怎么解析大规模Elasticsearch集群管理
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ElasticSearch目前在互联网公司主要用于两种应用场景，其一是用于构建业务的搜索功能模块且多是垂直领域的搜索，数据量级一般在千万至数十亿这个级别;其二用于大规模数据的实时OLAP，经典的如ELKStack，数据规模可能达到千亿或更多。 这两种场景的数据索引和应用访问模式上差异较大，在硬件选型和集群优化方面侧重点也会有所不同。一般来说后一种场景属于大数据范畴，数据量级和集群规模更大，在管理方面也更有挑战。
目前我们最大的日志单集群有120个data node，运行于70台物理服务器上。数据规模如下:
单日索引数据条数600亿，新增索引文件25TB (含一个复制片则为50TB)
业务高峰期峰值索引速率维持在百万条/秒
历史数据保留时长根据业务需求制定，从10天 – 90天不等
集群共3441个索引、17000个分片、数据总量约9300亿, 磁盘总消耗1PB
Kibana用户600多人, 每日来自Kibana和第三方的API调用共63万次
查询响应时间百分位 75%:0.160s 90%:1.640s 95%:6.691s 99%:14.0039s
运维这样大规模的ES集群，有哪些值得注意的地方?
一. 必不可少的工具
工欲善其事必先利其器，从一开始，哪怕就只有几个node，就应该使用分布式配置管理工具来做集群的部署。随着应用的成熟，集群规模的逐步扩大，效率的提升会凸显。 官方提供了ES Puppet Module和Chef Cookbook，熟悉这两个工具的同学可以直接拿过来用。 我们自己则是采用的Ansible，编写了一套Playbook来达到类似的效果。 用熟这类工具，对于集群的初始部署，配置批量更改，集群版本升级，重启故障结点都会快捷和安全许多。
第二个必备利器就是sense插件。通过这个插件直接调用集群的restful API，在做集群和索引的状态查看，索引配置更改的时候非常方便。语法提示和自动补全功能更是实用，减少了翻看文档的频率。在Kibana5里面，sense已经成为一个内置的控制台，无需额外安装。
二. 硬件配置
我们采用的是32vcoreCPU + 128GB RAM的服务器，磁盘配置大部分服务器是12块4TB SATA机械磁盘做的Raid0，少部分机器是刚上了不久的6块800GB SSD raid0，主要目的是想做冷热数据分离，后面谈到集群架构的时候，再进一步解释一下如何利用硬件资源。
三. 集群的管理
首先很有必要对ES的结点做角色划分和隔离。大家知道ES的data node除了放数据以外，也可以兼任master和client的角色，多数同学会将这些角色混入到data node。然而对于一个规模较大，用户较多的集群，master和client在一些极端使用情况下可能会有性能瓶颈甚至内存溢出，从而使得共存的data node故障。data node的故障恢复涉及到数据的迁移，对集群资源有一定消耗，容易造成数据写入延迟或者查询减慢。如果将master和client独立出来，一旦出现问题，重启后几乎是瞬间就恢复的，对用户几乎没有任何影响。另外将这些角色独立出来的以后，也将对应的计算资源消耗从data node剥离出来，更容易掌握data node资源消耗与写入量和查询量之间的联系，便于做容量管理和规划。
避免过高的并发，包括控制shard数量和threadpool的数量。在写入量和查询性能能够满足的前提下，为索引分配尽量少的分片。分片过多会带来诸多负面影响，例如：每次查询后需要汇总排序的数据更多;过多的并发带来的线程切换造成过多的CPU损耗;索引的删除和配置更新更慢Issue#18776; 过多的shard也带来更多小的segment，而过多的小segment会带来非常显著的heap内存消耗，特别是如果查询线程配置得很多的情况下。 配置过大的threadpool更是会产生很多诡异的性能问题Issue#18161里所描述的问题就是我们所经历过的。 默认的Theadpool大小一般来说工作得很不错了。
冷热数据最好做分离。对于日志型应用来说，一般是每天建立一个新索引，当天的热索引在写入的同时也会有较多的查询。如果上面还存有比较长时间之前的冷数据，那么当用户做大跨度的历史数据查询的时候，过多的磁盘IO和CPU消耗很容易拖慢写入，造成数据的延迟。所以我们用了一部分机器来做冷数据的存储，利用ES可以给结点配置自定义属性的功能，为冷结点加上”boxtype”:”weak”的标识，每晚通过维护脚本更新冷数据的索引路由设置index.routing.allocation.{require|include|exclude}，让数据自动向冷结点迁移。 冷数据的特性是不再写入，用户查的频率较低，但量级可能很大。比如我们有个索引每天2TB，并且用户要求保持过去90天数据随时可查。保持这么大量的索引为open状态，并非只消耗磁盘空间。ES为了快速访问磁盘上的索引文件，需要在内存里驻留一些数据(索引文件的索引)，也就是所谓的segment memory。稍微熟悉ES的同学知道，JVM heap分配不能超过32GB，对于我们128GB RAM, 48TB磁盘空间的机器而言，如果只跑一个ES实例，只能利用到32GB不到的heap，当heap快用饱和的时候，磁盘上保存的索引文件还不到10TB，这样显然是不经济的。 因此我们决定在冷结点上跑3个ES实例，每个分配31GB heap空间，从而可以在一台物理服务器上存储30多TB的索引数据并保持open状态，供用户随时搜索。 实际使用下来，由于冷数据搜索频率不高，也没有写入，即时只剩余35GB内存给os做文件系统缓存，查询性能还是可以满足需求的。
不同数据量级的shard最好隔离到不同组别的结点。 大家知道ES会自己平衡shard在集群的分布，这个自动平衡的逻辑主要考量三个因素。其一同一索引下的shard尽量分散到不同的结点;其二每个结点上的shard数量尽量接近;其三结点的磁盘有足够的剩余空间。这个策略只能保证shard数量分布均匀，而并不能保证数据大小分布均匀。 实际应用中，我们有200多种索引，数据量级差别很大，大的一天几个TB，小的一个月才几个GB，并且每种类型的数据保留时长又千差万别。抛出的问题，就是如何能比较平衡并充分的利用所有节点的资源。 针对这个问题，我们还是通过对结点添加属性标签来做分组，结合index routing控制的方式来做一些精细化的控制。尽量让不同量级的数据使用不同组别的结点，使得每个组内结点上的数据量比较容易自动平衡。
定期做索引的force merge，并且最好是每个shard merge成一个segment。前面提到过，heap消耗与segment数量也有关系，force merge可以显著降低这种消耗。 如果merge成一个segment还有一个好处，就是对于terms aggregation，搜索时无需构造Global Ordinals，可以提升聚合速度。
四. 版本选择
我们在2.4版本上稳定跑了很长时间，比较保守的同学可以上2.4，激进有精力折腾的可以考虑最新的5.0。 我们集群两周前从v2.4.0升级到了v5.0.0这个版本，除了升级第一周遇到一个不稳定的问题以外，感觉新版本带来的以下特性还是非常值得去升级的:
结点启动的Bootstrap过程加入了很多关键系统参数设置的核验，比如Max File Descriptors, Memory Lock, Virtual Memory设置等等，如果设置不正确会拒绝启动并抛出异常。 与其带着错误的系统参数启动，并在日后造成性能问题，不如启动失败告知用户问题，是个很好的设计!
索引性能提升。升级后在同样索引速率下，我们看到cpu消耗下降非常明显，除了对索引速率提升有帮助，也会一定程度提升搜索速率。
新的数值型数据结构，存储空间更小，Range和地理位置计算更快速
Instant Aggregation对于类似now-7d to now这样的范围查询聚合能够做cache了，实际使用下来，效果明显，用户在Kibana上跑个过去一周数据的聚合，头2次刷新慢点，之后有cache了几乎就瞬间刷出!
更多的保护措施保证集群的稳定，比如对一次搜索hit的shard数量做了限制，增强了circuit breaker的特性，更好的防护集群资源被坏查询耗尽。
升级第一周，我们的冷数据结点出现间歇性不响应问题，从而刨出3个issue提交给官方:
Issue#21595 Issue#21612 Issue#21611
第一个问题确认为Bug，将在5.0.2修复，其他两个目前还不清楚根源，看起来也只在我们的应用场景里遇到了。所幸问题都找到了了规避措施，实施这些措施以后，最近一周我们的集群重新回到以前2.4版本时期的稳定状态。
五. 监控
不差钱没空折腾的建议还是买官方的xpack省心，有精力折腾的，利用ES各种丰富的stats api，用自己熟悉的监控工具采集数据，可视化出来就好了。 那么多监控指标，最最关键的还是以下几类:
各类Thread pool的使用情况，active/queue/reject可视化出来。 判断集群是否有性能瓶颈了，看看业务高峰期各类queue是不是很高，reject是不是经常发生，基本可以做到心里有数。
JVM的heap used%以及old GC的频率，如果old GC频率很高，并且多次GC过后heap used%几乎下不来，说明heap压力太大，要考虑扩容了。(也有可能是有问题的查询或者聚合造成的，需要结合用户访问记录来判断)。
Segment memory大小和Segment的数量。节点上存放的索引较多的时候，这两个指标就值得关注，要知道segment memory是常驻heap不会被GC回收的，因此当heap压力太大的时候，可以结合这个指标判断是否是因为节点上存放的数据过多，需要扩容。Segement的数量也是比较关键的，如果小的segment非常多，比如有几千，即使segment memory本身不多，但是在搜索线程很多的情况下，依然会吃掉相当多的heap，原因是lucene为每个segment会在thread local里记录状态信息，这块的heap内存开销和(segment数量* thread数量)相关。
很有必要记录用户的访问记录。我们只开放了http api给用户，前置了一个nginx做http代理，将用户第三方api的访问记录通过access log全部记录下来。通过分析访问记录，可以在集群出现性能问题时，快速找到问题根源，对于问题排查和性能优化都很有帮助。
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