云原生之深入解析如何在Kubernetes下快速构建企业级云原生日志系统

一、概述

• ELK 是三个开源软件的缩写，分别表示 Elasticsearch , Logstash, Kibana , 它们都是开源软件。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，适合于在各个服务器上搜集日志后传输给 Logstash，官方也推荐此工具。
• 大致流程图如下：

① Elasticsearch 存储

• 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，自动搜索负载等。

② Filebeat 日志数据采集

• filebeat 是 Beats 中的一员，Beats 在是一个轻量级日志采集器，其实 Beats 家族有 6 个成员，早期的 ELK 架构中使用 Logstash 收集、解析日志，但是 Logstash 对内存、cpu、io 等资源消耗比较高。相比 Logstash，Beats 所占系统的 CPU 和内存几乎可以忽略不计。
• Filebeat 是用于转发和集中日志数据的轻量级传送工具，Filebeat 监视指定的日志文件或位置，收集日志事件。
• 目前 Beats 包含六种工具：
• • Packetbeat：网络数据（收集网络流量数据）；
• • Metricbeat：指标（收集系统、进程和文件系统级别的 CPU 和内存使用情况等数据）；
• • Filebeat：日志文件（收集文件数据）；
• • Winlogbeat：windows 事件日志（收集 Windows 事件日志数据）；
• • Auditbeat：审计数据（收集审计日志）；
• • Heartbeat：运行时间监控（收集系统运行时的数据）。
• 工作的流程图如下：

• 优点：Filebeat 只是一个二进制文件没有任何依赖。它占用资源极少。
• 缺点：Filebeat 的应用范围十分有限，因此在某些场景下会碰到问题，在 5.x 版本中，它还具有过滤的能力。

③ Kafka

• kafka 可以削峰，ELK 可以使用 redis 作为消息队列，但 redis 作为消息队列不是强项而且 redis 集群不如专业的消息发布系统 kafka。

④ Logstash 过滤

• 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 端安装在需要收集日志的主机上，server 端负责将收到的各节点日志进行过滤、修改等操作在一并发往 elasticsearch 上去。
• 优点：
• • 可伸缩性，节拍应该在一组 Logstash 节点之间进行负载平衡，建议至少使用两个 Logstash 节点以实现高可用性，每个 Logstash 点只部署一个 Beats 输入是很常见的，但每个 Logstash 节点也可以部署多个 Beats 输入，以便为不同的数据源公开独立的端点；
• • 弹性：Logstash 持久队列提供跨节点故障的保护，对于 Logstash 中的磁盘级弹性，确保磁盘冗余非常重要。对于内部部署，建议您配置 RAID，在云或容器化环境中运行时，建议使用具有反映数据 SLA 的复制策略的永久磁盘；
• • 可过滤：对事件字段执行常规转换，可以重命名，删除，替换和修改事件中的字段；
• 缺点：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。

⑤ Kibana 展示

• Kibana 也是一个开源和免费的工具，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、分析和搜索重要数据日志。
• filebeat 和 logstash 的关系：因为 logstash 是 jvm 跑的，资源消耗比较大，所以后来作者又用 golang 写了一个功能较少但是资源消耗也小的轻量级的 logstash-forwarder。不过作者只是一个人，加入 http://elastic.co 公司以后，因为 es 公司本身还收购了另一个开源项目 packetbeat，而这个项目专门就是用 golang 的，有整个团队，所以 es 公司干脆把 logstash-forwarder 的开发工作也合并到同一个 golang 团队来搞，于是新的项目就叫 filebeat 了。

二、helm3 安装 ELK

• 整体流程图如下：

① 准备条件

• 添加 helm 仓库：

$ helm repo add elastic   https://helm.elastic.co

② helm3 安装 elasticsearch

• 自定义 values：主要是设置 storage Class 持久化和资源限制，如果电脑资源有限，可以把资源调小：

# 集群名称
clusterName: "elasticsearch"
# ElasticSearch 6.8+ 默认安装了 x-pack 插件，部分功能免费，这里选禁用
esConfig:
 elasticsearch.yml: |
    network.host: 0.0.0.0
    cluster.name: "elasticsearch"
    xpack.security.enabled: false
resources:
  requests:
    memory: 1Gi
volumeClaimTemplate:
  storageClassName: "bigdata-nfs-storage"
  accessModes: [ "ReadWriteOnce" ]
  resources:
    requests:
      storage: 3Gi
service:
  type: NodePort
  port: 9000
  nodePort: 31311

• 禁用 Kibana 安全提示（Elasticsearch built-in security features are not enabled）xpack.security.enabled: false。
• 开始安装 Elasitcsearch：

$ helm install es elastic/elasticsearch -f my-values.yaml  --namespace bigdata

W1207 23:10:57.980283   21465 warnings.go:70] policy/v1beta1 PodDisruptionBudget is deprecated in v1.21+, unavailable in v1.25+; use policy/v1 PodDisruptionBudget
W1207 23:10:58.015416   21465 warnings.go:70] policy/v1beta1 PodDisruptionBudget is deprecated in v1.21+, unavailable in v1.25+; use policy/v1 PodDisruptionBudget
NAME: es
LAST DEPLOYED: Tue Dec  7 23:10:57 2021
NAMESPACE: bigdata
STATUS: deployed
REVISION: 1
NOTES:
1. Watch all cluster members come up.
  $ kubectl get pods --namespace=bigdata -l app=elasticsearch-master -w2. Test cluster health using Helm test.
  $ helm --namespace=bigdata test es

• 查看，需要所有 pod 都正常运行才正常，下载镜像有点慢，需要稍等一段时间再查看：

$ kubectl get pod -n bigdata -l app=elasticsearch-master
$ kubectl get pvc -n bigdata
$ watch kubectl get pod -n bigdata -l app=elasticsearch-master

• 验证：

$ helm --namespace=bigdata test es
$ kubectl get pod,svc -n bigdata -l app=elasticsearch-master -o wide
$ curl 192.168.0.113:31311/_cat/health
$ curl 192.168.0.113:31311/_cat/nodes

• 清理：

$ helm uninstall es -n bigdata
$ kubectl delete pvc elasticsearch-master-elasticsearch-master-0 -n bigdata
$ kubectl delete pvc elasticsearch-master-elasticsearch-master-1 -n bigdata
$ kubectl delete pvc elasticsearch-master-elasticsearch-master-2 -n bigdata

③ helm3 安装 Kibana

• 自定义 values：

$ cat <<EOF> my-values.yaml
#此处修改了kibana的配置文件，默认位置/usr/share/kibana/kibana.yaml
kibanaConfig:
   kibana.yml: |
     server.port: 5601
     server.host: "0.0.0.0"
     elasticsearch.hosts: [ "elasticsearch-master-headless.bigdata.svc.cluster.local:9200" ]
resources:
  requests:
    cpu: "1000m"
    memory: "256Mi"
  limits:
    cpu: "1000m"
    memory: "1Gi"
service:
  #type: ClusterIP
  type: NodePort
  loadBalancerIP: ""
  port: 5601
  nodePort: "30026"
EOF

• 开始安装 Kibana：

$ helm install kibana elastic/kibana -f my-values.yaml  --namespace bigdata

• 验证：

$ kubectl get pod,svc -n bigdata -l app=kibana

• 浏览器访问：http://192.168.0.113:30026/

• 清理：

$ helm uninstall kibana -n bigdata

④ helm3 安装 Filebeat

• filebeat 默认收集宿主机上 docker 的日志路径：/var/lib/docker/containers，如果修改了 docker 的安装路径要怎么收集呢？很简单，修改 chart 里的 DaemonSet 文件里边的 hostPath 参数：

- name: varlibdockercontainers
  hostPath:
    path: /var/lib/docker/containers   #改为docker安装路径

• 当然也可以自定义 values 修改，这里推荐自定义 values 方式修改采集日志路径。
• 自定义 values：默认是将数据存储到 ES，这里做修改数据存储到 Kafka：

$ cat <<EOF> my-values.yaml
daemonset:
  filebeatConfig:
    filebeat.yml: |
      filebeat.inputs:
      - type: container
        paths:
          - /var/log/containers/*.log

      output.elasticsearch:
        enabled: false
        host: '${NODE_NAME}'
        hosts: '${ELASTICSEARCH_HOSTS:elasticsearch-master:9200}'
      output.kafka:
       enabled: true
       hosts: ["kafka-headless.bigdata.svc.cluster.local:9092"]
       topic: test
EOF

• 开始安装 Filefeat：

$ helm install filebeat elastic/filebeat -f my-values.yaml  --namespace bigdata
$ kubectl get pods --namespace=bigdata -l app=filebeat-filebeat -w

• 验证：

# 先登录kafka客户端
$ kubectl exec --tty -i kafka-client --namespace bigdata -- bash
# 再消费数据
$ kafka-console-consumer.sh --bootstrap-server kafka.bigdata.svc.cluster.local:9092 --topic test

• 看到已经可以消费数据了，说明数据已经存储到 kafka。查看 kafka 数据积压情况：

$ kubectl exec --tty -i kafka-client --namespace bigdata -- bash
$ kafka-consumer-groups.sh --bootstrap-server kafka-0.kafka-headless.bigdata.svc.cluster.local:9092 --describe --group mygroup

• 发现大量数据都是处于积压的状态：

• 接下来就是部署 logstash 去消费 kafka 数据，最后存储到 ES。
• 清理：

$ helm uninstall filebeat -n bigdata

⑤ helm3 安装 Logstash

• 自定义 values（把 ES 和 kafka 的地址换成自己环境）：

$ cat <<EOF> my-values.yaml
logstashConfig:
  logstash.yml: |
    xpack.monitoring.enabled: false

logstashPipeline: 
   logstash.yml: |
    input {
      kafka {
            bootstrap_servers => "kafka-headless.bigdata.svc.cluster.local:9092"
            topics => ["test"]
            group_id => "mygroup"
            #如果使用元数据就不能使用下面的byte字节序列化，否则会报错
            #key_deserializer_class => "org.apache.kafka.common.serialization.ByteArrayDeserializer"
            #value_deserializer_class => "org.apache.kafka.common.serialization.ByteArrayDeserializer"
            consumer_threads => 1
            #默认为false，只有为true的时候才会获取到元数据
            decorate_events => true
            auto_offset_reset => "earliest"
         }
    }
    filter {
      mutate {
        #从kafka的key中获取数据并按照逗号切割
        split => ["[@metadata][kafka][key]", ","]
        add_field => {
            #将切割后的第一位数据放入自定义的“index”字段中
            "index" => "%{[@metadata][kafka][key][0]}"
        }
      }
    }
    output { 
      elasticsearch {
          pool_max => 1000
          pool_max_per_route => 200
          hosts => ["elasticsearch-master-headless.bigdata.svc.cluster.local:9200"]
          index => "test-%{+YYYY.MM.dd}"
      }
    }

# 资源限制
resources:
  requests:
    cpu: "100m"
    memory: "256Mi"
  limits:
    cpu: "1000m"
    memory: "1Gi"

volumeClaimTemplate:
  accessModes: ["ReadWriteOnce"]
  resources:
    requests:
      storage: 3Gi
EOF

• output plugin 输出插件，将事件发送到特定目标：

stdout { codec => rubydebug }            // 开启 debug 模式，可在控制台输出

• stdout ：标准输出，将事件输出到屏幕上：

output{
    stdout{
        codec => "rubydebug"
    }
}

• file：将事件写入文件：

output{
   file {
       path => "/data/logstash/%{host}/{application}
       codec => line { format => "%{message}"} }
    }
}

• kafka：将事件发送到 kafka：

output{
   kafka{
        bootstrap_servers => "localhost:9092"
        topic_id => "test_topic"  #必需的设置。生成消息的主题
    }
}

• elasticseach：在 es 中存储日志：

output{
   elasticsearch {
        #user => elastic
        #password => changeme
        hosts => "localhost:9200"
        index => "nginx-access-log-%{+YYYY.MM.dd}"  
    }
}

• 开始安装 Logstash：

$ helm install logstash elastic/logstash -f my-values.yaml  --namespace bigdata

$ kubectl get pods --namespace=bigdata -l app=logstash-logstash

• 验证：
• • 登录 kibana 查看索引是否创建：

• • 查看 logs：

$ kubectl logs -f  logstash-logstash-0 -n bigdata >logs
$ tail -100 logs

• • 查看 kafka 消费情况：

$ kubectl exec --tty -i kafka-client --namespace bigdata -- bash
$ kafka-consumer-groups.sh --bootstrap-server kafka-0.kafka-headless.bigdata.svc.cluster.local:9092 --describe --group mygroup

• 通过 kibana 查看索引数据（Kibana 版本：7.15.0） 创建索引模式：

• 通过上面创建的索引模式查询数据（Discover）：

• 清理：

$ helm uninstall logstash -n bigdata

三、ELK 相关的备份组件和备份方式

• Elasticsearch 备份两种方式：
• • 将数据导出成文本文件，比如通过 elasticdump、esm 等工具将存储在 Elasticsearch 中的数据导出到文件中，适用数据量小的场景；
• • 备份 elasticsearch data 目录中文件的形式来做快照，借助 Elasticsearch 中 snapshot 接口实现的功能，适用大数据量的场景。

① Elasticsearch 的 snapshot 快照备份

• snapshot 快照备份的优缺点：
• • 优点：通过 snapshot 拍摄快照，然后定义快照备份策略，能够实现快照自动化存储，可以定义各种策略来满足自己不同的备份；
• • 缺点：还原不够灵活，拍摄快照进行备份很快，但是还原的时候没办法随意进行还原，类似虚拟机快照。
• 配置备份目录：
• • 在 elasticsearch.yml 的配置文件中注明可以用作备份路径 path.repo ，如下所示：

path.repo: ["/mount/backups", "/mount/longterm_backups"]

• • 配置好后，就可以使用 snapshot api 来创建一个 repository，如下创建一个名为 my_backup 的 repository：

PUT /_snapshot/my_backup
{
  "type": "fs",
  "settings": {
    "location": "/mount/backups/my_backup"
  }
}

• 开始通过 API 接口备份：
• • 有了 repostiroy 后，就可以做备份，也叫快照，也就是记录当下数据的状态。如下所示创建一个名为 snapshot_1 的快照：

PUT /_snapshot/my_backup/snapshot_1?wait_for_completion=true

• • wait_for_completion 为 true 是指该 api 在备份执行完毕后再返回结果，否则默认是异步执行的，这里为了立刻看到效果，所以设置了该参数，线上执行时不用设置该参数，让其在后台异步执行即可。
• 增量备份：当执行完毕后，可以发现 /mount/backups/my_backup 体积变大，这说明新数据备份进来了，要说明的一点是，当在同一个 repository 中做多次 snapshot 时，elasticsearch 会检查要备份的数据 segment 文件是否有变化，如果没有变化则不处理，否则只会把发生变化的 segment file 备份下来，这其实就实现了增量备份：

PUT /_snapshot/my_backup/snapshot_2?wait_for_completion=true

• 数据恢复：通过调用如下 api 即可快速实现恢复功能：

POST /_snapshot/my_backup/snapshot_1/_restore?wait_for_completion=true
{
  "indices": "index_1",
  "rename_replacement": "restored_index_1"
}

② elasticdump 备份迁移 es 数据

• 索引数据导出为文件（备份）：

# 导出索引Mapping数据
$ elasticdump \
  --input=http://es实例IP:9200/index_name/index_type \
  --output=/data/my_index_mapping.json \    # 存放目录
  --type=mapping 
# 导出索引数据
$ elasticdump \
  --input=http://es实例IP:9200/index_name/index_type \
  --output=/data/my_index.json \
  --type=data

• 索引数据文件导入至索引（恢复）：

# Mapping 数据导入至索引
$ elasticdump \
  --output=http://es实例IP:9200/index_name \
  --input=/home/indexdata/roll_vote_mapping.json \ # 导入数据目录
  --type=mapping
# ES文档数据导入至索引
$ elasticdump \
  --output=http:///es实例IP:9200/index_name \
  --input=/home/indexdata/roll_vote.json \ 
  --type=data

• 可直接将备份数据导入另一个 es 集群：

$ elasticdump --input=http://127.0.0.1:9200/test_event   --output=http://127.0.0.2:9200/test_event --type=data

• type 是 ES 数据导出导入类型，Elasticdump 工具支持以下数据类型：

type 类型	说明
mapping	ES 的索引映射结构数据
data	ES 的数据
settings	ES 的索引库默认配置
analyzer	ES 的分词器
template	ES 的模板结构数据
alias	ES 的索引别名

③ esm 备份迁移 es 数据

• 备份 es 数据：

$ esm -s http://10.33.8.103:9201 -x "petition_data" -b 5 --count=5000 --sliced_scroll_size=10 --refresh -o=./es_backup.bin

• -w 表示线程数 -b 表示一次 bulk 请求数据大小，单位 MB 默认 5M -c 一次 scroll 请求数量 导入恢复 es 数据：

$ esm -d http://172.16.20.20:9201 -y "petition_data6" -c 5000 -b 5 --refresh -i=./dump.bin