Question

ElasticSearch部署架构和容量规划

Answer 1

前面介绍了ElasticSearch原理和使用相关的内容，在生产环境如何比较科学的进行容量规划、部署、调优、排查问题呢，业界和官方也对相关的问题进行总结，我这边也结合自己的经验对这些使用ElasticSearch经常遇到的问题进行了总结。其中主要包括以下三大模块：

ElasticSearch有多种类型的节点，在前面概述和核心也已经介绍过了。在这里可以重新回顾下。ElasticSearch的部署节点类型如下：

主节点及其候选节点，负责集群状态(cluster state)的管理

配置项：node.master，默认为true

数据节点，负责数据存储及处理客户端请求

配置项：node.data，默认为true

ingest节点，负责数据处理，脚本执行

配置项：node.ingest，默认为true

协调节点

配置项：设置上面三个参数全部为false，那么它就是一个纯协调节点

机器学习节点，收费属于x-pack

在生产环境部署推荐配置整体思路就是：尽量是一个节点只承担一个角色。

因为不同的节点所需要的计算机资源都不一样。职责分离后可以按需扩展互不影响。

资源要求：中高CPU；中高内存；中低磁盘

一般在生产环境中配置3台

一个集群只有1台活跃的主节点，负责分片管理，索引创建，集群管理等操作

资源要求：CPU、内存、磁盘要求都高

资源要求：高配置CPU;中等配置的RAM;低配置的磁盘

资源要求：一般中高CPU；中高内存；低磁盘

协调节点扮演者负载均衡、结果的聚合，在大型的es集群中条件允许可以使用高配的cpu和内存。因为如果客户端发起了深度分页等请求可能会导致oom，这个在之前也有过分析。

注意：

如果和数据节点或者Coordinate节点混合部署，数据节点本来相对有比较大的内存占用。

而Coordinate节点有时候可能会有开销很高的查询导致OOM，这些甚至都有可能影响Master节点，导致集群的不稳定。

搭建一个es集群是由模式可循的。

这是一个基础版的职责分离的部署架构：

但是如果大量的聚合查询等操作，这种架构不太适合了。

当系统中有大量的复杂查询或者聚合时候，我们可增加Coordinating节点，增加查询的性能，这里增加了负载均衡层，通过负载均衡扩展时应用程序无感知。

这样部署部署相互影响，写入多的话，多部署ingetst节点，读的时候聚合查询较多可以多部署协调节点，存储数据量大，可以适当对数据节点进行调优。

我们知道数据有冷热之分，比如写入频繁的日志数据，近期的索引将会频繁写入。es根据数据这些特征引入了hot节点和warm节点。

使用ssd，该节点上的索引不断的有新文档写入和查询，对cpu、io的要求较高。

可以使用HDD，上面的索引不会有写入，查询较少。上面只保存只读索引或者旧索引，使用大容量便宜的机械硬盘。

配置步骤：

针对多机房灾备，ElasticSearch业界有多种不同的通用解决方案：

一个集群中的节点分布在不同的机房

应用程序同时将数据写入两个集群

应用程序先将数据写入消息队列，然后由下游的消费者消费并写入集群

ElasticSearch官方的跨集群复制功能，基于文档操作实现订阅复制

定期将索引备份到外部存储，如hdfs等设备

写请求交给网关，网关实时写入主集群，然后异步写备集群

如下是基于CCR跨集群复制的部署架构，因为篇幅有限，异地多活又是一个很大的话题，其它方案和其细节可以查阅相关资料。

我们知道当es集群的节点数大于索引的分片数时，集群将无法通过水平扩展提升集群的性能。而分片数过多，对于聚合查询以及集群的元数据管理也都有影响。我们可以总结为：

分片数量较多

优点：

缺点：

通常建议一个集群总分片数小于10w。

如何设计分片的数量呢？一个分片保持多大的数据量比较合适呢？

我们需要根据使用场景来设置：

避免使用非常大的分片，因为这会对群集从故障中恢复的能力产生负面影响。而每个分片也会消耗相应的文件句柄,内存和CPU资源，分片太多会互相竞争，影响性能。

主分片数一旦确定就无法更改，只能新建创建并对数据进行重新索引(reindex)，虽然reindex会比较耗时，但至少能保证你不会停机。所以我们一定要科学的设计分片数。

这里摘录于官方关于分片大小的建议：

主分片与副本都能处理查询请求，它们的唯一区别在于只有主分片才能处理索引请求。副本对搜索性能非常重要，同时用户也可在任何时候添加或删除副本。额外的副本能给带来更大的容量，更高的呑吐能力及更强的故障恢复能力

3.1.3. 小结

根据实际经验我们稍微总结下：

对于数据量较小（100GB以下）的index

对于数据量较大（100GB以上）的index：

综合考虑整个index的shard数量，如果shard数量（不包括副本）超过50个，就很可能引发拒绝率上升的问题，此时可考虑把该index拆分为多个独立的index，分摊数据量，同时配合routing使用，降低每个查询需要访问的shard数量。

关闭交换分区的方法是：

这里是官方的jvm推荐配置链接：

https://www.elastic.co/cn/blog/a-heap-of-trouble

es的节点提供查询的时候使用较多的内存来存储查询缓存，es的lucene写入到磁盘也会先缓存在内存中，我们开启设计这个es节点时需要根据每个节点的存储数据量来进行判断。这里有一个流行的推荐比例配置：

示例：

有一个业务的数据量预估实际有1T，我们把副本设置1个，那么es中总数据量为2T。

这里31G表示的是jvm设置不超过32g否则不会使用java的指针压缩优化了。

前面也提到过，数据节点推荐使用ssd

可以考虑：

写入的目标在于增大写入的吞吐量，这里主要从两个方面进行优化：

这里可以针对myindex索引优化的示例：

首先有几个原则我们需要清楚：

我们可以通过health相关的api进行查看

我们可以使用profile api来定位慢查询。

在查询条件中设置profile为true的参数，将会显示查询经历的细节。

其结果为：

这里会返回一个shards列表。其中：

主要包含了如下信息：

Profile API让我们清楚地看到查询耗时。提供了有关子查询的详细信息，我们可以清楚地知道在哪个环节查询慢，另外返回的结果中，关于Lucene的详细信息也让我们深入了解到ES是如何执行查询的。

ES记录了两类慢日志：

慢搜索日志

用来记录哪些查询比较慢，每个节点可以设置不同的阈值。

之前我们已经详细分析了ES的搜索由两个阶段组成：

慢搜索日志给出了每个阶段所花费的时间和整个查询内容本身。慢搜索日志可以为查询和取回阶段单独设置以时间为单位的阈值，在定义好每个级别的时间后，通过level决定输出哪个级别的日志。

示例如下

前面参考官方链接：

https://www.elastic.co/guide/en/elasticsearch/reference/7.17/index-modules-slowlog.html

如果出现节点占用CPU很高，我们需要知道CPU在运行什么任务，一般通过线程堆栈来查看。

这里有两种方式可以查看哪些线程CPU占用率比较高：

这里推荐使用hot_threads api

通过返回的结果可以看到什么线程占用更高，正在做什么操作。更详细的内容可以参考官网：

https://www.elastic.co/guide/en/elasticsearch/reference/7.17/cluster-nodes-hot-threads.html

4.3.2 内存使用率过高

1）缓存类型

首先我们需要了解ES中的缓存类型，缓存主要分成如图所示三大类，如下图所示，一个es节点的内存结构：

Node Query Cache（Filter Context）

Shard Query Cache（Cache Query的结果）

Fielddata Cache

Segments Cache

（segments FST数据的缓存），为了加速查询，FST永驻堆内内存，无法被GC回收。该部分内存无法设置大小，长期占用50%~70%的堆内存，只能通过delete index，close index以及force-merge index释放内存

ES底层存储采用Lucene（搜索引擎），写入时会根据原始数据的内容，分词，然后生成倒排索引。查询时，先通过查询倒排索引找到数据地址（DocID）），再读取原始数据（行存数据、列存数据）。

但由于Lucene会为原始数据中的每个词都生成倒排索引，数据量较大。所以倒排索引对应的倒排表被存放在磁盘上。

这样如果每次查询都直接读取磁盘上的倒排表，再查询目标关键词，会有很多次磁盘IO，严重影响查询性能。为了解磁盘IO问题，Lucene引入排索引的二级索引FST[Finite State Transducer]。原理上可以理解为前缀树，加速查询

2）节点的内存查看

3）案例分析

如果节点出现了集群整体响应缓慢，也没有特别多的数据读写。但是发现节点在持续进行Full GC。

常见原因：

Segments个数过多，导致Full GC

我们可以通过查看ElasticSearch的内存分析命令发现：

segments.memory占用很大空间。

解决方案：

Field data cache 过大，导致Full GC

我们可以查看ElasticSearch的内存使用，发现fielddata.memory.size占用很大空间。同时，数据不存在写入和更新，也执行过segments merge。

解决方案：

复杂的嵌套聚合，导致集群Full GC

节点响应缓慢，持续进行Full GC。导出Dump分析。发现内存中有大量 bucket对象，查看日志，发现复杂的嵌套聚合

解决方案：

4）断路器

es有多种断路器，我们可以合理使用，避免不合理操作引发的OOM，每个断路器可以指定内存使用的限制。

关于es的断路器使用可以参考官网文档：

https://www.elastic.co/cn/blog/improving-node-resiliency-with-the-real-memory-circuit-breaker

在排查es问题时，我们会使用一些常见的命令来分析cpu、io、网络等问题。常见的命令如下

我们这里按照1s的频率输出磁盘信息

如果想查看和进程关联的信息，可以使用pidstat或者iotop。

例如，下面为iotop的输出结果

sar命令可以诊断操作系统内存相关情况。

PS：我们需要关闭内存交换，内存交换会严重损害性能 。

我们知道，操作系统有内核态和用户态，该命令可以输出相关信息

Recv-Q和Send-Q代表该连接在内核中等待发送和接收的数据长度。

如果改数据太多，可能原因为应用程序处理不及时或者对端的数据接收不及时，比如网络拥塞之类

本片文章先介绍了es的部署架构，回顾了es节点类型以及它们的配置方式，也了解了不同类型对硬件的要求不一样。然后总结了几种不同的架构模式，比如基础部署、读写分离、冷热分离、异地多活等架构模式，在生产环境中一般我们推荐读写分离架构模式，如果可以最好加上冷热分离，不过配置可能稍微复杂点。

对于容量规划与调优，首先要明确存储的数据量和使用场景，推荐内存磁盘比为：搜索类比例（1:16），日志类（1:48）；比如2T的总数据，搜索如果要保持良好的性能的话，每个节点31*16=496G。每个节点实际有400G的存储空间。那么2T/400G，则需要5个es存储节点，每个节点分片数多少合适，文中也有介绍。副本分片数需要根据我们的容错需求。我们还总结了集群配置和jvm配置相关的优化。

es的使用优化，我们分别总结了写入和查询的优化。写入是其单次数据量、索引refresh、分词等情况都会影响其吞吐量，我们需要根据实际情况来优化。针对于查询，我们可以使用api工具进行分析，分析慢耗时发在在哪一步。当es集群出现异常时，如cpu过高、内存fullgc、卡顿、变红，我们逐一分析了可能的原因和解决办法，同时也介绍了一些常见的诊断工具和监控api。

我们需要先了解es内部运作的原理，这样才能根据实际情况正确的设置集群参数和数据模型，还需要结合实际工作遇到的问题不断的总结经验，才能用好ElasticSearch。