050.集群管理

一 Prometheus概述

1.1 Prometheus简介

Prometheus是由SoundCloud公司开发的开源监控系统,是继Kubernetes之后CNCF第2个毕业的项目,在容器和微服务领域得到了广泛应用。Prometheus的主要特点如下:
  • 使用指标名称及键值对标识的多维度数据模型。
  • 采用灵活的查询语言PromQL。
  • 不依赖分布式存储,为自治的单节点服务。
  • 使用HTTP完成对监控数据的拉取。
  • 支持通过网关推送时序数据。
  • 支持多种图形和Dashboard的展示,例如Grafana。
Prometheus生态系统由各种组件组成,用于功能的扩充。
  • Prometheus Server:负责监控数据采集和时序数据存储,并提供数据查询功能。
  • 客户端SDK:对接Prometheus的开发工具包。
  • Push Gateway:推送数据的网关组件。
  • 第三方Exporter:各种外部指标收集系统,其数据可以被Prometheus采集。
  • AlertManager:告警管理器。
  • 其他辅助支持工具。
Prometheus的核心组件Prometheus Server的主要功能包括:
  • 从Kubernetes Master获取需要监控的资源或服务信息;
  • 从各种Exporter抓取(Pull)指标数据,然后将指标数据保存在时序数据库(TSDB)中;
  • 向其他系统提供HTTP API进行查询;
  • 提供基于PromQL语言的数据查询;
  • 可以将告警数据推送(Push)给AlertManager,等等。

1.2 Prometheus组件架构图

clipboard
Prometheus 直接从jobs接收或者通过中间的 Pushgateway 网关被动获取指标数据,在本地存储所有获取的指标数据,并对这些数据进行一些规则整理,用来生成一些聚合数据或者报警信息,然后可以通过 Grafana 或者其他工具来可视化这些数据。
其工作流程大致如下:
  1. Prometheus 服务器定期从配置好的 jobs 或者 exporters 中获取度量数据;或者接收来自推送网关发送过来的度量数据。
  2. Prometheus 服务器在本地存储收集到的度量数据,并对这些数据进行聚合;
  3. 运行已定义好的 alert.rules,记录新的时间序列或者向告警管理器推送警报。
  4. 告警管理器根据配置文件,对接收到的警报进行处理,并通过email等途径发出告警。
  5. Grafana等图形工具获取到监控数据,并以图形化的方式进行展示。

1.3 Prometheus监控粒度

Prometheus作为监控系统主要在以下各层面实现监控:
  • 基础设施层:监控各个主机服务器资源(包括Kubernetes的Node和非Kubernetes的Node),如CPU,内存,网络吞吐和带宽占用,磁盘I/O和磁盘使用等指标。
  • 中间件层:监控独立部署于Kubernetes集群之外的中间件,例如:MySQL、Redis、RabbitMQ、ElasticSearch、Nginx等。
  • Kubernetes集群:监控Kubernetes集群本身的关键指标
  • Kubernetes集群上部署的应用:监控部署在Kubernetes集群上的应用

二 Prometheus相关概念

2.1 数据模型

Prometheus从根本上将所有数据存储为时间序列:属于相同度量标准和同一组标注尺寸的时间戳值流。除了存储的时间序列之外,Prometheus可能会生成临时派生时间序列作为查询的结果。
  • 度量名称和标签
每个时间序列都是由度量标准名称和一组键值对(也称为标签)组成唯一标识。度量名称指定被测量的系统的特征(例如:http_requests_total-接收到的HTTP请求的总数)。它可以包含ASCII字母和数字,以及下划线和冒号。它必须匹配正则表达式[a-zA-Z_:][a-zA-Z0-9_:]*。
标签启用Prometheus的维度数据模型:对于相同度量标准名称,任何给定的标签组合都标识该度量标准的特定维度实例。查询语言允许基于这些维度进行筛选和聚合。更改任何标签值(包括添加或删除标签)都会创建新的时间序列。标签名称可能包含ASCII字母,数字以及下划线。他们必须匹配正则表达式[a-zA-Z_][a-zA-Z0-9_]*。以__开始的标签名称保留给供内部使用。
  • 样本
实际的时间序列,每个序列包括:一个 float64 的值和一个毫秒级的时间戳。
  • 格式
给定度量标准名称和一组标签,时间序列通常使用以下格式来标识:<metric name>{<label name>=<label value>, ...}
例如,时间序列的度量名称为api_http_requests_total,标签method=”POST”和handler=”/messages”,则标记为:
api_http_requests_total{method="POST", handler="/messages"}

2.2 度量类型

Prometheus 客户端库主要提供Counter、Gauge、Histogram和Summery四种主要的 metric 类型:
  • Counter(计算器)
Counter是一种累加的度量,它的值只能增加或在重新启动时重置为零。例如,可以使用计数器来表示提供的请求数,已完成的任务或错误的数量。不要使用计数器来表达可减少的值。例如,不要使用Counter来计算当前正在运行的进程的数量,而是使用Gauge。
  • Gauge(测量)
Gauge表示单个数值,表达可以任意地上升和下降的度量。Gauge通常用于测量值,例如温度或当前的内存使用情况,但也可以表达上升和下降的“计数”,如正在运行的goroutines的数量。
  • Histogram(直方图)
Histogram样本观测(例如:请求持续时间或响应大小),并将它们计入配置的桶中。它也提供所有观测值的总和。具有<basename>基本度量标准名称的histogram的在获取数据期间会显示多个时间序列:
    • 观察桶的累计计数器,暴露为 <basename>_bucket{le=”<upper inclusive bound>”}
    • 所有观察值的总和,暴露为<basename>_sum
    • 已观察到的事件的计数,暴露为<basename>_count(等同于<basename>_bucket{le=”+Inf”})
  • Summery:类似于Histogram,Summery样本观察(通常是请求持续时间和响应大小)。虽然它也提供观测总数和所有观测值的总和,但它计算滑动时间窗内的可配置分位数。在获取数据期间,具有<basename>基本度量标准名称的Summery会显示多个时间序列:
    • 流动φ分位数(0≤φ≤1)的观察事件,暴露为<basename>{quantile=”<φ>”}
    • 所有观察值的总和,暴露为<basename>_sum
    • 已经观察到的事件的计数,暴露为<basename>_count

2.3 工作和实例

在Prometheus中,可以获取数据的端点被称为实例(instance),通常对应于一个单一的进程。具有相同目的的实例集合(例如为了可伸缩性或可靠性而复制的进程)称为作业(job)。

2.4 标签和时间序列

当Prometheus获取目标时,它会自动附加一些标签到所获取的时间序列中,以识别获取目标:
  • job:目标所属的配置作业名称。
  • instance:<host>:<port>被抓取的目标网址部分。
如果这些标签中的任何一个已经存在于抓取的数据中,则行为取决于honor_labels配置选项。对于每个实例抓取,Prometheus会在以下时间序列中存储一个样本:
  • up{job=”<job-name>”, instance=”<instance-id>”}:1 如果实例健康,即可达;或者0抓取失败。
  • scrape_duration_seconds{job=”<job-name>”, instance=”<instance-id>”}:抓取的持续时间。
  • scrape_samples_post_metric_relabeling{job=”<job-name>”, instance=”<instance-id>”}:应用度量标准重新标记后剩余的样本数。
  • scrape_samples_scraped{job=”<job-name>”, instance=”<instance-id>”}:目标暴露的样本数量。
up时间序列是实例可用性的监控。

三 Prometheus部署

3.1 创建命名空间

[root@k8smaster01 study]# vi monitor-namespace.yaml
  1 apiVersion: v1
  2 kind: Namespace
  3 metadata:
  4   name: monitoring
  5 
[root@k8smaster01 study]# kubectl create -f monitor-namespace.yaml

3.2 获取部署文件

[root@k8smaster01 study]# git clone https://github.com/prometheus/prometheus

3.3 创建RBAC

[root@k8smaster01 ~]# cd prometheus/documentation/examples/
[root@k8smaster01 examples]# vi rbac-setup.yml
  1 apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1beta1
  2 kind: ClusterRole
  3 metadata:
  4   name: prometheus
  5 rules:
  6 - apiGroups: [""]
  7   resources:
  8   - nodes
  9   - nodes/proxy
 10   - services
 11   - endpoints
 12   - pods
 13   verbs: ["get", "list", "watch"]
 14 - apiGroups:
 15   - extensions
 16   resources:
 17   - ingresses
 18   verbs: ["get", "list", "watch"]
 19 - nonResourceURLs: ["/metrics"]
 20   verbs: ["get"]
 21 ---
 22 apiVersion: v1
 23 kind: ServiceAccount
 24 metadata:
 25   name: prometheus
 26   namespace: monitoring               #修改命名空间
 27 ---
 28 apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1beta1
 29 kind: ClusterRoleBinding
 30 metadata:
 31   name: prometheus
 32 roleRef:
 33   apiGroup: rbac.authorization.k8s.io
 34   kind: ClusterRole
 35   name: prometheus
 36 subjects:
 37 - kind: ServiceAccount
 38   name: prometheus
 39   namespace: monitoring               #修改命名空间
 40 
[root@k8smaster01 examples]# kubectl create -f rbac-setup.yml

3.4 创建Prometheus ConfigMap

[root@k8smaster01 examples]# cat prometheus-kubernetes.yml | grep -v ^$ | grep -v "#" >> prometheus-config.yaml
[root@k8smaster01 examples]# vi prometheus-config.yaml
  1 apiVersion: v1
  2 kind: ConfigMap
  3 metadata:
  4   name: prometheus-server-conf
  5   labels:
  6     name: prometheus-server-conf
  7   namespace: monitoring               #修改命名空间
  8 data:
  9   prometheus.yml: |-
 10     global:
 11       scrape_interval: 10s
 12       evaluation_interval: 10s
 13 
 14     scrape_configs:
 15       - job_name: 'kubernetes-apiservers'
 16         kubernetes_sd_configs:
 17         - role: endpoints
 18         scheme: https
 19         tls_config:
 20           ca_file: /var/run/secrets/kubernetes.io/serviceaccount/ca.crt
 21         bearer_token_file: /var/run/secrets/kubernetes.io/serviceaccount/token
 22         relabel_configs:
 23         - source_labels: [__meta_kubernetes_namespace, __meta_kubernetes_service_name, __meta_kubernetes_endpoint_port_name]
 24           action: keep
 25           regex: default;kubernetes;https
 26 
 27       - job_name: 'kubernetes-nodes'
 28         scheme: https
 29         tls_config:
 30           ca_file: /var/run/secrets/kubernetes.io/serviceaccount/ca.crt
 31         bearer_token_file: /var/run/secrets/kubernetes.io/serviceaccount/token
 32         kubernetes_sd_configs:
 33         - role: node
 34         relabel_configs:
 35         - action: labelmap
 36           regex: __meta_kubernetes_node_label_(.+)
 37         - target_label: __address__
 38           replacement: kubernetes.default.svc:443
 39         - source_labels: [__meta_kubernetes_node_name]
 40           regex: (.+)
 41           target_label: __metrics_path__
 42           replacement: /api/v1/nodes/${1}/proxy/metrics
 43 
 44       - job_name: 'kubernetes-cadvisor'
 45         scheme: https
 46         tls_config:
 47           ca_file: /var/run/secrets/kubernetes.io/serviceaccount/ca.crt
 48         bearer_token_file: /var/run/secrets/kubernetes.io/serviceaccount/token
 49         kubernetes_sd_configs:
 50         - role: node
 51         relabel_configs:
 52         - action: labelmap
 53           regex: __meta_kubernetes_node_label_(.+)
 54         - target_label: __address__
 55           replacement: kubernetes.default.svc:443
 56         - source_labels: [__meta_kubernetes_node_name]
 57           regex: (.+)
 58           target_label: __metrics_path__
 59           replacement: /api/v1/nodes/${1}/proxy/metrics/cadvisor
 60 
 61       - job_name: 'kubernetes-service-endpoints'
 62         kubernetes_sd_configs:
 63         - role: endpoints
 64         relabel_configs:
 65         - source_labels: [__meta_kubernetes_service_annotation_prometheus_io_scrape]
 66           action: keep
 67           regex: true
 68         - source_labels: [__meta_kubernetes_service_annotation_prometheus_io_scheme]
 69           action: replace
 70           target_label: __scheme__
 71           regex: (https?)
 72         - source_labels: [__meta_kubernetes_service_annotation_prometheus_io_path]
 73           action: replace
 74           target_label: __metrics_path__
 75           regex: (.+)
 76         - source_labels: [__address__, __meta_kubernetes_service_annotation_prometheus_io_port]
 77           action: replace
 78           target_label: __address__
 79           regex: ([^:]+)(?::\d+)?;(\d+)
 80           replacement: $1:$2
 81         - action: labelmap
 82           regex: __meta_kubernetes_service_label_(.+)
 83         - source_labels: [__meta_kubernetes_namespace]
 84           action: replace
 85           target_label: kubernetes_namespace
 86         - source_labels: [__meta_kubernetes_service_name]
 87           action: replace
 88           target_label: kubernetes_name
 89 
 90       - job_name: 'kubernetes-services'
 91         metrics_path: /probe
 92         params:
 93           module: [http_2xx]
 94         kubernetes_sd_configs:
 95         - role: service
 96         relabel_configs:
 97         - source_labels: [__meta_kubernetes_service_annotation_prometheus_io_probe]
 98           action: keep
 99           regex: true
100         - source_labels: [__address__]
101           target_label: __param_target
102         - target_label: __address__
103           replacement: blackbox-exporter.example.com:9115
104         - source_labels: [__param_target]
105           target_label: instance
106         - action: labelmap
107           regex: __meta_kubernetes_service_label_(.+)
108         - source_labels: [__meta_kubernetes_namespace]
109           target_label: kubernetes_namespace
110         - source_labels: [__meta_kubernetes_service_name]
111           target_label: kubernetes_name
112 
113       - job_name: 'kubernetes-ingresses'
114         kubernetes_sd_configs:
115         - role: ingress
116         relabel_configs:
117         - source_labels: [__meta_kubernetes_ingress_annotation_prometheus_io_probe]
118           action: keep
119           regex: true
120         - source_labels: [__meta_kubernetes_ingress_scheme,__address__,__meta_kubernetes_ingress_path]
121           regex: (.+);(.+);(.+)
122           replacement: ${1}://${2}${3}
123           target_label: __param_target
124         - target_label: __address__
125           replacement: blackbox-exporter.example.com:9115
126         - source_labels: [__param_target]
127           target_label: instance
128         - action: labelmap
129           regex: __meta_kubernetes_ingress_label_(.+)
130         - source_labels: [__meta_kubernetes_namespace]
131           target_label: kubernetes_namespace
132         - source_labels: [__meta_kubernetes_ingress_name]
133           target_label: kubernetes_name
134 
135       - job_name: 'kubernetes-pods'
136         kubernetes_sd_configs:
137         - role: pod
138         relabel_configs:
139         - source_labels: [__meta_kubernetes_pod_annotation_prometheus_io_scrape]
140           action: keep
141           regex: true
142         - source_labels: [__meta_kubernetes_pod_annotation_prometheus_io_path]
143           action: replace
144           target_label: __metrics_path__
145           regex: (.+)
146         - source_labels: [__address__, __meta_kubernetes_pod_annotation_prometheus_io_port]
147           action: replace
148           regex: ([^:]+)(?::\d+)?;(\d+)
149           replacement: $1:$2
150           target_label: __address__
151         - action: labelmap
152           regex: __meta_kubernetes_pod_label_(.+)
153         - source_labels: [__meta_kubernetes_namespace]
154           action: replace
155           target_label: kubernetes_namespace
156         - source_labels: [__meta_kubernetes_pod_name]
157           action: replace
158           target_label: kubernetes_pod_name
159 
[root@k8smaster01 examples]# kubectl create -f prometheus-config.yaml

3.5 创建Prometheus Deployment

[root@k8smaster01 examples]# vi prometheus-deployment.yml
  1 apiVersion: apps/v1beta2
  2 kind: Deployment
  3 metadata:
  4   labels:
  5     name: prometheus-deployment
  6   name: prometheus-server
  7   namespace: monitoring
  8 spec:
  9   replicas: 1
 10   selector:
 11     matchLabels:
 12       app: prometheus-server
 13   template:
 14     metadata:
 15       labels:
 16         app: prometheus-server
 17     spec:
 18       containers:
 19         - name: prometheus-server
 20           image: prom/prometheus:v2.14.0
 21           command:
 22           - "/bin/prometheus"
 23           args:
 24             - "--config.file=/etc/prometheus/prometheus.yml"
 25             - "--storage.tsdb.path=/prometheus/"
 26             - "--storage.tsdb.retention=72h"
 27           ports:
 28             - containerPort: 9090
 29               protocol: TCP
 30           volumeMounts:
 31             - name: prometheus-config-volume
 32               mountPath: /etc/prometheus/
 33             - name: prometheus-storage-volume
 34               mountPath: /prometheus/
 35       serviceAccountName: prometheus
 36       imagePullSecrets:
 37         - name: regsecret
 38       volumes:
 39         - name: prometheus-config-volume
 40           configMap:
 41             defaultMode: 420
 42             name: prometheus-server-conf
 43         - name: prometheus-storage-volume
 44           emptyDir: {}
 45 
[root@k8smaster01 examples]# kubectl create -f prometheus-deployment.yml
提示:若需要持久存储Prometheus,可提前创建相应sc和pvc,sc《044.集群存储-StorageClass》,PVC可参考如下:
[root@k8smaster01 examples]# vi prometheus-pvc.yaml
  1 apiVersion: v1
  2 kind: PersistentVolumeClaim
  3 metadata:
  4   name: prometheus-pvc
  5   namespace: monitoring
  6   annotations:
  7     volume.beta.kubernetes.io/storage-class: ghstorageclass
  8 spec:
  9   accessModes:
 10   - ReadWriteMany
 11   resources:
 12     requests:
 13       storage: 5Gi
[root@k8smaster01 examples]# kubectl create -f prometheus-pvc.yaml
将prometheus-deployment.yml存储部分修改为:
  1 ……
  2         - name: prometheus-storage-volume
  3           persistentVolumeClaim:
  4             claimName: prometheus-pvc
  5 ……
  6 

3.6 创建Prometheus Service

[root@k8smaster01 examples]# vi prometheus-service.yaml
apiVersion: v1 kind: Service metadata: labels: app: prometheus-service name: prometheus-service namespace: monitoring spec: type: NodePort selector: app: prometheus-server ports: - port: 9090 targetPort: 9090 nodePort: 30909
[root@k8smaster01 examples]# kubectl create -f prometheus-service.yaml
[root@k8smaster01 examples]# kubectl get all -n monitoring
NAME READY STATUS RESTARTS AGE
pod/prometheus-server-fd5479489-q584s 1/1 Running 0 92s
NAME TYPE CLUSTER-IP EXTERNAL-IP PORT(S) AGE
service/prometheus-service NodePort 10.107.69.147 <none> 9090:30909/TCP 29s
NAME READY UP-TO-DATE AVAILABLE AGE
deployment.apps/prometheus-server 1/1 1 1 92s
NAME DESIRED CURRENT READY AGE
replicaset.apps/prometheus-server-fd5479489 1 1 1 92s

3.7 测试Prometheus

浏览器直接访问:http://172.24.8.71:30909/
clipboard
查看所有Kubernetes集群上的Endpoint通过服务发现的方式自动连接到了Prometheus。
clipboard
通过图形化界面查看内存。
clipboard
Prometheus更多配置参考官网:https://prometheus.io/docs/prometheus/latest/configuration/configuration/

四 部署Grafana

4.1 获取部署文件

[root@uhost ~]# git clone https://github.com/liukuan73/kubernetes-addons

4.2 部署grafana

[root@uhost ~]# cd /root/kubernetes-addons/monitor/prometheus+grafana
[root@k8smaster01 prometheus+grafana]# vi grafana.yaml
  1 ---
  2 apiVersion: v1
  3 kind: Service
  4 metadata:
  5   name: grafana
  6   namespace: monitoring
  7   labels:
  8     app: grafana
  9 spec:
 10   type: NodePort
 11   ports:
 12   - port: 3000
 13     targetPort: 3000
 14     nodePort: 30007
 15   selector:
 16     app: grafana
 17 ---
 18 apiVersion: extensions/v1beta1
 19 kind: Deployment
 20 metadata:
 21   labels:
 22     app: grafana
 23   name: grafana
 24   namespace: monitoring
 25 spec:
 26   replicas: 1
 27   revisionHistoryLimit: 2
 28   template:
 29     metadata:
 30       labels:
 31         app: grafana
 32     spec:
 33       containers:
 34       - name: gragana
 35         image: grafana/grafana:5.0.0
 36         imagePullPolicy: IfNotPresent
 37         ports:
 38         - containerPort: 3000
 39         volumeMounts:
 40         - mountPath: /var
 41           name: grafana-storage
 42         env:
 43           - name: GF_AUTH_BASIC_ENABLED
 44             value: "false"
 45           - name: GF_AUTH_ANONYMOUS_ENABLED
 46             value: "true"
 47           - name: GF_AUTH_ANONYMOUS_ORG_ROLE
 48             value: Admin
 49           - name: GF_SERVER_ROOT_URL
 50 #              value: /api/v1/proxy/namespaces/default/services/grafana/
 51             value: /
 52         readinessProbe:
 53           httpGet:
 54             path: /login
 55             port: 3000
 56       volumes:
 57       - name: grafana-storage
 58         emptyDir: {}
 59       nodeSelector:
 60         node-role.kubernetes.io/master: "true"
 61 #      tolerations:
 62 #      - key: "node-role.kubernetes.io/master"
 63 #        effect: "NoSchedule"
 64 
[root@k8smaster01 prometheus+grafana]# kubectl label nodes k8smaster01 node-role.kubernetes.io/master=true
[root@k8smaster01 prometheus+grafana]# kubectl label nodes k8smaster02 node-role.kubernetes.io/master=true
[root@k8smaster01 prometheus+grafana]# kubectl label nodes k8smaster03 node-role.kubernetes.io/master=true
[root@k8smaster01 prometheus+grafana]# kubectl taint node --all node-role.kubernetes.io- #允许Master部署应用
[root@k8smaster01 prometheus+grafana]# kubectl create -f grafana.yaml
[root@k8smaster01 examples]# kubectl get all -n monitoring
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4.3 确认验证

浏览器访问:http://172.24.8.71:30007,使用默认用户名admin/admin登录。
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4.4 配置数据源

Configuration ----> Data Sources。
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添加新数据源。
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如下添加Prometheus数据源,本环境基于《附012.Kubeadm部署高可用Kubernetes》部署的高可用Kubernetes,存在vip:172.24.8.100,也可使用3.7步骤所测试的Prometheus地址。
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保存并测试是否成功。
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4.5 配置Grafana

配置dashboard,本实验使用162号模板,此Dashboard 模板来展示 Kubernetes 集群的监控信息。
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选择4.4所添加的Prometheus数据源,用于展示。
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4.6 添加用户

可添加普通用户,并配置相应角色。
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复制登录链接:http://172.24.8.71:30007/invite/hlhkzz5O3dJj94OlHcKiqN8bPrZt40
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进入链接,设置新用户密码并登录:
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4.7 其他设置

建议对时区进行设置,其他Grafana更多配置参考:https://grafana.com/docs/grafana/latest/installation/configuration/
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4.8 查看监控

登录http://172.24.8.71:30007/,即可查看相应Kubernetes监控了。
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本方案参考链接:
https://www.kubernetes.org.cn/4184.html
https://www.kubernetes.org.cn/3418.html
https://www.jianshu.com/p/c2e549480c50

050.集群管理

全文结束