日志搜集系统从ELK到EFK

亦凉 2022-06-06 00:49 162阅读 0赞

### 为什么做日志系统 ###

首先，什么是日志？ 日志就是程序产生的，遵循一定格式（通常包含时间戳）的文本数据。

通常日志由服务器生成，输出到不同的文件中，一般会有系统日志、 应用日志、安全日志。这些日志分散地存储在不同的机器上。

通常当系统发生故障时，工程师需要登录到各个服务器上，使用 grep / sed / awk 等 Linux 脚本工具去日志里查找故障原因。在没有日志系统的情况下，首先需要定位处理请求的服务器，如果这台服务器部署了多个实例，则需要去每个应用实例的日志目录下去找日志文件。每个应用实例还会设置日志滚动策略（如：每天生成一个文件），还有日志压缩归档策略等。

这样一系列流程下来，对于我们排查故障以及及时找到故障原因，造成了比较大的麻烦。因此，如果我们能把这些日志集中管理，并提供集中检索功能，不仅可以提高诊断的效率，同时对系统情况有个全面的理解，避免事后救火的被动。

我认为，日志数据在以下几方面具有非常重要的作用：

*  数据查找：通过检索日志信息，定位相应的 bug ，找出解决方案
 *  服务诊断：通过对日志信息进行统计、分析，了解服务器的负荷和服务运行状态
 *  数据分析：可以做进一步的数据分析，比如根据请求中的课程 id ，找出 TOP10 用户感兴趣课程。

针对这些问题，为了提供分布式的实时日志搜集和分析的监控系统，我们采用了业界通用的日志数据管理解决方案 - 它主要包括 Elasticsearch 、 Logstash 和 Kibana 三个系统。通常，业界把这套方案简称为ELK，取三个系统的首字母，但是我们实践之后将其进一步优化为EFK，F代表Filebeat，用以解决Logstash导致的问题。下面，我们展开详细介绍。

文中涉及的 ELK stack 版本是：

> Elasticsearch 5.2.2   
> Logstash 5.2.2   
> Kibana 5.2.2   
> Filebeat 5.2.2   
> Kafka 2.10

![这里写图片描述][SouthEast]

Logstash ：数据收集处理引擎。支持动态的从各种数据源搜集数据，并对数据进行过滤、分析、丰富、统一格式等操作，然后存储以供后续使用。

Kibana ：可视化化平台。它能够搜索、展示存储在 Elasticsearch 中索引数据。使用它可以很方便的用图表、表格、地图展示和分析数据。

Elasticsearch ：分布式搜索引擎。具有高可伸缩、高可靠、易管理等特点。可以用于全文检索、结构化检索和分析，并能将这三者结合起来。Elasticsearch 基于 Lucene 开发，现在使用最广的开源搜索引擎之一，Wikipedia 、StackOverflow、Github 等都基于它来构建自己的搜索引擎。

Filebeat ：轻量级数据收集引擎。基于原先 Logstash-fowarder 的源码改造出来。换句话说：Filebeat就是新版的 Logstash-fowarder，也会是 ELK Stack 在 shipper 端的第一选择。

既然要谈 ELK 在沪江系统中的应用，那么 ELK 架构就不得不谈。本次分享主要列举我们曾经用过的 ELK 架构，并讨论各种架构所适合的场景和优劣供大家参考

### 简单版架构 ###

![这里写图片描述][SouthEast 1]

这种架构下我们把 Logstash 实例与 Elasticsearch 实例直接相连。Logstash 实例直接通过 Input 插件读取数据源数据(比如 Java 日志， Nginx 日志等)，经过 Filter 插件进行过滤日志，最后通过 Output 插件将数据写入到 ElasticSearch 实例中。

这个阶段，日志的收集、过滤、输出等功能，主要由这三个核心组件组成 Input 、Filter、Output。

Input：输入，输入数据可以是 File 、 Stdin（直接从控制台输入） 、TCP、Syslog 、Redis 、Collectd 等。

Filter：过滤，将日志输出成我们想要的格式。Logstash 存在丰富的过滤插件：Grok 正则捕获、时间处理、JSON 编解码、数据修改 Mutate 。Grok 是 Logstash 中最重要的插件，强烈建议每个人都要使用 Grok Debugger 来调试自己的 Grok 表达式。

grok {
          match => ["message", "(?m)\[%{LOGLEVEL:level}\] \[%{TIMESTAMP_ISO8601:timestamp}\] \[%{DATA:logger}\] \[%{DATA:threadId}\] \[%{DATA:requestId}\] %{GREEDYDATA:msgRawData}"]
        }
     
      
       1
       2
       3

Output：输出，输出目标可以是 Stdout （直接从控制台输出）、Elasticsearch 、Redis 、TCP 、File 等

这是最简单的一种ELK架构方式，Logstash 实例直接与 Elasticsearch 实例连接。优点是搭建简单，易于上手。建议供初学者学习与参考，不能用于线上的环境。

### 集群版架构 ###

![这里写图片描述][SouthEast 2]

这种架构下我们采用多个 Elasticsearch 节点组成 Elasticsearch 集群，由于 Logstash 与 Elasticsearch 采用集群模式运行，集群模式可以避免单实例压力过重的问题，同时在线上各个服务器上部署 Logstash Agent，来满足数据量不大且可靠性不强的场景。

数据收集端：每台服务器上面部署 Logstash Shipper Agent 来收集当前服务器上日志，日志经过 Logstash Shipper 中 Input插件、Filter插件、Output 插件传输到 Elasticsearch 集群。

数据存储与搜索：Elasticsearch 配置默认即可满足，同时我们看数据重要性来决定是否添加副本，如果需要的话，最多一个副本即可。

数据展示：Kibana 可以根据 Elasticsearch 的数据来做各种各样的图表来直观的展示业务实时状况。

这种架构使用场景非常有限，主要存在以下两个问题：

*  消耗服务器资源：Logstash 的收集、过滤都在服务器上完成，这就造成服务器上占用系统资源较高、性能方面不是很好，调试、跟踪困难，异常处理困难；
 *  数据丢失：大并发情况下，由于日志传输峰值比较大，没有消息队列来做缓冲，就会导致 Elasticsearch 集群丢失数据。

这个架构相对上个版本略微复杂，不过维护起来同样比较方便，同时可以满足数据量不大且可靠性不强的业务使用。

### 引入消息队列 ###

![这里写图片描述][SouthEast 3]

该场景下面，多个数据首先通过 Lostash Shipper Agent 来收集数据，然后经过 Output 插件将数据投递到 Kafka 集群中，这样当遇到 Logstash 接收数据的能力超过 Elasticsearch 集群处理能力的时候，就可以通过队列就能起到削峰填谷的作用， Elasticsearch 集群就不存在丢失数据的问题。

目前业界在日志服务场景中，使用比较多的两种消息队列为 ：Kafka VS Redis。尽管 ELK Stack 官网建议使用 Redis 来做消息队列，但是我们建议采用 Kafka 。主要从下面两个方面考虑：

*  数据丢失：Redis 队列多用于实时性较高的消息推送，并不保证可靠。Kafka保证可靠但有点延时；
 *  数据堆积：Redis 队列容量取决于机器内存大小，如果超过设置的Max memory，数据就会抛弃。Kafka 的堆积能力取决于机器硬盘大小。

综合上述的理由，我们决定采用 Kafka 来缓冲队列。不过在这种架构下仍然存在一系列问题：

*  Logstash shipper 收集数据同样会消耗 CPU 和内存资源；
 *  不支持多机房部署。

这种架构适合较大集群的应用部署，通过消息队列解决了消息丢失、网络堵塞的问题。

### 多机房部署 ###

![这里写图片描述][SouthEast 4]

随着沪江业务的飞速增长，单机房的架构已经不能满足需求。不可避免的，沪江的业务需要分布到不同机房中，对于日志服务来说也是不小的挑战。当然业界也有不少成熟的方法，比如阿里的单元化、腾讯的 SET 方案等等。

最终我们决定采用单元化部署的方式来解决 ELK 多机房中遇到的问题(延时、专线流量过大等)，从日志的产生、收集、传输、存储、展示都是在同机房里面闭环消化，不存在跨机房传输与调用的问题。因为交互紧密的应用尽量部署在同机房，所以这种方案并不会给业务查询造成困扰。

Logstash、Elasticsearch、Kafka、Kibana 四个集群都部署到同一机房中，每个机房都要每个机房自己的日志服务集群，比如A机房业务的日志只能传输给本机房 Kafka ，而A机房 Indexer 集群消费并写入到A机房 Elasticsearch 集群中，并由A机房 Kibana 集群展示，中间任何一个步骤不依赖B机房任何服务。

### 引入Filebeat ###

![这里写图片描述][SouthEast 5]

Filebeat 是基于原先 logstash-forwarder 的源码改造出来的，无需依赖 Java 环境就能运行，安装包10M不到。

如果日志的量很大，Logstash 会遇到资源占用高的问题，为解决这个问题，我们引入了Filebeat。Filebeat 是基于 logstash-forwarder 的源码改造而成，用 Golang 编写，无需依赖 Java 环境，效率高，占用内存和 CPU 比较少，非常适合作为 Agent 跑在服务器上。

下面看看Filebeat的基本用法。编写配置文件，从 Nginx access.log 中解析日志数据：

# filebeat.yml
    filebeat.prospectors:
    - input_type: log
      paths: /var/log/nginx/access.log
      json.message_key:
    
    output.elasticsearch:
      hosts: ["localhost"]
      index: "filebeat-nginx-%{+yyyy.MM.dd}"
     
      
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我们来看看压测数据：

压测环境

*  虚拟机 8 cores 64G内存 540G SATA盘
 *  Logstash 版本 2.3.1
 *  Filebeat 版本 5.5.0

压测方案

Logstash / Filebeat 读取 350W 条日志 到 console，单行数据 580B，8个进程写入采集文件。

压测结果

<table style="border-collapse:collapse; border-spacing:0px; max-width:100%; width:860px; border:1px solid rgb(238,238,238); color:rgb(63,63,63); font-family:&quot;microsoft yahei&quot;; font-size:15px"> 
 <thead style=""> 
  <tr style=""> 
   <th align="left" style="text-align:left; padding:8px; line-height:20px; vertical-align:top; border:1px solid rgb(238,238,238)"> 项目</th> 
   <th align="left" style="text-align:left; padding:8px; line-height:20px; vertical-align:top; border:1px solid rgb(238,238,238)"> workers</th> 
   <th align="left" style="text-align:left; padding:8px; line-height:20px; vertical-align:top; border:1px solid rgb(238,238,238)"> cpu usr</th> 
   <th align="left" style="text-align:left; padding:8px; line-height:20px; vertical-align:top; border:1px solid rgb(238,238,238)"> 总共耗时</th> 
   <th align="left" style="text-align:left; padding:8px; line-height:20px; vertical-align:top; border:1px solid rgb(238,238,238)"> 收集速度</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody style=""> 
  <tr style=""> 
   <td align="left" style="padding:8px; line-height:20px; vertical-align:top; border:1px solid rgb(238,238,238)"> Logstash</td> 
   <td align="left" style="padding:8px; line-height:20px; vertical-align:top; border:1px solid rgb(238,238,238)"> 8</td> 
   <td align="left" style="padding:8px; line-height:20px; vertical-align:top; border:1px solid rgb(238,238,238)"> 53.7%</td> 
   <td align="left" style="padding:8px; line-height:20px; vertical-align:top; border:1px solid rgb(238,238,238)"> 210s</td> 
   <td align="left" style="padding:8px; line-height:20px; vertical-align:top; border:1px solid rgb(238,238,238)"> 1.6w line/s</td> 
  </tr> 
  <tr style=""> 
   <td align="left" style="padding:8px; line-height:20px; vertical-align:top; border:1px solid rgb(238,238,238)"> Filebeat</td> 
   <td align="left" style="padding:8px; line-height:20px; vertical-align:top; border:1px solid rgb(238,238,238)"> 8</td> 
   <td align="left" style="padding:8px; line-height:20px; vertical-align:top; border:1px solid rgb(238,238,238)"> 38.0%</td> 
   <td align="left" style="padding:8px; line-height:20px; vertical-align:top; border:1px solid rgb(238,238,238)"> 30s</td> 
   <td align="left" style="padding:8px; line-height:20px; vertical-align:top; border:1px solid rgb(238,238,238)"> 11w line/s</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

Filebeat 所消耗的CPU只有 Logstash 的70%，但收集速度为 Logstash 的7倍。从我们的应用实践来看，Filebeat 确实用较低的成本和稳定的服务质量，解决了 Logstash 的资源消耗问题。

最后，分享给大家一些血泪教训，希望大家以我为鉴。

Indexer 运行一段时间后自动挂掉

突然有一天监控发现日志不消费了，排查下来发现消费 Kafka 数据的 indexer 挂掉了。所以，Indexer 进程也是需要用 supervisor 来监控的，保证它时刻都在运行。

Java异常日志输出

开始我们在通过 grok 切割日志的时候，发现 Java 的 Exception 日志输出之后，会出现换行的问题。后来使用 Logstash codec/multiline 插件来解决。

input {
        stdin {
            codec => multiline {
                pattern => "^\["
                negate => true
                what => "previous"
            }
        }
    }
     
      
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由于时区导致日志8小时时差

Logstash 2.3版本 date插件配置如下，查看解析结果发现@timestamp比中国时间早了8小时。

解决方案 Kibana 读取浏览器的当前时区，然后在页面上转换时间内容的显示。

date {
        match => [ "log_timestamp", "YYYY-MM-dd HH:mm:ss.SSS" ]
        target => "@timestamp"
      }
     
      
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Grok parse failure

我们遇到线上 node 日志突然有几天日志查看不出来。后来拉出原始日志对比才发现生成出来的日志格式不正确，同时包含 JSON 格式和非 JSON 格式的日志。但是我们用grok解析的时候采用是 json 格式。建议大家输出日志保证格式一致同时不要出现空格等异常字符，可以使用[在线 grok debug][grok debug]来调试正则。

## 总结 ##

基于 ELK stack 的日志解决方案的优势主要体现于：

*  可扩展性：采用高可扩展性的分布式系统架构设计，可以支持每日 TB 级别的新增数据。
 *  使用简单：通过用户图形界面实现各种统计分析功能，简单易用，上手快。
 *  快速响应：从日志产生到查询可见，能达到秒级完成数据的采集、处理和搜索统计。
 *  界面炫丽：Kibana 界面上，只需要点击鼠标，就可以完成搜索、聚合功能，生成炫丽的仪表板。

![这里写图片描述][SouthEast 6]

参考资料

*  [https://www.elastic.co/guide/en/beats/filebeat/1.3/filebeat-overview.html][https_www.elastic.co_guide_en_beats_filebeat_1.3_filebeat-overview.html]
 *  [https://zhuanlan.zhihu.com/p/26399963][https_zhuanlan.zhihu.com_p_26399963]

> 作者曹林华，原文载于微信公众号「沪江技术学院」。

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[SouthEast 2]: /images/20220606/90af1b3d88cb4f6a99ec3ac6731d058f.png
[SouthEast 3]: /images/20220606/aced82ec00db4477b2ed4553f0af5cdc.png
[SouthEast 4]: /images/20220606/7657e0ea043c46d794a59f4b615a834f.png
[SouthEast 5]: /images/20220606/ecba037476c94c69801b5eb43f5bb644.png
[grok debug]: http://grokdebug.herokuapp.com/
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[https_www.elastic.co_guide_en_beats_filebeat_1.3_filebeat-overview.html]: https://www.elastic.co/guide/en/beats/filebeat/1.3/filebeat-overview.html
[https_zhuanlan.zhihu.com_p_26399963]: https://zhuanlan.zhihu.com/p/26399963