Elasticsearch 7.x 之节点、集群、分片及副本

从物理空间概念，Elasticsearch 分布式系统会有 3 个关键点需要学习。本次总结了下面相关内容：

• 分布式
• 节点 & 集群
• 主分片及副本

一、Elasticsearch 分布式

Elasticsearch 分布式特性包括如下几个点：

1.1 高可用

什么是高可用？CAP 定理是分布式系统的基础，也是分布式系统的 3 个指标：

1. Consistency（一致性）
2. Availability（可用性）
3. Partition tolerance（分区容错性）

那高可用（High Availability）是什么？高可用，简称 HA，是系统一种特征或者指标，通常是指，提供一定性能上的服务运行时间，高于平均正常时间段。反之，消除系统服务不可用的时间。

衡量系统是否满足高可用，就是当一台或者多台服务器宕机的时候，系统整体和服务依然正常可用。举个例子，一些知名的网站保证 4 个 9 以上的可用性，也就是可用性超过 99.99%。那 0.01% 就是所谓故障时间的百分比。

Elasticsearch 在高可用性上，体现如下两点：

• 服务可用性：允许部分节点停止服务，整体服务没有影响
• 数据可用性：允许部分节点丢失，最终不会丢失数据

1.2 可扩展

随着公司业务发展，Elasticsearch 也面临两个挑战：

• 搜索数据量从百万到亿量级
• 搜索请求 QPS 也猛增

那么需要将原来节点和增量数据重新从 10 个节点分布到 100 个节点。Elasticsearch 可以横向扩展至数百（甚至数千）的服务器节点，同时可以处理PB级数据。Elasticsearch 为了可扩展性而生，由小规模集群增长为大规模集群的过程几乎完全自动化，这是水平扩展的体现。

1.3 Elasticsearch 分布式特性

上面通过可扩展性，可以看出 Elasticsearch 分布式的好处明显：

• 存储可以水平扩容，水平空间换时间
• 部分节点停止服务，整个集群服务不受影响，照样正常提供服务

Elasticsearch 在后台自动完成了分布式相关工作，如下：

• 自动分配文档到不同分片或者多节点上
• 均衡分配分片到集群节点上，index 和 search 操作时进行负载均衡
• 复制每个分片，支持数据冗余，防止硬件故障数据丢失
• 集群扩容时，无缝整合新节点，并且重新分配分片
• 等等

Elasticsearch 集群知识点如下：

• 不同集群通过名字区分，默认集群名称为 “elasticsearch”
• 集群名 cluster name ，可以通过配置文件修改或者命令行 -E cluster.name=user-es-cluster 进行设置
• 一个集群由多个节点组成

二、Elasticsearch 节点 & 集群

Elasticsearch 集群有多个节点组成，形成分布式集群。那么，什么是节点呢？

节点（Node），就是一个 Elasticsearch 应用实例。大家都知道 Elasticsearch 源代码是 Java 写的，那么节点就是一个 Java 进程。所以类似 Spring 应用一样，一台服务器或者本机可以运行多个节点，只要对应的端口不同即可。但生产服务器中，一般一台服务器运行一个 Elasticsearch 节点。还有需要注意：

• Elasticsearch 都会有 name ，通过 -E node.name=node01 指定或者配置文件中配置
• 每个节点启动成功，都会分配对应得一个 UID ，保存在 data 目录

可以通过命令 _cluster/health 查看集群的健康状态，如下：

• Green 主分片与副本分片都正常
• Yellow 主分片正常，副本分片不正常
• Red 有主分片不正常，可能某个分片容量超过了磁盘大小等

如图，有主（Master）节点和其他节点。那么节点有多少类型呢？

2.1 Master-eligible Node 和 Master Node

Elasticsearch 被启动后，默认就是 Master-eligible Node。然后通过参与选主过程，可以成为 Master Node。具体选主原理，后续单独写一篇文章。Master Node 有什么作用呢？

• Master Node 负责同步集群状态信息：
  • 所有节点信息
  • 所有索引即其 Mapping 和 Setting 信息
  • 所有分片路由信息
  • 主节点负责集群相关的操作，例如创建或删除索引，跟踪哪些节点是集群的一部分，以及决定将哪些分片分配给哪些节点。
• 只能 Master 节点可以修改信息，是因为这样就能保证数据得一致性

2.2 Data Node 和 Coordinating Node

Data Node，又称数据节点。用于保存数据，其在数据扩展上起至关重要的作用。

Coordinating Node，是负责接收任何 Client 的请求，包括 REST Client 等。该节点将请求分发到合适的节点，最终把结果汇集到一起。一般来说，每个节点默认起到了 Coordinating Node 的职责。

2.3 其他节点类型

还有其他节点类型，虽然不常见，但需要知道：

• Hot & Warm Node：不同硬件配置的 Data Node，用来实现冷热数据节点架构，降低运维部署的成本
• Machine Learning Node：负责机器学习的节点
• Tribe Node：负责连接不同的集群。支持跨集群搜索 Cross Cluster Search

一般在开发环境中，设置单一的角色节点：

• master node：通过 node.master 配置，默认 true
• data node：通过 node.data 配置，默认 true
• ingest node：通过 node.ingest 配置，默认 true

  • ingest 节点可以看作是数据前置处理转换的节点，支持 pipeline管道 设置，可以使用 ingest 对数据进行过滤、转换等操作，类似于 logstash 中 filter 的作用，功能相当强大。

    我把Ingest节点的功能抽象为：大数据处理环节的“ETL”——抽取、转换、加载

• coordinating node：默认每个节点都是 coordinating 节点，设置其他类型全部为 false。

  • 搜索请求在两个阶段中执行（query 和 fetch），这两个阶段由接收客户端请求的节点 - 协调节点协调。

    在请求阶段，协调节点将请求转发到保存数据的数据节点。 每个数据节点在本地执行请求并将其结果返回给协调节点。
    在收集fetch阶段，协调节点将每个数据节点的结果汇集为单个全局结果集。

• machine learning：通过 node.ml 配置，默认 true，需要通过 x-pack 开启。

三、主分片及副本

同样看这个图，3 个节点分别为 Node1、Node2、Node3。并且 Node3 上面有一个主分片 P0 和一个副本 R2。那什么是主分片呢？

主分片，用来解决数据水平扩展的问题。比如上图这个解决可以将数据分布到所有节点上：

• 节点上可以有主分片，也可以没有主分片
• 主分片在索引创建的时候确定，后续不允许修改。除非 Reindex 操作进行修改

副本，用来备份数据，提高数据的高可用性。副本分片是主分片的拷贝

• 副本分片数，可以动态调整
• 增加副本数，可以一定程度上提高服务读取的吞吐和可用性

如何查看 Elasticsearch 集群的分片配置呢？可以从 settings 从看出：

• number_of_shards 主分片数
• number_of_replicas 副本分片数

{
  "my_index": {
    "settings": {
      "index": {
        "number_of_shards": "8",
        "number_of_replicas": "1"
      }
    }
  }
}

实战建议：对生产环境中，分片设置很重要，需要最好容量评估与规划

• 根据数据容量评估分配数，设置过小，后续无法水平扩展；单分片数据量太大，也容易导致数据分片耗时严重
• 分片数设置如果太大，会导致资源浪费，性能降低；同时也会影响搜索结果打分和搜索准确性

索引评估，每个索引下面的单分片数不用太大。如何评估呢？比如这个索引 100 G 数据量，那设置 10 个分片，平均每个分片数据量就是 10G 。每个分片 10 G 数据量这么大，耗时肯定严重。所以根据评估的数据量合理安排分片数即可。如果需要调整主分片数，那么需要进行 reindex 等迁索引操作。

小结

从上一篇到这一篇：

• 一个节点，对应一个实例
• 一个节点，可以多个索引
• 一个索引，可以多个分片
• 一个分片，对应底层一个 lucene 分片

比如知道了搜索性能场景，例如多少数据量，多大的写入，是写为主还是查询为主等等，才可以确定：

• 磁盘，推荐 SSD，JVM最大 Xmx 不要超过30G。副本分片至少设置为1。主分片，单个存储不要超过 30 GB，按照这个你推算出分片数，进行设定。
• 集群中磁盘快满的时候，你再增加机器，确实可能导致新建的索引全部分配到新节点上去的可能性。最终导致数据分配不均。所以要记得监控集群，到70%就需要考虑删除数据或是增加节点
• 可以设置最大分片数缓解这个问题。
• 分片的尺寸如果过大，确实也没有快速恢复的办法，所以尽量保证分片的size在40G以下

Cooridnating Node是原来的Client node的，主要功能是来分发请求和合并结果的。新版本已经取消了Client node这种节点角色，在所有节点默认就是Coordinating node，且不能关闭该属性。

如果把node.master, node.data, node.ingest都设为false, 那个这个节点就纯粹是作为Coordinating node, 这种节点需要有足够多的内存和CPU来处理 合并数据集合。

Ingest node主要是通过使用ingest pipeline来对文档在索引之前进行转换或者增强。

Tribe node也是一类特殊的Coordinating node (Client node)，这种节点可以连接多个集群，可以对多个集群进行搜索和其他操作。

Ingest 节点能解决什么问题？
上面的Ingest节点介绍太官方，看不大懂怎么办？来个实战场景例子吧。

思考问题1：线上写入数据改字段需求
如何在数据写入阶段修改字段名（不是修改字段值）？

思考问题2：线上业务数据添加特定字段需求
如何在批量写入数据的时候，每条document插入实时时间戳？

这时，脑海里开始对已有的知识点进行搜索。
针对思考问题1：字段值的修改无非：update,update_by_query？但是字段名呢？貌似没有相关接口或实现。
针对思考问题2：插入的时候，业务层面处理，读取当前时间并写入貌似可以，有没有不动业务层面的字段的方法呢？

答案是有的，这就是Ingest节点的妙处。

Ingest节点基本概念
在实际文档索引发生之前，使用Ingest节点预处理文档。Ingest节点拦截批量和索引请求，它应用转换，然后将文档传递回索引或Bulk API。

强调一下： Ingest节点处理时机——在数据被索引之前，通过预定义好的处理管道对数据进行预处理。

默认情况下，所有节点都启用Ingest，因此任何节点都可以处理Ingest任务。我们也可以创建专用的Ingest节点。

要禁用节点的Ingest功能，需要在elasticsearch.yml 设置如：node.ingest：false

这里就涉及几个知识点：

• 1、预处理 pre-process
  要在数据索引化(indexing)之前预处理文档。
• 2、管道 pipeline
  每个预处理过程可以指定包含一个或多个处理器的管道。

管道的实际组成：

{
  "description" : "...",
  "processors" : [ ... ]
}

description：管道功能描述。
processors：注意是数组，可以指定1个或多个处理器。

处理器 processors
每个处理器以某种特定方式转换文档。
例如，管道可能有一个从文档中删除字段的处理器，然后是另一个重命名字段的处理器。
这样，再反过来看第4部分就很好理解了。

Ingest API
Ingest API共分为4种操作，分别对应：

PUT（新增）、
GET（获取）、
DELETE（删除）、
Simulate （仿真模拟）。
模拟管道AP Simulate 针对请求正文中提供的文档集执行特定管道。
除此之外，高阶操作包括：

1、支持复杂条件的Nested类型的操作；
2、限定条件的管道操作；
3、限定条件的正则操作等。
详细内容，参见官网即可。

常见的处理器有如下28种，举例：

append处理器：添加1个或1组字段值；
convert处理器：支持类型转换。

Ingest节点和Logstash Filter 啥区别？

业务选型中，肯定会问到这个问题。

 

区别一：支持的数据源不同。
Logstash：大量的输入和输出插件（比如：kafka，redis等）可供使用，还可用来支持一系列不同的架构。
Ingest节点：不能从外部来源（例如消息队列或数据库）提取数据，必须批量bulk或索引index请求将数据推送到 Elasticsearch.

区别二：应对数据激增的能力不同。
Logstash：Logstash 可在本地对数据进行缓冲以应对采集骤升情况。如前所述，Logstash 同时还支持与大量不同的消息队列类型进行集成。
Ingest节点：极限情况下会出现：在长时间无法联系上 Elasticsearch 或者 Elasticsearch 无法接受数据的情况下，均有可能会丢失数据。

区别三：处理能力不同。
Logstash：支持的插件和功能点较Ingest节点多很多。
Ingest节点：支持28类处理器操作。Ingest节点管道只能在单一事件的上下文中运行。Ingest通常不能调用其他系统或者从磁盘中读取数据。

区别四：排他式功能支持不同。
Ingest节点：支持采集附件处理器插件，此插件可用来处理和索引常见格式（例如 PPT、XLS 和 PDF）的附件。
Logstash：不支持如上文件附件类型。

master节点

主要功能是维护元数据，管理集群各个节点的状态，数据的导入和查询都不会走master节点，所以master节点的压力相对较小，因此master节点的内存分配也可以相对少些；但是master节点是最重要的，如果master节点挂了或者发生脑裂了，你的元数据就会发生混乱，那样你集群里的全部数据可能会发生丢失，所以一定要保证master节点的稳定性。

data node

是负责数据的查询和导入的，它的压力会比较大，它需要分配多点的内存，选择服务器的时候最好选择配置较高的机器（大内存，双路CPU，SSD... 土豪~）；data node要是坏了，可能会丢失一小份数据。

client node

是作为任务分发用的，它里面也会存元数据，但是它不会对元数据做任何修改。client node存在的好处是可以分担下data node的一部分压力；为什么client node能分担data node的一部分压力？因为es的查询是两层汇聚的结果，第一层是在data node上做查询结果汇聚，然后把结果发给client node，client node接收到data node发来的结果后再做第二次的汇聚，然后把最终的查询结果返回给用户；所以我们看到，client node帮忙把第二层的汇聚工作处理了，自然分担了data node的压力。
这里，我们可以举个例子，当你有个大数据查询的任务（比如上亿条查询任务量）丢给了es集群，要是没有client node，那么压力直接全丢给了data node，如果data node机器配置不足以接受这么大的查询，那么就很有可能挂掉，一旦挂掉，data node就要重新recover，重新reblance，这是一个异常恢复的过程，这个过程的结果就是导致es集群服务停止... 但是如果你有client node，任务会先丢给client node，client node要是处理不来，顶多就是client node停止了，不会影响到data node，es集群也不会走异常恢复。

对于es 集群为何要设计这三种角色的节点，也是从分层逻辑去考虑的，只有把相关功能和角色划分清楚了，每种node各尽其责，才能发挥出分布式集群的效果

一般地，ElasticSearch集群中每个节点都有成为主节点的资格，也都存储数据，还可以提供查询服务。这些功能是由两个属性控制的（node.master和node.data）。默认情况下这两个属性的值都是true。

    在生产环境下，如果不修改ElasticSearch节点的角色信息，在高数据量，高并发的场景下集群容易出现脑裂等问题，下面详细介绍一下这两个属性的含义以及不同组合可以达到的效果。

一、node.master

    这个属性表示节点是否具有成为主节点的资格。  

    注意：此属性的值为true，并不意味着这个节点就是主节点。因为真正的主节点，是由多个具有主节点资格的节点进行选举产生的。所以，这个属性只是代表这个节点是不是具有主节点选举资格。

二、node.data   

    这个属性表示节点是否存储数据。

三、四种组合配置方式

（1）node.master: true    node.data: true

    这种组合表示这个节点即有成为主节点的资格，又存储数据。

    如果某个节点被选举成为了真正的主节点，那么他还要存储数据，这样对于这个节点的压力就比较大了。ElasticSearch默认每个节点都是这样的配置，在测试环境下这样做没问题。实际工作中建议不要这样设置，因为这样相当于主节点和数据节点的角色混合到一块了。

（2）node.master: false    node.data: true

    这种组合表示这个节点没有成为主节点的资格，也就不参与选举，只会存储数据。

    这个节点我们称为data(数据)节点。在集群中需要单独设置几个这样的节点负责存储数据，后期提供存储和查询服务。

（3）node.master: true    node.data: false

    这种组合表示这个节点不会存储数据，有成为主节点的资格，可以参与选举，有可能成为真正的主节点，这个节点我们称为master节点。

（4）node.master: false    node.data: false

    这种组合表示这个节点即不会成为主节点，也不会存储数据，这个节点的意义是作为一个client(客户端)节点，主要是针对海量请求的时候可以进行负载均衡

ElasticSearch启动时，会占用两个端口9200和9300

9200作为Http协议，主要用于外部通讯

9300作为Tcp协议，jar之间就是通过tcp协议通讯

ES集群之间是通过9300进行通讯