《ELK日志架构》——第一部分：ELK日志架构学习

ELK是目前微服务技术下，专门为日志收集、分析的一套架构。进入官网，我们可以看到比较详细的介绍。ELK是三个开源软件的缩写，分别表示：Elasticsearch，Logstash和Kibana。目前又新增了一个FileBeat，它是一个轻量级的日志收集处理工具（Agent），Filebeat占用资源少，适合于各个服务器上搜集日志后传输给Logstash。整个架构图如下（图片源自官网）。官网提供的部分中文文档

Elasticsearch是个开源分布式搜索引擎，提供搜集、分析、存储数据三大功能。它的特点有：分布式，零配置，自动发现，索引自动分片，索引副本机制，restful风格接口，多数据源，自动搜索负载。
Logstash 主要是用来日志的搜集、分析、过滤日志的工具，支持大量的数据获取方式。一般工作方式为c/s架构，client端安宁庄在需要收集日志的主机上，server端负责将收到的个节点日志进行过滤、修改等操作在一并发往elasticsearch上去。
Kibana也是一个开源的分析和可视化的工具，Kibana可以为Logstash和Elasticsearch提供的日志分析友好的web界面，可以帮助汇总、分析和搜索重要的数据日志。
Filebeat隶属于Beats。目前Beats包含四种工具：
1.Packetbeat(搜集网络流量数据)
2.Topbeat（搜集系统、进程和文件系统级别的CPU和内存使用情况等数据）
3.Filebeat(搜集文件数据)
4.Winlogbeat(搜集Windows事件日志数据)

• Filebeat、Logstash、Kibana、Elasticsearch 官网文档 ¹

为什么要用ELK，或者说ELK的应用场景是什么？
一般大型系统是一个分布式部署的架构，不同的服务模块部署在不同的服务器上，问题出现时，大部分情况需要根据问题暴露的关键信息，定位到具体的服务器和服务模块，构建一套集中式日志系统，可以提高定位问题的效率。
一个完整的集中式日志系统，需要包含以下几个主要特点：

• 收集 - 能够采集多种来源的日志数据
• 传输 - 能够稳定的把日志数据传输到中央系统
• 存储 - 高效的存储日志数据
• 分析 - 可以支持UI分析
• 警告 - 能够提供错误报告，监控机制

而ELK则可以完美的解决上面的所有问题。

ELK常见架构模型：

• 架构图一：
  

这是最简单的一种ELK架构方式。优点是搭建简单，易于上手。缺点是Logstash耗资源较大，运行占用CPU和内存高。另外没有消息队列缓存，存在数据丢失隐患。

此架构由Logstash分布于各个节点上搜集相关日志、数据，并经过分析、过滤后发送给远端服务器上的Elasticsearch进行存储。Elasticsearch将数据以分片的形式压缩存储并提供多种API供用户查询，操作。用户亦可以更直观的通过配置Kibana Web方便的对日志查询，并根据数据生成报表。

• 架构图二：
  

此种架构引入了消息队列机制，位于各个节点上的Logstash Agent先将数据/日志传递给Kafka（或者Redis），并将队列中消息或数据间接传递给Logstash，Logstash过滤、分析后将数据传递给Elasticsearch存储。

此架构由Logstash分布于各个节点上搜集相关日志、数据，并经过分析、过滤后发送给远端服务器上的Elasticsearch进行存储。Elasticsearch将数据以分片的形式压缩存储并提供多种API供用户查询，操作。用户亦可以更直观的通过配置Kibana Web方便的对日志查询，并根据数据生成报表。

• 架构图三：
  

此种架构是对架构二进行了优化。该架构中各个模块的责任如下：
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 Agent 的第一选择。
Kafka/Redis: 数据缓冲队列。作为消息队列解耦了处理过程，同时提高了可扩展性。具有峰值处理能力，使用消息队列能够使关键组件顶住突发的访问压力，而不会因为突发的超负荷的请求而完全崩溃。
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。
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。
Kibana ：可视化平台。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。

ELK架构模型中各个模块工作原理：

• Filebeat工作原理

Filebeat由两个主要组件组成：prospectors(探测器) 和 harvesters（收割机）。这两个组件协同工作将文件变动发送到指定的输出中。

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Harvester（收割机）：负责读取单个文件内容。每个文件会启动一个Harvester，每个Harvester会逐行读取各个文件，并将文件内容发送到指定处理程序（spooler）。处理程序会集合这些事件，最后filebeat会发送集合的数据到你指定的地点。Harvester负责打开和关闭文件，意味在Harvester运行的时候，文件描述符处于打开状态，如果文件在收集中被重命名或者被删除，Filebeat会继续读取此文件。所以在Harvester关闭之前，磁盘不会被释放。默认情况filebeat会保持文件打开的状态，直到达到close_inactive（如果此选项开启，filebeat会在指定时间内将不再更新的文件句柄关闭，时间从harvester读取最后一行的时间开始计时。若文件句柄被关闭后，文件发生变化，则会启动一个新的harvester。关闭文件句柄的时间不取决于文件的修改时间，若此参数配置不当，则可能发生日志不实时的情况，由scan_frequency参数决定，默认10s。Harvester使用内部时间戳来记录文件最后被收集的时间。例如：设置5m，则在Harvester读取文件的最后一行之后，开始倒计时5分钟，若5分钟内文件无变化，则关闭文件句柄。默认5m）。

Prospector（勘测者）：负责管理Harvester并找到所有读取源。

filebeat.prospectors:
- input_type: log
  paths:
    - /apps/logs/*/info.log

Prospector会找到/apps/logs/*目录下的所有info.log文件，并为每个文件启动一个Harvester。Prospector会检查每个文件，看Harvester是否已经启动，是否需要启动，或者文件是否可以忽略。若Harvester关闭，只有在文件大小发生变化的时候Prospector才会执行检查。只能检测本地的文件。

Filebeat如何记录文件状态：
将文件状态记录在文件中（默认在/var/lib/filebeat/registry）。此状态可以记住Harvester收集文件的偏移量。若连接不上输出设备，如ES等，filebeat会记录发送前的最后一行，并再可以连接的时候继续发送。Filebeat在运行的时候，Prospector状态会被记录在内存中。Filebeat重启的时候，利用registry记录的状态来进行重建，用来还原到重启之前的状态。每个Prospector会为每个找到的文件记录一个状态，对于每个文件，Filebeat存储唯一标识符以检测文件是否先前被收集。

Filebeat如何保证事件至少被输出一次：
Filebeat之所以能保证事件至少被传递到配置的输出一次，没有数据丢失，是因为filebeat将每个事件的传递状态保存在文件中。在未得到输出方确认时，filebeat会尝试一直发送，直到得到回应。若filebeat在传输过程中被关闭，则不会再关闭之前确认所有时事件。任何在filebeat关闭之前为确认的时间，都会在filebeat重启之后重新发送。这可确保至少发送一次，但有可能会重复。可通过设置shutdown_timeout 参数来设置关闭之前的等待事件回应的时间（默认禁用）。

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- Logstash工作原理

Logstash事件处理有三个阶段：inputs → filters → outputs。是一个接收，处理，转发日志的工具。支持系统日志，webserver日志，错误日志，应用日志，总之包括所有可以抛出来的日志类型。

Input：输入数据到logstash
一些常用的输入为：
file：从文件系统的文件中读取，类似于tial -f命令
syslog：在514端口上监听系统日志消息，并根据RFC3164标准进行解析
redis：从redis service中读取
beats：从filebeat中读取

Filters：数据中间处理，对数据进行操作
一些常用的过滤器为：
grok：解析任意文本数据，Grok 是 Logstash 最重要的插件。它的主要作用就是将文本格式的字符串，转换成为具体的结构化的数据，配合正则表达式使用。内置120多个解析语法。
官方提供的grok表达式：https://github.com/logstash-plugins/logstash-patterns-core/tree/master/patterns
grok在线调试：https://grokdebug.herokuapp.com/
mutate：对字段进行转换。例如对字段进行删除、替换、修改、重命名等。
drop：丢弃一部分events不进行处理。
clone：拷贝 event，这个过程中也可以添加或移除字段。
geoip：添加地理信息(为前台kibana图形化展示使用)

Outputs：outputs是logstash处理管道的最末端组件
一个event可以在处理过程中经过多重输出，但是一旦所有的outputs都执行结束，这个event也就完成生命周期。
一些常见的outputs为：
elasticsearch：可以高效的保存数据，并且能够方便和简单的进行查询。
file：将event数据保存到文件中。
graphite：将event数据发送到图形化组件中，一个很流行的开源存储图形化展示的组件。

Codecs：codecs 是基于数据流的过滤器，它可以作为input，output的一部分配置.
Codecs可以帮助你轻松的分割发送过来已经被序列化的数据。
一些常见的codecs：
json：使用json格式对数据进行编码/解码。
multiline：将汇多个事件中数据汇总为一个单一的行。比如：java异常信息和堆栈信息。

【ELK日志处理环境搭建】系列教程

《ELK日志架构》——第一部分：ELK日志架构学习
《ELK日志架构》——第二部分：ELK架构环境搭建

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1. 官方文档：
   Filebeat：
   https://www.elastic.co/cn/products/beats/filebeat
   https://www.elastic.co/guide/en/beats/filebeat/5.6/index.html
   Logstash：
   https://www.elastic.co/cn/products/logstash
   https://www.elastic.co/guide/en/logstash/5.6/index.html
   Kibana:
   https://www.elastic.co/cn/products/kibana
   https://www.elastic.co/guide/en/kibana/5.5/index.html
   Elasticsearch：
   https://www.elastic.co/cn/products/elasticsearch
   https://www.elastic.co/guide/en/elasticsearch/reference/5.6/index.html
   elasticsearch中文社区：
   https://elasticsearch.cn/ ↩︎