ES/ClickHouse/Loki三种核心日志分析软件比较与思考[通俗易懂]

背景与历史

ES和ClickHouse都是开源火得不行的软件，日志分析究竟该用哪个一直争论不休。这篇文章我们不比较哪个更牛，应该选哪个，而是从软件背后去分析用户需求是什么？有没有更好的方法来解这个问题。

先科普一下日志分析软件历史：

方案A：Local Storage + Pssh扫描派（代表作：跳板机上各种脚本）
在Unix设计哲学中，没有什么是不能用管道完成的。十年前没有大数据概念的时候，日志对研发而言就是随时抛弃，偶尔查问题需用一用。因此设定一定大小回滚策略+Pssh就是最不折腾的选择，所以我们在跳板机上经常能看到各种封装的shell脚本，只需要几个参数就能快速检索。方法简单粗暴，带来的局限性也挺多，例如磁盘坏数据丢失、速度慢、对线上有性能影响等。非集中式日志检索技术随着大数据兴起，使用场景逐步在萎缩。

方案B：Central Storage + Inverted Index派（代表作：ES）
说起ES不得不提到背后Lucene，Lucene实际是一个比Hadoop还早的爷爷辈软件，因为他们的作者是同一个人。Lucene是一个面向搜索引擎的倒排库，可以直接用来索引文档并提供接口来进行查询。但Lucene本身是一个Lib，离直接使用还有部分集成工作，之后Apache陆续有了Solr、Nutch等项目来帮助Lucene发展，但依然是不温不火好几年。2012年ES诞生后，通过优秀Restful API，分布式部署等机制把Lucene使用推向一个新高度。而之后 ELK（Logstash + Kibana）组合把在日志易用性上大大加速。ES 特点是通过O（1）索引，快速在海量数据上拿到结构，相比暴力扫描的方法，倒排索引速度和扫描数据量不是线性相关的。

我们来看看ES成本模型，ES 模式是通过预处理生成索引，把之后检索变成常数级操作。ES存储构成为：原始数据（正排）、倒排索引（Inverted Index）、列存储（DocValue）3种类型。数据流入时需要消耗部分机器来对数据进行编码，但在查询时只需要消耗少量的资源便可快速找到数据。之后无论多少次查询，实际成本几乎是不变的。但带来的副作用是数据膨胀，例如AWS在ES使用建议上，一般推荐预留2-3倍的空间来应对数据存储（在2 Replica情况下）。

方案C：Central Storage + Column Storage + MR派（代表作：Hive）
Hadoop出现提供了HDFS分布式存储引擎，而Hive/Spark等MR引擎为了加快执行速度，天然集成了Column Storage（列存储类型），Column Storage对于类型固定的列有良好的压缩率，例如可以通过Delta、Dictionary等编码技术压缩原始数据大小，当查询时通过Histogram进行快速跳转。Column Storage对OLAP计算很友好，数据量小又能做启发式搜索。ES在五年前也推出了Column Storage类似的Doc Value技术，可以通过ES API来对列数据进行分析。

Column Storage一般会搭配一个计算引擎，基于MR的Hive、Spark提供基于磁盘的外排能力，除了执行速度慢一些之外，几乎能够胜任所有的SQL92查询分析需求。

方案D：Central Storage + Column Storage + MPP派（代表作：ClickHouse）
MR方案可以通吃从小到大的各类场景，但带来的缺点是速度不够快，并发不高，不适合实时性高的场景。之后Druid、Presto等MPP引擎诞生通过内存来代替磁盘交换，把Query执行速度大大提升。最近2年ClickHouse横空出世吸引了不少粉丝，ClickHouse秉承俄罗斯人的简单粗暴出奇迹特点，把用Hand Craft计算发挥得淋漓尽致。虽然ES也在向OLAP领域进军，ClickHouse未来也会做倒排索引，但这背后存在一个不争的事实。日志分析除了日志的TP，也会有少量的AP情况需要混合考虑。

Hive和MPP成本模型如下，数据写入一般需要前端机对数据进行转换，在读取时需要对数据进行排序过滤等，消耗一部分计算资源。

方案E：Central Storage + 扫描类（代表作：Grafana-Loki）
扫描压缩后的原始数据，看起来像是“返璞归真”的技术退化。但似乎又是一种顺应时代的做法。这个方案典型的代表是Grafana旗下Loki。Grafana因为没有存储技术的积累，因此光脚不怕穿鞋的，直接出了一个将日志直存对象存储 + 扫描方案。这个背后的理由也说的过去，云存储是未来是能够保证持续间隔竞争力的，而大部分日志是写多读少的，在一些场景下慢一些似乎也没什么差别。

Loki方案占据存储成本极少，原始数据会以压缩方式写入，同时也可以通过列存(Parquet)来存储数据，以加快分析速度。当查询时解压缩原始数据，进行过滤，最后拿到结果。由于受限单机引擎，在查询速度、分析能力上比不过ES、Hive、ClickHouse等方案，但胜在便宜。如果数据只是偶尔查一查，要啥自行车呢。

综合对比

我们把上述方案做一个对比，如下：

• 存储成本：Loki存储是裸数据，经过压缩后理论上空间是最小的。ES存储内容最多，因此存储成本比较高。而Hive、ClickHouse因只有列存，相对较小（对于比较随机的纯文本数据，列存理论上和字符串压缩接近）。

• 分析能力：Hive支持完整SQL92，并且没有计算量的限制，分析能力最强。ClickHouse支持的是有限SQL集，对常见的场景足够用。接下来是ES、Loki最弱。

• 查询速度：在建立索引情况下，ES是当之无愧的王者。基于MPP引擎的ClickHouse次之（对于带计算的分析，ClickHouse是最强的）。

• 分析成本：Loki最高，读取数据后大部分工作都需要外围完成。

• 查询成本：ES读取数据量最少，因此最优，接下来是ClickHouse，Hive和Loki。

从需求角度而言，是否有一种更综合架构？
为什么会有这么多的选择呢？主要是由二个因素决定的：处理需求 vs 实现成本。我们先从需求出发，看看业务需要什么？

对Nginx、App访问日志而言，一般有如下典型用途：

• 第一阶段（数据产生1分钟内）：程序要看到实时业务，运营客服人员需要查看轨迹定位问题。这种场景一般都在小时内， 查询频率比较高。

• 第二阶段（数据产生1-2小时左右）：业务需要洞察数据，一般都是小时级或天级别。查询频率一般，往往也都是针对于聚合后的数据。

• 第三阶段（一天后）：审计需要，业务需要看趋势数据。查询频率比较低，往往是点查（例如回溯一个历史问题）。

第一阶段：实时性和延时更重要

这个阶段数据实时性变得无比重要，例如用户付款投诉时，我们需要快速通过TraceId来定位后台的用户行为。我们需要根据业务访问的QPS、下单率等快速在日志中找到错误日志。需要根据业务流量情况、趋势来调度资源。

典型的访问如下：

这个阶段大部分分析都是集中在最近5分钟时间内的数据，这些数据会被频繁访问到，并且Query条件变化范围会非常大。比较典型组合是TSDB/NoSQL/SQL + ES + ClickHouse，存储和计算成本会稍微大一些，但比起线上关键业务而言花一些钱还是值得的。

第二阶段（天级）：比拼分析能力
第二个阶段业务需求会更复杂，这个阶段主要面向的是精细化需求。例如从延时、成功率等指标去度量接口稳定性，服务质量等。运营根据数据对比来发现群体特征，用来构筑质量体系等。运营会根据数据来确定投放、牵引等策略。

这个阶段访问模式包含两种：

第三阶段（月级）：比拼成本
这个阶段数据的访问往往两极分化：趋势型分析，一般可以通过预处理技术提前降低数据量来解决。大规模数据的统计、大规模数据中查找极小部分数据。后者一般发生的概率非常低，但每次几乎都是突发需求，如果能在较短的延时内获得结果对体验是最好的。

定量分析：

1. 存储成本
原始数据量为X，倒排索引的数据量为原始数据的a倍，列存储空间为原始数据的b倍，需要预留的空间（例如redo log、reserved space）为c倍，每GB介质成本是e，为了保证可靠性，需要的副本是d。

存储成本为 Y=X*(a+b+c)*d*e，经过我们对不同存储计算，每GB成本范围在3.12元/GB*Month -> 0.05 元/GB*Month之间。当然这个背后查询延时与IOPS也是不同的，例如成本更高方案可以支持1000次/S IOPS，而低成本方案只能做到5次/S，在多人使用情况下可能会被打爆。

2. 计算/处理成本
做个简单的计算，可以分解为，需要处理X GB原始数据，需要消耗的资源。在业务模式固定场景下，我们可以根据处理费用，查询费用计算出需要消耗的计算资源，例如100Core、50GB内存，最大化降低计算成本。
在有一些特殊场景下，例如突然遍历几个TB数据，计算、查询某个结果情况下，需要额外计算机器+提供额外IOPS能力。

从以上定量分析我们可以得到：

1. 不同类型的方案，本质上是IOPS、Latency、成本三个因素的平衡。

2. 三个因素不同的比例，满足各个阶段业务需求，是否需要实时性、访问频率如何、IOPS如何，突发性怎么样。

3. 不同方案之间，可以通过数据同步工具（例如Kafka）来迁移。

阿里云如何解决这个问题？

日志分析是一个如此通用的需求，在阿里、蚂蚁金服内部也有这样一套基础设施-SLS（日志服务），支撑数万工程师每日十几亿次的分析需求，涉及研发支撑（DevOps）、大数据运维（AIOps）、大数据安全（SecOps）、成本分析与增长（BusinessOps）等场景。

SLS解决以上问题主要思路如下：

1. 一套统一数据访问接口
ES、Hbase、MySQL、ClickHouse、Hive都有自己的API，为了能够对接不同的应用场景，为了使用得在上层做大量的开发工作。当目标系统发生变化时，我们需要数据迁移工具，例如Kafka、Flink等进行数据ETL与转化。

而在SLS设计中，数据的查询分析都通过SQL进行（也能通过标准JDBC访问），这样无论是查询时序数据、Log、Trace数据都能快速拿到结果，最大程度上支持DevOps工具、上层业务创新。

更多参考：

• 从运维和SRE角度看监控分析平台建设

2. Serverless存储+计算设计，低成本弹性能力

SLS 提供统一存储与计算能力，相对其他方案：

• 默认提供N副本（对用户透明），保证可靠性。热数据存储单价为0.35元/GB*Month，冷数据存储单价仅为1/3（即将上线），超过6个月数据，在使用不变情况下可以设置为冷存储降低成本。

• 写入按量收费，无预留收费，可以精确规划成本。

• 查询分析免费（99.9%情况下），每秒钟可以提供千级IOPS查询能力，几十IOPS分析能力（相当于能并发Hive/ClickHouse查询），无需预留资源。

• 当因业务需要突发大数据查询场景时（0.1%情况），可以申请独立计算资源加速，而无需数仓方案等待几十分钟出结果。

更多参考：

• SLS SQL：融合ElasticSearch和ClickHouse的极速查询分析能力

3. 提供BuildIn内部数据流动，降低成本

素材及格式整理：IT运维技术圈

来源：https://zhuanlan.zhihu.com/p/396211457