operation
671 -----------------
672
673 In order to be able to report information fast the monitoring agent
674 daemon will keep an in-memory or on-disk cache of the status, which will
675 be returned when queries are made. The status system will then
676 periodically check resources to make sure the status is up to date.
677
678 Different parts of the report will be queried at different speeds. These
679 will depend on:
680 - how often they vary (or we expect them to vary)
681 - how fast they are to query
682 - how important their freshness is
683
684 Of course the last parameter is installation specific, and while we'll
685 try to have defaults, it will be configurable. The first two instead we
686 can use adaptively to query a certain resource faster or slower
687 depending on those two parameters.
688
689 When run as stand-alone binaries, the data collector will not using any
690 caching system, and just fetch and return the data immediately.
691
692 Implementation place
693 --------------------
694
695 The status daemon will be implemented as a standalone Haskell daemon. In
696 the future it should be easy to merge multiple daemons into one with
697 multiple entry points, should we find out it saves resources and doesn't
698 impact functionality.
699
700 The libekg library should be looked at for easily providing metrics in
701 json format.
702
703 Implementation order
704 --------------------
705
706 We will implement the agent system in this order:
707
708 - initial example data collectors (eg. for drbd and instance status).
709 - initial daemon for exporting data, integrating the existing collectors
710 - plugin system
711 - RPC updates for instance status reasons and disk to instance mapping
712 - cache layer for the daemon
713 - more data collectors
714
715
716 Future work
717 ===========
718
719 As a future step it can be useful to "centralize" all this reporting
720 data on a single place. This for example can be just the master node, or
721 all the master candidates. We will evaluate doing this after the first
722 node-local version has been developed and tested.
723
724 Another possible change is replacing the "read-only" RPCs with queries
725 to the agent system, thus having only one way of collecting information
726 from the nodes from a monitoring system and for Ganeti itself.
727
728 One extra feature we may need is a way to query for only sub-parts of
729 the report (eg. instances status only). This can be done by passing
730 arguments to the HTTP GET, which will be defined when we get to this
731 funtionality.
732
733 Finally the :doc:`autorepair system design <design-autorepair>`. system
734 (see its design) can be expanded to use the monitoring agent system as a
735 source of information to decide which repairs it can perform.
736
737 .. vim: set textwidth=72 :
738 .. Local Variables:
739 .. mode: rst
740 .. fill-column: 72
741 .. End: