作者介紹

Dongyu，資深云原生研發工程師，專注于日志與OLAP領域，主要負責攜程日志平臺和CHPaas平臺的研發及其運維管理工作。

本文將從以下五部分切入，講述日志系統的演進之路：攜程日志的背景和現狀、如何搭建一套日志系統、從 ElasticSearch 到 Clickhouse 存儲演進、日志3.0重構及未來計劃。

一、日志背景及現狀

圖1

2012年以前，攜程的各個部門日志自行收集治理（如圖1）。這樣的方式缺乏統一標準，不便治理管控，也更加消耗人力和物力。

從2012年開始，攜程技術中心推出基于 ElasticSearch 的日志系統，統一了日志的接入、ETL、存儲和查詢標準。隨著業務量的增長，數據量膨脹到 4PB 級別，給原來的 ElasticSearch 存儲方案帶來不少挑戰，如 OOM、數據延遲及負載不均等。此外，隨著集群規模的擴大，成本問題日趨敏感，如何節省成本也成為一個新的難題。

2020年初，我們提出用 Clickhouse 作為主要存儲引擎來替換 ElasticSearch 的方案，該方案極大地解決了 ElasticSearch 集群遇到的性能問題，并且將成本節省為原來的48%。2021年底，日志平臺已經累積了20+PB 的數據量，集群也達到了數十個規模（如圖2）。

2022年開始，我們提出日志統一戰略，將公司的 CLOG 及 UBT 業務統一到這套日志系統，預期數據規模將達到 30+PB。同時，經過兩年多的大規模應用，日志集群累積了各種各樣的運維難題，如集群數量激增、數據遷移不便及表變更異常等。因此，日志3.0應運而生。該方案落地了類分庫分表設計、Clickhouse on Kubernetes、統一查詢治理層等，聚焦解決了架構和運維上的難題，并實現了攜程 CLOG 與 ESLOG 日志平臺統一。

圖2

二、如何搭建日志系統

2.1 架構圖

從架構圖來看（如圖3），整個日志系統可以分為：數據接入、數據 ETL、數據存儲、數據查詢展示、元數據管理系統和集群管理系統。

圖3

2.2 數據接入

數據接入主要有兩種方式：

第一種是使用公司框架 TripLog 接入到消息中間件 Kafka（Hermes協議）（如圖4）。

圖4

第二種是用戶使用 Filebeat/Logagent/Logstash 或者寫程序自行上報數據到 Kafka（如圖5），再通過 GoHangout 寫入到存儲引擎中。

圖5

2.3  數據傳輸ETL（GoHangout）

GoHangout 是仿照 Logstash 做的一個開源應用（Github鏈接），用于把數據從 Kafka 消費并進行 ETL，最終輸出到不同的存儲介質（Clickhouse、ElasticSearch）。其中數據處理 Filter 模塊包含了常見的 Json 處理、Grok 正則匹配和時間轉換等一系列的數據清理功能（如圖6）。GoHangout 會將數據 Message 字段中的 num 數據用正則匹配的方式提取成單獨字段。

圖6

2.4 ElasticSearch 數據存儲

早期2012年第一版，我們使用 ElasticSearch 作為存儲引擎。ElasticSearch 存儲主要由 Master Node、Coordinator Node、Data Node 組成（如圖7）。Master 節點主要負責創建或刪除索引，跟蹤哪些節點是集群的一部分，并決定哪些分片分配給相關的節點；Coordinator 節點主要用于處理請求，負責路由請求到正確的節點，如創建索引的請求需要路由到 Master 節點；Data 節點主要用于存儲大量的索引數據，并進行增刪改查，一般對機器的配置要求比較高。

圖7

2.5  數據展示

數據展示方面我們使用了 Elastic Stack 家族的 Kibana（如圖8）。Kibana 是一款適合于 ElasticSearch 的數據可視化和管理工具，提供實時的直方圖、線形圖、餅狀圖和表格等，極大地方便日志數據的展示。

圖8

2.6  表元數據管理平臺

表元數據管理平臺是用戶接入日志系統的入口，我們將每個 Index/ Table 都定義為一個Scenario（如圖9）。我們通過平臺配置并管理 Scenario 的一些基礎信息，如：TTL、歸屬、權限、ETL 規則和監控日志等。

圖9

三、  從Elasticsearch到Clickhouse

我們將會從背景、Clickhouse 簡介、ElasticSearch 對比和解決方案四方面介紹日志從 ElasticSearch 到 Clickhouse 的演進過程。2020年初，隨著業務量的增長，給 ElasticSearch 集群帶來了不少難題，主要體現在穩定性、性能和成本三個方面。

（1）穩定性上：

ElasticSearch 集群負載高，導致較多的請求 Reject、寫入延遲和慢查詢。

每天 200TB 的數據從熱節點搬遷到冷節點，也有不少的性能損耗。

節點間負載不均衡，部分節點單負載過高，影響集群穩定性。

大查詢導致 ElasticSearch 節點 OOM。

（2）性能上：

ElasticSearch的吞吐量也達到瓶頸。

查詢速度受到整體集群的負載影響。

（3）成本上：

倒排索引導致數據壓縮率不高。

大文本場景性價比低，無法保存長時間數據。

3.1 Clickhouse 簡介與 Elasticsearch 對比

Clickhouse 是一個用于聯機分析（OLAP）的列式數據庫管理系統（DBMS）。Yandex 在2016年開源，使用 C++ 語法開發，是一款PB級別的交互式分析數據庫。包含了以下主要特效：列式存儲、Vector、Code Generation、分布式、DBMS、實時OLAP、高壓縮率、高吞吐、豐富的分析函數和 Shared Nothin g架構等。

圖10

Clickhouse采用的是 SQL 的交互方式，非常方便上手。接下來，我們將簡單介紹一下 Clickhouse 的類 LSM、排序鍵、分區鍵特效，了解 Clickhouse 的主要原理。

首先，用戶每批寫入的數據會根據其排序鍵進行排序，并寫入一個新的文件夾（如201905_1_1_0），我們稱為 Part C0（如圖10）。隨后，Clickhouse 會定期在后臺將這些 Part 通過歸并排序的方式進行合并排序，使得最終數據生成一個個數據順序且空間占用較大的 Part。這樣的方式從磁盤讀寫層面上看，能充分地把原先磁盤的隨機讀寫巧妙地轉化為順序讀寫，大大提升系統的吞吐量和查詢效率，同時列式存儲+順序數據的存儲方式也為數據壓縮率提供了便利。201905_1_1_0與201905_3_3_0合并為201905_1_3_1就是一個經典的例子。

另外，Clickhouse 會根據分區鍵（如按月分區）對數據進行按月分區。05、06月的數據被分為了不同的文件夾，方便快速索引和管理數據。

圖11

我們看中了 Clickhouse 的列式存儲、向量化、高壓縮率和高吞吐等特效（如圖11），很好地滿足了我們當下日志集群對性能穩定性和成本的訴求。于是，我們決定用Clickhouse來替代原本 ElasticSearch 存儲引擎的位置。

3.2 解決方案

有了存儲引擎后，我們需要實現對用戶無感知的存儲遷移。這主要涉及了以下的工作內容（如圖12）：自動化建表、GoHangout 修改、Clickhouse 架構設計部署和 Kibana 改造。

圖12

（1）庫表設計

圖13

我們對ck在日志場景落地做了很多細節的優化（如圖13），主要體現在庫表設計：

我們采用雙 list 的方式來存儲動態變化的 tags（當然最新的版本22.8，也可以用map和新特性的 json 方式）。

按天分區和時間排序，用于快速定位日志數據。

Tokenbf_v1 布隆過濾用于優化 term 查詢、模糊查詢。

_log_increment_id 全局唯一遞增 id，用于滾動翻頁和明細數據定位。

ZSTD 的數據壓縮方式，節省了40%以上的存儲成本。

（2）Clickhouse 存儲設計

Clickhouse 集群主要由查詢集群、多個數據集群和 Zookeeper 集群組成（如圖14）。查詢集群由相互獨立的節點組成，節點不存儲數據是無狀態的。數據集群則由Shard組成，每個 Shard 又涵蓋了多個副本 Replica。副本之間是主主的關系（不同于常見的主從關系），兩個副本都可以用于數據寫入，互相同步數據。而副本之間的元數據一致性則有 Zookeeper 集群負責管理。

圖14

（3）數據展示

為了實現用戶無感知的存儲切換，我們專門實現了 Kibana 對 Clickhouse 數據源的適配并開發了不同的數據 panel（如圖15），包括：chhistogram、chhits、chpercentiles、chranges、chstats、chtable、chterms 和 chuniq。通過 Dashboard 腳本批量生產替代的方式，我們快速地實現了原先 ElasticSearch 的 Dashboard 的遷移，其自動化程度達到95%。同時，我們也支持了使用 Grafana 的方式直接配置 SQL 來生成日志看板。

圖15

（4）集群管理平臺

為了更好地管理 Clickhouse 集群，我們也做了一整套界面化的 Clickhouse 運維管理平臺。該平臺覆蓋了日常的 shard 管理、節點生成、綁定/解綁、權重修改、DDL 管理和監控告警等治理工具（如圖16）。

圖16

3.3 成果

遷移過程自動化程度超過95%，基本實現對用戶透明。

存儲空間節約50+%（如圖17），用原有ElasticSearch的服務器支撐了4倍業務量的增長。

查詢速度比ElasticSearch快4~30倍，查詢P90小于300ms，P99小于1.5s。

圖17

四、日志3.0構建

時間來到2022年，公司日志規模再進一步增加到 20+PB。同時，我們提出日志統一戰略，將公司的 CLOG 及 UBT 業務統一到這套日志系統，預期數據規模將達到 30+PB。另外，經過兩年多的大規模應用，日志系統也面臨了各種各樣的運維難題。

(1)  性能與功能痛點

單集群規模太大，Zookeeper 性能達到瓶頸，導致 DDL 超時異常。

當表數據規模較大時，刪除字段，容易超時導致元數據不一致。

用戶索引設置不佳導致查詢慢時，重建排序鍵需要刪除歷史數據，重新建表。

查詢層缺少限流、防呆和自動優化等功能，導致查詢不穩定。

(2)  運維痛點

表與集群嚴格綁定，集群磁盤滿后，只能通過雙寫遷移。

集群搭建依賴 Ansible，部署周期長（數小時）。

Clickhouse 版本與社區版本脫節，目前集群的部署模式不便版本更新。

面對這樣的難題，我們在2022年推出了日志3.0改造，落地了集群 Clickhouse on Kubernetes、類分庫分表設計和統一查詢治理層等方案，聚焦解決了架構和運維上的難題。最終，實現了統一攜程 CLOG 與 ESLOG 兩套日志系統。

4.1  ck on k8s

我們使用 Statefulset、反親和、Configmap 等技術實現了 Clickhouse 和 Zookeeper 集群的 Kubernetes 化部署，使得單集群交付時間從2天優化到5分鐘。同時，我們統一了部署架構，將海內外多環境部署流程標準化。這種方式顯著地降低了運維成本并釋放人力。更便利的部署方式有益于單個大集群的切割，我們將大集群劃分為多個小集群，解決了單集群規模過大導致 Zookeeper 性能瓶頸的問題。

4.2 類分庫分表設計

圖18

（1）數據跨如何跨集群

假設我們有三個數據集群1、2、3和三個表A、B、C（如圖18）。在改造之前，我們單張表（如A）只能坐落在一個數據集群1中。這樣的設計方式，導致了當集群1磁盤滿了之后，我們沒有辦法快速地將表A數據搬遷到磁盤相對空閑的集群2中。我們只能用雙寫的方式將表A同時寫入到集群1和集群2中，等到集群2的數據經過了TTL時間（如7天）后，才能將表A從數據集群1中刪除。這樣，對我們的集群運維管理帶來了極大的不方便和慢響應，非常耗費人力。

于是，我們設計一套類分庫分表的架構，來實現表A在多個集群1、2、3之間來回穿梭。我們可以看到右邊改造后，表A以時間節點作為分庫分表的切換點（這個時間可以是精確到秒，為了好理解，我們這里以月來舉例）。我們將6月份的數據寫入到集群1、7月寫到集群2、8月寫到集群3。當查詢語句命中6月份數據時，我們只查詢集群1的數據；當查詢語句命中7月和8月的數據，我們就同時查詢集群2和集群3的數據。

我們通過建立不同分布式表的方式實現了這個能力（如：分布式表tableA_06/tableA_07/tableA_08/tableA_0708，分布式表上的邏輯集群則是是集群1、2、3的組合）。這樣，我們便解決了表跨集群的問題，不同集群間的磁盤使用率也會趨于平衡。

（2）如何修改排序鍵不刪除歷史數據

非常巧妙的是，這種方式不僅能解決磁盤問題。Clickhouse 分布式表的設計只關心列的名稱，并不關心本地數據表的排序鍵設置。基于這種特性，我們設計表A在集群2和集群3使用不一樣的排序鍵。這樣的方式也能夠有效解決初期表A在集群2排序鍵設計不合理的問題。我們通過在集群3上重新建立正確的排序鍵，讓其對新數據生效。同時，表A也保留了舊的7月份數據。舊數據會在時間的推移一下被TTL清除，最終數據都使用了正確的排序鍵。

（3）如何解決刪除大表字段導致元數據不一致

更美妙的是，Clickhouse 的分布式表設計并不要求表A在7月和8月的元數據字段完全一致，只需要有公共部分就可以滿足要求。比如表A有在7月有11個字段，8月份想要刪除一個棄用的字段，那么只需在集群3上建10個字段的本地表A，而分布式表 tableA_0708 配置兩個表共同擁有的10個字段即可（這樣查分布式表只要不查被刪除的字段就不會報錯）。通過這種方式，我們也巧妙地解決了在數據規模特別大的情況下（單表百TB），刪除字段導致常見的元數據不一致問題。

（4）集群升級

同時，這種多版本集群的方式，也能方便地實現集群升級迭代，如直接新建一個集群4來存儲所有的09月的表數據。集群4可以是社區最新版本，通過這種迭代的方式逐步實現全部集群的升級。

4.3 元數據管理

為了實現上述的功能，我們需要維護好一套完整的元數據信息，來管理表的創建、寫入和 DDL（如圖19）。該元數據包含每個表的版本定義、每個版本數據的數據歸屬集群和時間范圍等。

圖19

4.4  統一查詢治理層

（1）Antlr4 的 SQL 解析

在查詢層，我們基于 Antlr4 技術，將用戶的查詢 SQL 解析成 AST 樹。通過 AST 樹，我們能夠快速地獲得 SQL 的表名、過濾條件、聚合維度等（如圖20）。我們拿到這些信息后，能夠非常方便地對 SQL 實時針對性的策略，如：數據統計、優化改寫和治理限流等。

圖20

（2）查詢代理層

圖21

我們對所有用戶的SQL查詢做了一層統一的查詢網關代理（如圖21）。該程序會根據元數據信息和策略對用戶的 SQL 進行改寫，實現了精準路由和性能優化等功能。同時，該程序會記錄每次查詢的明細上下文，用于對集群的查詢做統一化治理，如：QPS 限制、大表掃描限制和時間限制等拒絕策略，來提高系統的穩定性。

五、未來計劃

通過日志3.0的構建，我們重構了日志系統的整體架構，實現集群 Kubernetes 化管理，并成功地解決了歷史遺留的 DDL 異常、數據跨集群讀寫、索引重構優、磁盤治理和集群升級等運維難題。2022年，日志系統成果地支撐了公司 CLOG 與 UBT 業務的數據接入，集群數據規模達到了30+PB。

當然，攜程的日志系統演進也不會到此為止，我們的系統在功能、性能和治理多方面還有不少改善的空間。在未來，我們將進一步完善日志統一查詢治理層，精細化地管理集群查詢與負載；推出日志預聚合功能，對大數據量的查詢場景做加速，并支持 AI智能告警；充分地運用云上能力，實現彈性混合云，低成本支撐節假日高峰；推到日志產品在攜程系各個公司的使用覆蓋等。讓我們一起期待下一次的日志升級。