ElasticSearch架构反向思路

作者：猪儿笨笨 来源：云栖社区

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我曾经在多个场合说过，我分析一个系统的设计思路，往往不是一开始就去看看这个系统的设计文档或者源代码，而是去看系统的基本介绍，特别是框架类的功能详细介绍，然后根据介绍可以大概了解这样一个系统用来解决什么问题，有哪些特色，然后基于自己对这些问题的想法，根据自己的经验来同样设计一个系统，看包含哪些内容，使用哪些架构模式和思路，然后带着自己设计的东西再去看另一个系统的设计思路，可能再更加清楚，也会反思自己的设计是否哪些地方存在问题，可以加以改进。

最近正好准备玩ElasticSearch，本来在2013年就想玩这个，但由于工作原因耽误了，现在又翻出来看看有什么好玩的，下面就详细地记录了我对ElasticSearch的反向架构思考。顺便补充一句，目前用来研究的ElasticSearch的版本号是6.3

先来看看一份对ElasticSearch比较典型的介绍：

Elasticsearch是一个基于Apache Lucene(TM)的开源搜索引擎。无论在开源还是专有领域，Lucene可以被认为是迄今为止最先进、性能最好的、功能最全的搜索引擎库。
 
但是，Lucene只是一个库。想要使用它，你必须使用Java来作为开发语言并将其直接集成到你的应用中，更糟糕的是，Lucene非常复杂，你需要深入了解检索的相关知识来理解它是如何工作的。
 
Elasticsearch也使用Java开发并使用Lucene作为其核心来实现所有索引和搜索的功能，但是它的目的是通过简单的RESTful API来隐藏Lucene的复杂性，从而让全文搜索变得简单。
 
不过，Elasticsearch不仅仅是Lucene和全文搜索，我们还能这样去描述它：
 
分布式的实时文件存储，每个字段都被索引并可被搜索
分布式的实时分析搜索引擎
可以扩展到上百台服务器，处理PB级结构化或非结构化数据
而且，所有的这些功能被集成到一个服务里面，你的应用可以通过简单的RESTful API、各种语言的客户端甚至命令行与之交互。
 
上手Elasticsearch非常容易。它提供了许多合理的缺省值，并对初学者隐藏了复杂的搜索引擎理论。它开箱即用（安装即可使用），只需很少的学习既可在生产环境中使用。
 
随着你对Elasticsearch的理解加深，你可以根据不同的问题领域定制Elasticsearch的高级特性，这一切都是可配置的，并且配置非常灵活。

幸亏以前使用过Lucene做IDE底层项目模型关系的管理，对Lucene还算比较熟悉，否则还得先去看看Lucene的功能和用法。

从上面的介绍可以看出几个关键内容：

1. Lucene在做索引的时候本身就有存储功能，所以存储这个东西是天然就有的，反而不用花时间考虑。

2. 性能是一个比较关键的东西，特别是要做实时引擎，怎么保证高性能。

3. ElasticSearch是一个分布式的系统，那么必然存在多结点通讯，协作等问题，比如使用ZooKeeper之类的系统进行注册和协同，当然也保不齐他自己玩一套。

4. 既然是分布式系统，那么数据存储就不可能完全单机化，也就是存在Sharding的情况，如何Sharding，如何同步，在查找结果的时候，如何聚合。

5. 分布式系统，只要涉及到数据更新，必然存在数据不一致问题，怎么解决。

6. 由于索引本身原因，一旦出现Sharding，就很难做联合的查询，这个应该不能实现的，至少说不可能很简单得实现。

7. 有一个网络层或者说对外服务接口层，用来进行交互，看介绍，支持多种协议，比如Client直接调用，或者是Restful风格。

8. 参考服务接口层，还允许很多地方进行配置，那么很显然，应该是使用了类似于插件的技术来支持很多功能。

我的习惯是从使用者角度来倒推系统架构

1. 对外服务，称为Interface，这个其实还相对简单，应该提供两个基本功能，即BuildIndex（不一定要区分Create和Update，但Delete肯定要有）和Query（应该基于主Key和Condition两种查询），把这两个基本接口设计好，然后在上面加不同的封装或者通过Netty之类网络架构提供Rest服务，也可能基于Stub类似的机制提供RPC调用。

2. 查询功能，是采用SQL还是Query模型的方式，我更倾向于后者，因为关联查询等很多功能是无法提供的，SQL校验会是比较麻烦的事情。

3. 不管是BuildIndex还是Query，肯定要找到一台机器或者多台机器进行处理，由于这是一个分布式系统，而且还支持Sharding，那么可以肯定，需要分组，即Group，一个Group中包括若干个Node，用来支持服务。

4. 怎么分组，正常可能是分两级，一种是基于模型定义的，比如对于某一些数据，象商品，用户这些数据可能分成一类数据对应一个Group来处理，这种处理比较直观，也简单。也就是说每一类模型会对应一个Group，而一个Group可能对着多个模型，特别是数据相对较少的时候。还有一种就是Sharding，通常来说，是对一类数据，根据某一个或者几个字段（Field），进行条件分组，也就说在这种分组情况下，每个Node的数据都是不全的，需要将多个Node合并在一起，才会形成完整的数据集。这两种分组都需要支持的。

5. 对于BuildIndex和Query，当系统分成多个Group的时候，肯定要有一个Router的概念，即一个BuildIndex或者Query服务来的时候，得找到相应的Group（应该是Group下的Node），因为Lucene中的Document和Term特性，应该需要设计一个类似于数据库中的Table模型，一个Group负责处理多个Table。在BuildIndex和Query请求里，1. 必须带有Table的准确定义，比如User，Item等。
   按照前面的思考，Group是肯定应该存在的，但是每个Group否需要一个MasterNode呢？

6. 当一个Query请求定义清楚后，会以路由的方式找到一个Group，如果数据量不大的话，一个Group中的Node应该是数据对等的，那么请求落到任何一个Node上都可以得到相应的结果。如果数据量很大，出现Sharding，就分两种情况，一种是Query中的条件，能够符合Sharding的定义条件，那么落到任何一个Node上以后，通过转发的方式，总是可以拿到请求，应该有两种实现方式，一是请求发到某个Node上以后，由Node分析后，将可以导向的Node返回，由请求方再次将指定的Node发送请求，二是任意Node直接向可以导向的Node转发请求，并拿到结果后返回给请求方，第二种对客户端友好，但如果数据量大的话，可能不太合适。还有一种情况就是，如果Query中的条件不能够符合Sharding定义，那么就出现类似于数据库查询的FullScan，由收到的Node将请求转发给相应的Node，构成全量搜索，然后由该Node合并后，返回。如果这样看，最好的方式还是Node统一处理，对请求方更友好一些，也更一致。

7. 当BuildIndex的时候，必然是发给一个Node，由其完成Index后，再同步给其它Node，此时同步，是有一个MasterNode还是没有好呢？感觉设计一个MasterNode可能使得逻辑更简单。即大的Group里，MasterNode主要负责协作和BuildIndex同步，而Query则可以尽可能地落到DataNode侧。

8. 虽然有了MasterNode，但仍然是可以将BuildIndex请求发给DataNode，由DataNode转发给MasterNode，这样会更加简单和友好。

9. 考虑到BuildIndex和Query会有不同步的情况，那么怎么减少这种不一致性呢？如果由MasterNode或者指定的一个DataNode进行BuildIndex的时候，对其它Node的Query都会产生数据不一致性问题。假设由MasterNode给其它DataNode全部上锁，此时查询性能急速下降，这种方法不是非常建议，容易形成堵塞，不过如果数据很少更新，而且对数据一致性有较高要求，也可以支持，那里可能得在这个地方允许用户配置一致性优先还是性能优先了。如果是后者的话，按照我对Lucene的了解，此时每个DataNode最好有一个DiskStore和一个MemoryStore，查询时将两者合并查询，这样在保证高性能的情况下可以减少不一致性。或者更灵活一点，允许在BuildIndex的时候允许指定是否加锁，但这样可能会增加复杂度，需要再思考一下。

10. 同样是数据不一致问题，除了上面的内容以外，还需要使用Log，这样MasterNode先记录Log，然后进行Index，同时分发给DataNode，DataNode也是先记录Log，这样一旦出现问题，可以随时在启动时从Log处Redo。

11. 维护和管理功能：动态扩容，Reindex（扩容时肯定要用到），启动时先与多个DataNode同步Log，再根据Log进行Redo，保证数据的一致性。

12. 插件化设计没什么难点，不管是类似于OSGi，还是说直接写一个Plugin的接口，然后加一个PluginManager都可以解决问题。但关键是Plugin需要在哪些情况下调用，以便让开发者可以更多的加入自己的定制。我猜可能有以下几个点：网络请求的Before和After处理（比如支持不同的数据模型，不同的安全检查等，记录日志，流量控制等），启动后的After处理（比如对Log进行Check，以便Redo），BuildIndex和Query的Before和After处理（其实就可以通过这个扩展来处理数据同步的问题）。

13. 上面说的插件化设计并不难，但是否使用统一的Plugin接口，还是分开，需要考虑一下，毕竟可以提供扩展点的地方太多了。如果是我设计，大概是三大级继承，最顶层的有一个Plugin或者Extension的接口，提供Name，Desription，Dependecy等内容的定义，这个和Equinox都类似，其实不带任何业务支持的，第二层是业务级别的，比如说网络请求的，日志处理的，第三层就是具体实现了。再多就有点复杂了，有一个最顶层接口的好处是，在Eclipse里，查下继承关系，就得到所有实现了，方便分析代码，如果只设计二和三层，哈哈，就有得找了。

基于以上分析，可以列出来几个基本的元素和服务：

1. Node+Group+MasterNode+DataNode

2. Table+Field+Key+Condition

3. BuildIndex+Query

4. Log

5. Plugin

下面是大致的架构域图：

还有几个难点，需要再考虑一下：

1. Query可能会有Paging的需要，那么一旦出现Sharding的话，需要将多个DataNode的结果Merge后，进行Sort，再计算Paging后返回。这个对性能的要求比较高，特别是当页面翻到几十页的时候，性能损失非常大，如何处理？还是说技术层面上不做解决，直接让业务方来自行规划。

2. 因为ElasticSearch是基于Lucene的，而Lucene并不提供事务操作，比如先行锁再Update，因此一旦出现冲突时，因为网络延时等原因，有可能后面的数据覆盖前面的数据，这种情况怎么考虑，是加一个时间版本号还是忽略这种情况？

3. 另外ElasticSearch对数据一致性不可能提供太好的解决方案，因此最好还是将一些非核心业务数据进行查询，比如日志，就不会出现修改，再比如电商中的商品表，修改相对并不频繁，但如果商品表里包含商品数量，那么就挂了，所有必须减少将频繁更新的数据放入搜索。

4. 有点记不清楚Lucene的存储机制了，是否支持类似于数据库的Update语句，只更新部分数据。如果不支持，那么ElasticSearch是否需要支持呢？如果是我，应该不会支持，做太多的事情更容易出错。

5. 当MasterNode当掉，显然可以通过选举或者别的方法找到一个新的MasterNode，但如果一个MasterNode或者DataNode收到一个BuildIndex请求后，再当掉，最好是通知Client失败，由Client发起重试。由于所有BuildIndex请求都是发给MasterNode来处理的，那么就相对简单了，如果MasterNode失败后重新加入Group，由于此时它不再是Master，就可以丢弃这个日志，保证数据一致性。这块的细节会比较多，记录Log，然后如何Redo，如何Sync，如何抛弃，都需要深入分析。不在这里折腾了。