ElasticSearch-生命周期管理

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1月29日，Elastic Stack 迎来 6.6 版本的发布，该版本带来很多新功能，比如：

  • Index Lifecycle Management
  • Frozen Index
  • Geoshape based on Bkd Tree
  • SQL adds support for Date histograms
  • ……

在这些众多功能中，Index Lifecycle Management(索引生命周期管理，后文简称 ILM) 是最受社区欢迎的。今天我们从以下几方面来快速了解下该功能：

  • 为什么索引会有生命？什么是索引生命周期？
  • ILM 是如何划分索引生命周期的？
  • ILM 是如何管理索引生命周期的？
  • 实战

Index Lifecycle 索引生命周期

先来看第一个问题：

为什么索引有生命？

索引(Index)是 Elasticsearch 中数据组织的一个逻辑概念，是具有相同或相似字段的文档组合。它由众多分片(Shard)组成，比如book、people都可以用作索引名称，可以简单类比为关系型数据库的表(table)。

所谓生命，即生与死；索引的生与死便是创建与删除了。

在我们日常使用 Elasticsearch 的时候，索引的创建与删除似乎是很简单的事情，用的时候便创建，不用了删除即可，有什么好管理的呢？

这就要从 Elasticsearch 的应用场景来看了。

在业务搜索场景，用户会将业务数据存储在 Elasticsearch 中，比如商品数据、订单数据、用户数据等，实现快速的全文检索功能。像这类数据基本都是累加的，不会删除。一般删除的话，要么是业务升级，要么是业务歇菜了。此种场景下，基本只有生，没有死，也就不存在管理一说。

而在日志业务场景中，用户会将各种日志，如系统、防火墙、中间件、数据库、web 服务器、应用日志等全部实时地存入 Elasticsearch 中，进行即时日志查询与分析。这种类型的数据都会有时间维度，也就是时序性的数据。由于日志的数据量过大，用户一般不会存储全量的数据，一般会在 Elasticsearch 中存储热数据，比如最近7天、30天的数据等，而在7天或者30天之前的数据都会被删除。为了便于操作，用户一般会按照日期来建立索引，比如 nginx 的日志索引名可能为 nginx_log-2018.11.12、nginx_log-2018.11.13等，当要查询或删除某一天的日志时，只需要针对对应日期的索引做操作就可以了。那么在该场景下，每天都会上演大量索引的生与死。

一个索引由生到死的过程，即为一个生命周期。举例如下：

生：在 2019年2月5日 创建 nginx_log-2019.02.05的索引，开始处理日志数据的读写请求
生：在 2019年2月6日 nginx_log-2019.02.05 索引便不再处理写请求，只处理读请求
死：在 2019年3月5日 删除 nginx_log-2018.02.05的索引
其他的索引，如 nginx_log-2019.02.06 等也会经过相同的一个生命周期。

ILM 是如何划分索引生命周期的？

我们现在已经了解何为生命周期了，而最简单的生命周期只需要生与死两个阶段即可。但在实际使用中生命周期是有多个阶段的，我们来看下 ILM 是如何划分生命周期的。

ILM 一共将索引生命周期分为四个阶段(Phase)：

  • Hot 阶段
  • Warm 阶段
  • Cold 阶段
  • Delete 阶段

如果我们拿一个人的生命周期来做类比的话，大概如下图所示：

Hot 阶段

索引数据正在活跃的更新和查询

Hot 阶段可类比为人类婴儿到青年的阶段，在这个阶段，它会不断地进行知识的输入与输出(数据读写)，不断地长高长大(数据量增加)成有用的青年。

由于该阶段需要进行大量的数据读写，因此需要高配置的节点，一般建议将节点内存与磁盘比控制在 32 左右，比如 64GB 内存搭配 2TB 的 SSD 硬盘。

Warm 阶段

索引数据不再被更新，但是仍被查询

Warm 阶段可类比为人类青年到中年的阶段，在这个阶段，它基本不会再进行知识的输入(数据写入)，主要进行知识输出(数据读取)，为社会贡献价值。

由于该阶段主要负责数据的读取，中等配置的节点即可满足需求，可以将节点内存与磁盘比提高到 64~96 之间，比如 64GB 内存搭配 4~6TB 的 HDD 磁盘。

Cold 阶段

索引已经不被更新且很少查询。但是索引数据的信息还需要被搜索，若被搜索则比较慢

Cold 阶段可类别比为人类中年到老年的阶段，在这个阶段，它退休了，在社会有需要的时候才出来输出下知识(数据读取)，大部分情况都是静静地待着。

由于该阶段只负责少量的数据读取工作，低等配置的节点即可满足要求，可以将节点内存与磁盘比进一步提高到 96 以上，比如128，即 64GB 内存搭配 8 TB 的 HDD 磁盘。

Delete 阶段

索引不再被需要可以安全的删除

Delete 阶段可类比为人类寿终正寝的阶段，在发光发热之后，静静地逝去，Rest in Peace~

ILM 对于索引的生命周期进行了非常详细的划分，但它并不强制要求必须有这个4个阶段，用户可以根据自己的需求组合成自己的生命周期。

ILM 是如何管理索引生命周期的？

所谓生命周期的管理就是控制 4 个生命阶段转换，何时由 Hot 转为 Warm，何时由 Warm 转为 Cold，何时 Delete 等。

阶段的转换必然是需要时机的，而对于时序数据来说，时间必然是最好的维度，而 ILM 也是以时间为转换的衡量单位。比如下面这张转换的示意图，即默认是 Hot 阶段，在索引创建 3 天后转为 Warm 阶段，7 天后转为 Cold 阶段，30 天后删除。这个设置的相关字段为 min_age，后文会详细讲解。

ILM 将不同的生命周期管理策略称为 Policy，而所谓的 Policy 是由不同阶段(Phase)的不同动作(Action)组成的。

Action是一系列操作索引的动作，比如 Rollover、Shrink、Force Merge等，不同阶段可用的 Action 不同，详情如下：

  • Hot Phase
    • Rollover
      滚动索引操作，可用在索引大小或者文档数达到某设定值时，创建新的索引用于数据读写，从而控制单个索引的大小。这里要注意的一点是，如果启用了 Rollover，那么所有阶段的时间不再以索引创建时间为准，而是以该索引 Rollover 的时间为准。
  • Warm Phase
    • Allocate 设定副本数、修改分片分配规则(如将分片迁移到中等配置的节点上)等
    • Read-Onlly 设定当前索引为只读状态
    • Force Merge 合并 segment 操作
    • Shrink 缩小 shard 分片数
  • Cold Phase
    • Allocate 同上
  • Delete Phase
    • Delete 删除
      从上面看下来整体操作还是很简单的，Kibana 也提供了一套 UI 界面来设置这些策略，如下所示：

      从上图看下来 ILM 的设置是不是一目了然呢？

当然，ILM 是有自己的 api 的，比如上面图片对应的 api 请求如下：

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PUT /_ilm/policy/test_ilm2
{
    "policy": {
        "phases": {
            "hot": {
                "actions": {
                    "rollover": {
                        "max_age": "30d",
                        "max_size": "50gb"
                    }
                }
            },
            "warm": {
                "min_age": "3d",
                "actions": {
                    "allocate": {
                        "require": {
                            "box_type": "warm"
                        },
                        "number_of_replicas": 0
                    },
                    "forcemerge": {
                        "max_num_segments": 1
                    },
                    "shrink": {
                        "number_of_shards": 1
                    }
                }
            },
            "cold": {
                "min_age": "7d",
                "actions": {
                    "allocate": {
                        "require": {
                            "box_type": "cold"
                        }
                    }
                }
            },
            "delete": {
                "min_age": "30d",
                "actions": {
                    "delete": {}
                }
            }
        }
    }
}

这里不展开讲了，感兴趣的同学可以自行查看官方手册。

现在管理策略(Policy)已经有了，那么如何应用到索引(Index)上面呢？

方法为设定如下的索引配置：

index.lifecycle.name 设定 Policy 名称，比如上面的 test_ilm2
index.lifecycle.rollover_alias 如果使用了 Rollover，那么还需要指定该别名
修改索引配置可以直接修改(PUT index_name/_settings)或者通过索引模板(Index Template)来实现。

我们这里不展开讲了，大家参考下面的实战就明白了。

实战

目标

现在需要收集 nginx 日志，只需保留最近30天的日志，但要保证最近7天的日志有良好的查询性能，搜索响应时间在 100ms 以内。

为了让大家可以快速看到效果，下面实际操作的时候会将 30天、7天 替换为 40秒、20秒。

ES 集群架构

这里我们简单介绍下这次实战所用 ES 集群的构成。该 ES 集群一共有 3个节点组成，每个节点都有名为 box_type 的属性，如下所示：

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GET _cat/nodeattrs?s=attr
es01_hot  172.24.0.5 172.24.0.5 box_type          hot
es02_warm 172.24.0.4 172.24.0.4 box_type          warm
es03_cold 172.24.0.3 172.24.0.3 box_type          cold

由上可见我们有 1 个 hot 节点、1 个 warm 节点、1 个 cold 节点，分别用于对应 ILM 的阶段，即 Hot 阶段的索引都位于 hot 上，Warm 阶段的索引都位于 warm 上，Cold 阶段的索引都位于 cold 上。

创建 ILM Policy

根据要求，我们的 Policy 设定如下：

  • 索引名以 nginx_logs 为前缀，且以每10个文档做一次 Rollover
  • Rollover 后 5 秒转为 Warm 阶段
  • Rollover 后 20 秒转为 Cold 阶段
  • Rollover 后 40 秒删除
    API 请求如下：
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PUT /_ilm/policy/nginx_ilm_policy
{
  "policy": {
    "phases": {
      "hot": {
        "actions": {
          "rollover": {
            "max_docs": "10"
          }
        }
      },
      "warm": {
        "min_age": "5s",
        "actions": {
          "allocate": {
            "include": {
              "box_type": "warm"
            }
          }
        }
      },
      "cold": {
        "min_age": "20s",
        "actions": {
          "allocate": {
            "include": {
              "box_type": "cold"
            }
          }
        }
      },
      "delete": {
        "min_age": "40s",
        "actions": {
          "delete": {}
        }
      }
    }
  }
}

创建 Index Template

我们基于索引模板来创建所需的索引，如下所示：

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PUT /_template/nginx_ilm_template
{
  "index_patterns": ["nginx_logs-*"],                 
  "settings": {
    "number_of_shards": 1,
    "number_of_replicas": 0,
    "index.lifecycle.name": "nginx_ilm_policy",      
    "index.lifecycle.rollover_alias": "nginx_logs",
    "index.routing.allocation.include.box_type": "hot"
  }
}

上述配置解释如下：

  • index.lifecycle.name 指明该索引应用的 ILM Policy
  • index.lifecycle.rollover_alias 指明在 Rollover 的时候使用的 alias
  • index.routing.allocation.include.box_type 指明新建的索引都分配在 hot 节点上

创建初始索引 Index

ILM 的第一个索引需要我们手动来创建，另外启动 Rollover 必须以数值类型结尾，比如 nginx_logs-000001。索引创建的 api 如下：

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PUT nginx_logs-000001
{
  "aliases": {
    "nginx_logs": {
      "is_write_index":true
    }
  }
}

此时索引分布如下所示：

修改 ILM Polling Interval

ILM Service 会在后台轮询执行 Policy，默认间隔时间为 10 分钟，为了更快地看到效果，我们将其修改为 1 秒。

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

开始吧

一切准备就绪，我们开始吧！

首先执行下面的新建文档操作 10 次。

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POST nginx_logs/_doc
{
  "name":"abbc"
}

之后 Rollover 执行，新的索引创建，如下所示:

5 秒后，nginx_logs-000001 转到 Warm 阶段

15 秒后(20 秒是指距离 Rollover 的时间，因为上面已经过去5秒了，所以这里只需要15秒)，nginx_logs-00001转到 Cold 阶段

25 秒后，nginx_logs-00001删除

至此，一个完整的 ILM Policy 执行的流程就结束了，而后续 nginx_logs-000002 也会按照这个设定进行流转。

总结

ILM 是 Elastic 团队将多年 Elasticsearch 在日志场景领域的最佳实践进行的一次总结归纳和落地实施，极大地降低了用好 Elasticsearch 的门槛。掌握了 ILM 的核心概念，也就意味着掌握了 Elasticsearch 的最佳实践。希望本文能对大家入门 ILM 有所帮助。

参考