Se7en的架构笔记

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ILM 索引生命周期管理 ​

本系列 Elastic Stack 实战教程总共涵盖 5 个实验，目的是帮助初学者快速掌握 Elastic Stack 的基本技能。

云起实验室在线体验地址

  • 实验 1：Elastic Stack 8 快速上手
  • 实验 2：ILM 索引生命周期管理
  • 实验 3：快照备份与恢复
  • 实验 4：使用 Fleet 管理 Elastic Agent 监控应用
  • 实验 5：Elasticsearch Java API Client 开发

1 索引生命周期介绍 ​

索引生命周期管理 (Index Lifecycle Management, ILM) 是在 Elasticsearch 在 6.6（公测版）首次引入并在 6.7 版正式推出的一项功能。ILM 旨在帮助用户更方便地管理时序数据（例如日志，指标等）。时序数据有如下几个典型的特点：

  • 随着时间的推移，数据的价值在逐渐降低。
  • 数据量非常大。
  • 数据追加写入，通常不会修改旧数据。

随着数据量的不断增大，我们需要对索引进行一定的维护管理甚至是删除清理。利用 ILM 策略我们针对索引不同阶段对数据读写的要求，将索引分配到合适的节点上，从而更好地利用机器的资源：

  • 例如最新需要频繁读写的数据，可以保存到 SSD 硬盘的节点上。
  • 对于较旧的数据，可以保存到机械硬盘的节点上。
  • 对于归档数据，可以保持到大容量廉价硬盘的节点上。
  • 当数据超过一定的时间，不再需要时，可以将该数据删除。

ILM 将一个索引的生命周期定义为了 5 个阶段，除了 Hot 阶段以外，其他阶段都是可选的。

阶段介绍
Hot索引正在被实时地写入和查询，可根据索引的文档数、大小、时长决定是否调用 Rollover API 来滚动创建新的索引。
Warm索引不再被更新，但仍在被查询。
Cold索引不再被更新，并且很少被查询，如果这些查询比较慢也没关系。
Frozen索引不再被更新，并且很少被查询，如果这些查询非常慢也没关系。
Delete不再需要索引，可以安全地删除。

不同的阶段只允许执行相应的 Action，具体如下表所示。

阶段Set PriorityUnfollowRolloverRead-OnlyShrinkForce MergeSearchable SnapshotAllocateMigrateWait For SnapshotDelete
Hot✅✅✅✅✅✅✅❌❌❌❌
Warm✅✅❌✅✅✅❌✅✅❌❌
Cold✅✅❌✅❌❌✅✅✅❌❌
Frozen❌❌❌❌❌❌✅❌❌❌❌
Delete❌❌❌❌❌❌❌❌❌✅✅

常用的 Action 如下。

动作介绍
Rollover根据索引的文档数、大小、时长决定是否调用 Rollover API 来滚动创建新的索引。
Shrink减少索引的主分片数。
Force Merge段合并，可以减少索引段的数量并提高检索速度。段合并的时候会将那些旧的已删除文档从文件系统中清除。
Allocate修改索引的副本分片数。
Read-Only将索引设置为只读。
Delete删除索引。

2 部署冷热分层集群 ​

在 Elasticsearch 7.10 中引入了 data tiers（数据层）的概念，对数据节点类型做进一步的细分，分为 data_content, data_host, data_warm, data_cold, data_frozen，同一数据层的节点通常拥有相同硬件配置和性能。不同数据层的定义如下：

  • 内容层（content tier）： 内容层往往存储常态化的数据，与时间序列数据不同，这类数据的价值随着时间的推移相对保持恒定，例如产品目录或者商品种类。
  • 热层（hot tier）： 热层存储最新的时间序列数据，这类数据也是被查询最多的数据，因此热层中的节点在写入和读取时都需要快速，因此热层的节点通常拥有更好的 CPU、内存资源和更快的存储（例如 SSD 固态硬盘）。
  • 温层（warm tier）： 一旦查询查询时间序列数据的频率开始低于热层中最近写入的数据，那么便可以将这些数据转移至温层。温层通常保留最近几周的数据，一般不会再对这些数据进行更新，温层的节点不需要像热层中的节点一样快。
  • 冷层（cold tier）： 冷层存储访问频率较低的数据，我们通常会将冷层的数据设置为只读的，并且随着数据过渡到冷层，还可以对其进行压缩和去副本以节省存储空间。
  • 冻结层（frozon tier）： 一旦数据不再被查询，便可以将数据从冷层移动到冻结层。在冻结层中可以选择以挂载索引的方式将数据存储在快照存储库中，可以省去副本的存储空间，当需要搜索时，再去快照存储库中提取数据，因此查询的速度通常较慢。

需要确保集群中至少有一个 data_hot 和 data_content 节点，即使它们是同一个节点，否则新索引将无法被分配。 新创建的索引默认将分配到 data_content 节点上。

在本实验中，我们将部署一个由 4 个节点组成的冷热分离架构的 Elasticsearch 集群，节点的角色分配如下。

节点角色说明
es01master, data_content, data_hot内容层，热层
es02master, data_content, data_hot内容层，热层
es03master, data_warm温层
es04master, data_cold冷层

首先执行以下命令修改系统参数以满足 Elasticsearch 的运行条件。

bash
# 增加进程可使用的最大内存映射区域数
cat >> /etc/sysctl.conf << EOF
vm.max_map_count=262144
EOF

sysctl -p

# 增加进程可使用的最大文件描述符数量
cat >> /etc/security/limits.conf  << EOF
elastic - nofile  65535
EOF

ulimit -n 65535

为了方便实验，本节采用 Docker Compose 的方式快速部署 Elasticsearch 集群。执行如下命令，安装 Docker 和 Docker Compose。

bash
curl -sSL https://get.daocloud.io/docker | sh
apt install -y docker-compose

执行如下命令，获取 docker-compose.yml 配置文件，并在后台启动 Elasticsearch 集群。

bash
apt install -y git
git clone https://gitee.com/cr7258/elastic-lab.git
cd elastic-lab/2_ilm/
docker-compose up -d

执行 docker-compose ps 命令查看容器运行状态，其中 2ilm_setup_1 容器是用于创建证书以及设置 elastic 和 kibana_system 用户密码的，执行完毕后会自动退出，我们需要确保其他容器处于 Up 状态。

3 设置 ILM 策略 ​

浏览器输入 http://<ESC 公网 IP>:5601 访问 Kibana 界面。输入用户名 elastic，密码 elastic123，点击 Login in。其中密码是在 elastic-lab/2_ilm/.env 文件中设置的。

点击 Management -> Dev Tools -> Console，打开 Kibana Console 界面。ILM 服务会在后台定期轮询执行 Policy，默认的时间间隔为 10 分钟，为了测试更快地看到效果，这里将其修改为 1 秒。

yaml
PUT _cluster/settings
{
  "persistent": {
    "indices.lifecycle.poll_interval":"1s"
  }
}

接下来设置 ILM 策略，包含以下 4 个阶段：

  • Hot 阶段：超过 5 个文档以后 rollover 创建新的索引。
  • Warm 阶段：60s 后进入 warm 阶段，将副本分片数缩减为 0。
  • Cold 阶段：120s 后进入 cold 阶段，将索引设置为只读。
  • Delete 阶段：180s 后进入 delete 阶段，删除索引。

yaml
PUT _ilm/policy/log-ilm-policy
{
  "policy": {
    "phases": {
      "hot": {
        "min_age": "0s",
        "actions": {
          "rollover": {
            "max_docs": 5  // 超过 5 个文档以后 rollover 创建新的索引
          },
          "set_priority": {
            "priority": 100 // 优先级最高，当节点重启后优先恢复 hot 阶段的索引
          }
        }
      },
      "warm": {
        "min_age": "60s", // 60s 后进入 warn 阶段
        "actions": {
          "allocate": {
            "number_of_replicas": 0 // 将副本分片数缩减为 0
          },
          "set_priority": {
            "priority": 50
          }
        }
      },
      "cold": {
        "min_age": "120s", // 120s 后进入 cold 阶段
        "actions": {
          "readonly" : {}, // 将索引设置为只读
          "set_priority": {
            "priority": 0
          }
        }
      },
      "delete": {
        "min_age": "180s", // 180s 后删除索引
        "actions": {
          "delete": {}
        }
      }
    }
  }
}

4 设置索引模板 ​

创建索引模板，匹配 log-index- 开头的索引，关联 ILM 策略和别名，新索引的主分片数和副本分片数都设置为 1。索引模板是预先定义好的在创建新索引时自动应用的模板，在索引模板中可以定义在创建索引时为索引添加的别名、设置、字段映射以及索引应用的 ILM 策略等内容。

yaml
PUT _index_template/log-template
{
  "index_patterns" : [
      "log-index-*" // 通配符匹配索引
    ],
  "template": {
    "settings" : {
      "index" : {
        "lifecycle" : {
          "name" : "log-ilm-policy",  // 应用 ILM 策略
          "rollover_alias" : "log-index" // 指定 rollover 别名
        },
        "number_of_shards" : "1", // 主分片数
        "number_of_replicas" : "1"  // 副本分片数
      }
    }
  }
}

5 创建符合模板的起始索引 ​

创建第一个索引 log-index-000001，设置索引别名为 log-index，后续在 rollover 滚动更新索引时，索引名会根据最后的序号递增，例如 log-index-000002，log-index-000003，log-index-000004 ...。is_write_index 参数设置为 true 表示往别名发送的写请求将发送到 log-index-000001 索引上。当发生 Rollover 时，Elasticsearch 会自动将新创建的索引的 is_write_index 参数设置为 true，同时将旧索引的 is_write_index 参数设置为 false，以确保往别名写入时只写入同一个索引。

yaml
PUT log-index-000001
{
"aliases": {
  "log-index": {
    "is_write_index": true 
  }
 }
}

查看别名 log-index，可以看到该别名下目前只有 1 个索引 log-index-000001，该索引处于可写的状态，并且应用了我们设置的 ILM 策略。当新建索引时，默认情况下，Elasticsearch 会将 index.routing.allocation.include._tier_preference 参数设置为 data_content，以将索引分片自动分配给内容层。

yaml
GET log-index

# 返回结果
{
"log-index-000001" : {
  "aliases" : {
    "log-index" : {
      "is_write_index" : true // 可写
    }
  },
  "mappings" : { },
  "settings" : {
    "index" : {
      "lifecycle" : { // 应用 ILM 策略
        "name" : "log-ilm-policy",
        "rollover_alias" : "log-index"
      },
      "routing" : {
        "allocation" : {
          "include" : {
            "_tier_preference" : "data_content" // 分片分配到内容层上
          }
        }
      },
      "number_of_shards" : "1",
      "provided_name" : "log-index-000001",
      "creation_date" : "1657374734018",
      "priority" : "100",
      "number_of_replicas" : "1",
      "uuid" : "kOXmUzVlRRmTZJfBxolpmg",
      "version" : {
        "created" : "8020399"
      }
    }
  }
 }
}

6 插入数据，观察效果 ​

浏览器输入 http://<ESC 公网 IP>:9000 访问 Cerebro，在 Node address 输入框内填入 https://es01:9200，然后点击 Connect 连接 Elasticsearch 集群。

输入用户名 elastic，密码 elastic123，点击 Authenticate。

往索引中插入 5 条数据，然后观察 ILM 策略的执行效果。

json
POST log-index/_bulk
{"index":{}}
{"name":"Erlend","age":16}
{"index":{}}
{"name":"Brynjar","age":18}
{"index":{}}
{"name":"Fox","age":18}
{"index":{}}
{"name":"Frank","age":23}
{"index":{}}
{"name":"Sam","age":18}

// 手动触发段合并，让 Elasticsearch 更快监测到文档数量的变化
POST log-index/_forcemerge

等待一会 Elasticsearch 发现 log-index-000001 索引中的文档数达到 5 个，会触发 Rollover，创建新的索引 log-index-000002。

往别名发起的写入请求将会写入 log-index-000002 索引中。当然此时你仍然可以指定往 log-index-000001 索引中写入数据。

yaml
GET log-index
  
# 返回结果
{
  "log-index-000001" : {
    "aliases" : {
      "log-index" : {
        "is_write_index" : false // 被改为 false 了
      }
    },
    "mappings" : {
      "properties" : {
        "age" : {
          "type" : "long"
        },
        "name" : {
          "type" : "text",
          "fields" : {
            "keyword" : {
              "type" : "keyword",
              "ignore_above" : 256
            }
          }
        }
      }
    },
    "settings" : {
      "index" : {
        "lifecycle" : {
          "name" : "log-ilm-policy",
          "rollover_alias" : "log-index",
          "indexing_complete" : "true"
        },
        "routing" : {
          "allocation" : {
            "include" : {
              "_tier_preference" : "data_content"
            }
          }
        },
        "number_of_shards" : "1",
        "provided_name" : "log-index-000001",
        "creation_date" : "1657374734018",
        "priority" : "100",
        "number_of_replicas" : "1",
        "uuid" : "kOXmUzVlRRmTZJfBxolpmg",
        "version" : {
          "created" : "8020399"
        }
      }
    }
  },
  "log-index-000002" : {
    "aliases" : {
      "log-index" : {
        "is_write_index" : true // 往别名发起的写入请求将发给 log-index-000002 索引
      }
    },
    "mappings" : { },
    "settings" : {
      "index" : {
        "lifecycle" : {
          "name" : "log-ilm-policy",
          "rollover_alias" : "log-index"
        },
        "routing" : {
          "allocation" : {
            "include" : {
              "_tier_preference" : "data_content"
            }
          }
        },
        "number_of_shards" : "1",
        "provided_name" : "log-index-000002",
        "creation_date" : "1657374971168",
        "priority" : "100",
        "number_of_replicas" : "1",
        "uuid" : "tT1hbzQxQH2Ms5luQki6gw",
        "version" : {
          "created" : "8020399"
        }
      }
    }
  }
}

等待 60s，log-index-000001 索引进入 Warm 阶段，索引分片移动到 es03 节点上，此时只保留了主分片，副本分片缩减为 0。

此时发现 log-index-000001 索引的 index.routing.allocation.include._tier_preference 参数被修改为了 data_warm,data_hot，当存在 data_warm 角色的节点，则将索引分配给温层；如果不存在 data_warm 角色的节点，则将索引分配给热层。

yaml
GET log-index
  
# 返回结果
{
  "log-index-000001" : {
    "aliases" : {
      "log-index" : {
        "is_write_index" : false
      }
    },
    "mappings" : {
      "properties" : {
        "age" : {
          "type" : "long"
        },
        "name" : {
          "type" : "text",
          "fields" : {
            "keyword" : {
              "type" : "keyword",
              "ignore_above" : 256
            }
          }
        }
      }
    },
    "settings" : {
      "index" : {
        "lifecycle" : {
          "name" : "log-ilm-policy",
          "rollover_alias" : "log-index",
          "indexing_complete" : "true"
        },
        "routing" : {
          "allocation" : {
            "include" : {
              "_tier_preference" : "data_warm,data_hot" // 优先分配到温层
            }
          }
        },
        "number_of_shards" : "1",
        "provided_name" : "log-index-000001",
        "creation_date" : "1657374734018",
        "priority" : "50",
        "number_of_replicas" : "0",
        "uuid" : "kOXmUzVlRRmTZJfBxolpmg",
        "version" : {
          "created" : "8020399"
        }
      }
    }
  },
  "log-index-000002" : {
    "aliases" : {
      "log-index" : {
        "is_write_index" : true
      }
    },
    "mappings" : { },
    "settings" : {
      "index" : {
        "lifecycle" : {
          "name" : "log-ilm-policy",
          "rollover_alias" : "log-index"
        },
        "routing" : {
          "allocation" : {
            "include" : {
              "_tier_preference" : "data_content"
            }
          }
        },
        "number_of_shards" : "1",
        "provided_name" : "log-index-000002",
        "creation_date" : "1657374971168",
        "priority" : "100",
        "number_of_replicas" : "1",
        "uuid" : "tT1hbzQxQH2Ms5luQki6gw",
        "version" : {
          "created" : "8020399"
        }
      }
    }
  }
}

等待 120s，log-index-000001 索引进入 Cold 阶段，索引分片移动到 es04 节点上，此时索引被设置为只读状态。

此时发现 log-index-000001 索引的 index.routing.allocation.include._tier_preference 参数被修改为了 data_cold,data_warm,data_hot，索引将会被优先分配到冷层，如果没有 data_cold 角色的节点，再依次考虑分配到温层或者热层。

yaml
GET log-index
  
# 返回结果

{
  "log-index-000001" : {
    "aliases" : {
      "log-index" : {
        "is_write_index" : false
      }
    },
    "mappings" : {
      "properties" : {
        "age" : {
          "type" : "long"
        },
        "name" : {
          "type" : "text",
          "fields" : {
            "keyword" : {
              "type" : "keyword",
              "ignore_above" : 256
            }
          }
        }
      }
    },
    "settings" : {
      "index" : {
        "lifecycle" : {
          "name" : "log-ilm-policy",
          "rollover_alias" : "log-index",
          "indexing_complete" : "true"
        },
        "routing" : {
          "allocation" : {
            "include" : {
              "_tier_preference" : "data_cold,data_warm,data_hot" // 优先分配到冷层
            }
          }
        },
        "number_of_shards" : "1",
        "blocks" : {
          "write" : "true"
        },
        "provided_name" : "log-index-000001",
        "creation_date" : "1657374734018",
        "priority" : "0",
        "number_of_replicas" : "0",
        "uuid" : "kOXmUzVlRRmTZJfBxolpmg",
        "version" : {
          "created" : "8020399"
        }
      }
    }
  },
  "log-index-000002" : {
    "aliases" : {
      "log-index" : {
        "is_write_index" : true
      }
    },
    "mappings" : { },
    "settings" : {
      "index" : {
        "lifecycle" : {
          "name" : "log-ilm-policy",
          "rollover_alias" : "log-index"
        },
        "routing" : {
          "allocation" : {
            "include" : {
              "_tier_preference" : "data_content"
            }
          }
        },
        "number_of_shards" : "1",
        "provided_name" : "log-index-000002",
        "creation_date" : "1657374971168",
        "priority" : "100",
        "number_of_replicas" : "1",
        "uuid" : "tT1hbzQxQH2Ms5luQki6gw",
        "version" : {
          "created" : "8020399"
        }
      }
    }
  }
}

等待 180s，log-index-000001 索引被删除。至此完成了整个索引生命周期流程。