Elasticsearch最佳实践之Index与Shard设计

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我是靠谱客的博主风中缘分，最近开发中收集的这篇文章主要介绍Elasticsearch最佳实践之Index与Shard设计，觉得挺不错的，现在分享给大家，希望可以做个参考。

概述

Index与Shard，这两个概念在《Elasticsearch最佳实践之核心概念与原理》一文有详细的介绍，分别对应了Elasticsearch的两种数据组织方式：逻辑组织和物理组织。逻辑层面上，Index与业务数据的结构、类型、使用方式等息息相关；而物理层面上，Shard关系到数据在不同机器上的分布情况。作为专栏的第三篇，本文主要探讨实际应用中Index与Shard的设计方法。所谓设计，即通过合理组合Elasticsearch的特性与功能来完成业务需求，尽可能实现业务的灵活性，保证系统的高性能与稳定性。当然，前提是得先知晓这些特性与功能以及何时使用。本文将从以下几个方面进行介绍，写作背景是Elasticsearch 5.5。（文中使用的一些示例和图片来自于笔者在2018年Elasticsearch南京Meetup中的幻灯片。）

基于时间的Index设计
Mapping设计技巧
巧妙的Alias
Shard分配原则
整体思路

1. 基于时间的Index设计

Index设计时要考虑的第一件事，就是基于时间对Index进行分割，即每隔一段时间产生一个新的Index。为什么要这样做呢？因为现实世界的数据是随着时间的变化而不断产生的，切分管理可以获得足够的灵活性和更好的性能。

如果数据都存储在一个Index中，很难进行扩展和调整，因为Elasticsearch中Index的某些设置在创建时就设定好了，是不能更改的，比如Primary Shard的个数。而根据时间来切分Index，则可以实现一定的灵活性，既可以在数据量过大时及时调整Shard个数，也可以及时响应新的业务需求。
大多数业务场景下，客户对数据的请求都会命中在最近一段时间上，通过切分Index，可以尽可能的避免扫描不必要的数据，提高性能。

当然，并不排除某些特定的业务场景下，不用对Index进行切分管理，比如一个固定的数据集或者一个增长非常缓慢的数据集。大多数情况下，笔者都建议按照时间进行分割。那么，要考虑的第二件事就是，按照什么规则来设定切分的间隔呢？根据上面的分析，自然是时间越短越能保持灵活性，但是这样做就会导致产生大量的Index，而每个Index都会消耗资源来维护其元信息的，因此需要在灵活性、资源和性能上做权衡。建议按照如下几点来思考：

常见的间隔有小时、天、周和月。先考虑总共要存储多久的数据，然后选一个既不会产生大量Index又能够满足一定灵活性的间隔。比如，你需要存储6个月的数据，那么一开始选择“周”这个间隔就会比较合适。
考虑业务增长速度。假如业务增长的特别快，比如上周产生了1亿数据，这周就增长到了10亿，那么就需要调低这个间隔来保证有足够的弹性能应对变化。
结合业务特性和性能测试来决定要不要调整间隔。这点更多的是从业务角度来考虑的，举个例子，在笔者的一个项目中，一开始选择了“周”作为间隔，一周产生一个新的Index来存储实时的分钟级数据，但是每周会将历史数据合并成小时级数据来降低数据量、提高查询速度。在性能测试中发现，合并后的查询性能相比合并前提升特别大，因此我们将整体间隔调整到“天”来缩短合并的周期。（后面会另撰文章更详细的分享这个案例）

接下来就是第三件事，如何实现Index的分割？切分行为是由客户端（数据的写入端）发起的，根据时间间隔与数据产生时间将数据写入不同的Index中，为了易于区分，会在Index的名字中加上对应的时间标识。创建新Index这件事，可以是客户端主动发起一个创建的请求，带上具体的Settings、Mappings等信息，但是可能会有一个时间错位，即有新数据写入时新的Index还没有建好。Elasticsearch提供了更优雅的方式来实现这个动作，即Index Template。
Index Template提供的功能是：先设置一个Template，定义好具体的Settings、Mappings等信息，当有数据需要写入新的Index时，就会根据Template内容自动创建Index。是否根据Template建立新的Index受三点因素制约：

是否是新的Index；
Index的名字是否与template参数中定义的格式相匹配；
如果有多个Template匹配上了，则根据order参数的大小来依次生效，即从小到大逐步更新相应的配置信息（相同的配置信息会被覆盖）。

下面给出了一个具体的Index Template定义，来自于笔者项目中的真实定义（去掉了部分字段信息），该Template会匹配所有前缀为“ce-index-access-v1-”的Index，这个示例会被上下多个小节引用。

{
    "facet_internet_access_minute": {
        "template": "ce-index-access-v1-*",
        "order": 0,
        "settings": {
            "number_of_shards": 5
        },
        "aliases": {
            "{index}-query": {}
        },
        "mappings": {
            "es_doc": {
                "dynamic": "strict",
                "_all": {
                    "enabled": false
                },
                "_source": {
                    "enabled": false
                },
                "properties": {
                    "CLF_Timestamp": {
                        "type": "long"
                    },
                    "CLF_CustomerID": {
                        "type": "keyword"
                    },
                    "CLF_ClientIP": {
                        "type": "ip",
                        "ignore_malformed": true
                    }
                }
            }
        }
    }
}

2. Mapping设计技巧

Index设计的第四件事，是结合业务需求来设定Mapping信息。如在专栏的第二篇中所述，Mapping定义了具体的数据结构与相关的元信息，合适的设置可以有效提高性能、节省磁盘空间。Mapping的设计，主要考虑两方面内容：

Schema设计。第一，尽管Elasticsearch支持半结构化数据，但是在实际使用中还是应该尽最大可能对数据结构加以控制。第二，因为Elasticsearch不支持JOIN操作，所以Schema应该尽量扁平化。第三，对于只需要做精确匹配的字段，应该设置为不做分词，5.5中通过type=keyword来设定。
参数调整，即修改部分参数的默认值来适应自身业务。Elasticsearch中有很多参数可用，几乎可以满足大多数的业务需求，你很难记住所有的，不妨在有相关需求时先去文档查查看。

这里将结合上述Index Template示例，阐述几个笔者用过的Mapping参数。

_all参数

假设在你的业务中，需要根据关键词来查找某条数据，但是并不明确知道要到哪个字段中去查，这时用_all参数就可以帮助你解决。_all=true时，Elasticsearch会在写入数据时将其所有字段值合并起来组合为一个新的值，对其建立索引，用来满足前面所述的搜索需求。也就是说，如果你的业务没有这种需求，那么将其设置为false，可以节省磁盘、提高性能。

_source参数

我们知道Elasticsearch中存储的每一条数据都是一个JSON结构，在写入数据时会对每个字段建立Inverted Index、doc values等，如果_source=true，Elasticsearch会将整个JSON数据也存储下来。如果你的业务中，不需要查询原始数据，只需要根据索引来过滤然后做聚合查询，那么可以将其设置为false，同样可以节省磁盘空间、提高性能。

dynamic参数

假如突然有一条数据里面包含了一个没有定义的字段，这时你期望Elasticsearch怎么做？dynanic参数便是用来处理此种情况的，有三种选择：strict表示不接受数据中包含没有定义的字段，发现了就报错；true表示允许没有定义的字段被插入进来；false表示忽略没有定义过的字段，继续写入数据的其他信息。具体怎么选，更多的取决于业务需求，但是要考虑清楚可能带来的后果。在笔者的项目中，就选择了strict，用来拒绝一切脏数据。

ignore_malformed参数

假设有一个字段CLF_ClientIP传过来的是字符串，我们期望将其转换为ip数据类型，方便做查询。理论上，将type设置为ip就可以解决了，但是有这么一种情况，客户端在某些情况下没有拿到对应的IP信息，用了一个“–”来表示，这样的数据到了Elasticsearch端是没法转换为ip数据类型的，但是这又是一条正常数据，该怎么处理呢？通过ignore_malformed=true，可以做到忽略CLF_ClientIP字段而保留数据的其他信息。

3. 巧妙的Alias

Alias，顾名思义，就是Index的别名。一个Alias可以指向多个Index，一个Index也可以关联多个Alias，具体可以通过Alias的REST API来设定。在查询数据时，Elasticsearch会自动检测请求的Path是否是Alias，是的话就会从其关联的Index中查询数据。Alias的巧妙之处在于，能帮助我们将查询请求无缝的从一个Index切换到另一个Index上面，这种切换对于客户端是透明的。
举个例子来阐述，上面有提到，在笔者业务中，存在一种数据合并：将分钟粒度数据合并成小时粒度的数据，从而可以降低数据量、提高查询性能。下图中，左边表示分钟粒度数据的Index，右边表示小时粒度数据的Index。用户的查询会先命中到分钟粒度Index上，一天之后，当历史数据完成合并后，会将查询请求转到小时粒度Index上（分钟粒度的Index会被删除）。通过Alias，我们就可以实现这种没有downtime的切换，并且对客户端透明。客户端只要按照固定的Alias来查询即可，至于Elasticsearch这边从哪个Index来查，则是取决于不同时间这个Alias关联的Index。（在数据合并完成后，切换Alias关联的Index，在一个请求中完成卸载老的Index和关联新的Index。）

4. Shard分配原则

所谓Shard分配原则，就是如何设定Primary Shard的个数。看上去只是一个数字而已，也许在很多场景下，即使不设定也不会有问题（默认是5个Primary Shard）。但是如果不提前考虑，一旦出问题就可能导致系统性能下降、不可访问、甚至无法恢复。换句话说，即使使用默认值，也应该是通过足够的评估后作出的决定，而非拍脑袋定的。具体的分配方法，很难给出一个完美的套路适用于所有的业务需求，这里主要结合笔者的实践谈几点原则和调整方法，给大家提供一个思路。

单个Shard的存储大小不超过30GB。首先，为什么是30GB？关于这个值，来自于笔者跟AWS和Elastic专家的沟通结果，大家普遍认为30GB是个合适的上限值。目前我们尚未对此做过测试验证，不过实践中确实遇到过因为单个Shard过大（超过30GB）导致系统不稳定的情况。其次，为什么不能超过30GB？主要是考虑Shard Relocate过程的负载。我们知道，如果Shard不均衡或者部分节点故障，Elasticsearch会做Shard Relocate，在这个过程中会搬移Shard，如果单个Shard过大，会导致CPU、IO负载过高进而影响系统性能与稳定性。
单个Index的Primary Shard个数 = k * 数据节点个数。在保证第一点的前提下，单个Index的Primary Shard个数不宜过多，否则相关的元信息与缓存会消耗过多的系统资源。这里的k，为一个较小的整数值，建议取值为1,2等，整数倍的关系可以让Shard更好地均匀分布，可以充分的将请求分散到不同节点上。
对于很小的Index，可以只分配1~2个Primary Shard的。有些情况下，Index很小，也许只有几十、几百MB左右，那么就不用按照第二点来分配了，只分配1~2个Primary Shard是可以，不用纠结。
聊一个特殊的例子。曾经遇到过一个Index，里面存放的是关键事件的日志信息，数据量不大（400MB左右），所以只分配了2个Primary Shard。但是因为“最近的事件”是用户非常关注的，所以这个Index承载了整个集群50%以上的查询请求，为了提高查询性能，将请求分散到不同机器上，最后还是将Primary Shard设置为数据节点的个数。

5. 整体思路

Index与Shard的设计，并不是一下子就可以完成的，需要不断预估、测试、调整、再测试来达到最终模型。整个过程大致如下图时间轴所示，分为以下几个阶段，当然期间有很多阶段是需要迭代的。

第一阶段，Index的设计，即完成本文第1~3小节提到的内容。这一阶段是完成业务需求的分解与设计，之后剩下的就是如何构建Elasticsearch集群来承载这样的需求了。
第二阶段，预估数据量。预估单个Index的数据量，结合需要保留的数据周期可以得到整体的数据量。
第三阶段，预估机型。根据业务的场景，来决定选择CPU增强型、内存增强型还是通用型机器（针对云服务）。
第四阶段，预估机器个数。因为单机能挂载的磁盘大小是有限的，因此知道了数据量，也就知道了最少需要多少台机器。在预估磁盘空间时，还需要考虑另外两个因素：一个是Replica，即副本的个数，大多数情况下1个就够了（当然还是取决于业务）；另一个是预留30%的磁盘空间，这部分空间既是预留给系统使用的，也是为磁盘告警的处理预留足够的时间。
第五阶段，预估Primary Shard个数。即参考第4小节中的思路，预估Primary Shard的个数。
第六阶段，部署、测试。根据性能测试和业务的特殊情况，做适当调整，调整可能包括Primary Shard个数、机型、机器个数等。