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Elasticsearch 是一個實時的分布式搜索分析引擎，它的底層是構(gòu)建在 Lucene 之上的。簡單來說是通過擴展 Lucene 的搜索能力，使其具有分布式的功能。

ES 通常會和其它兩個開源組件 Logstash（日志采集）和 Kibana（儀表盤）一起提供端到端的日志/搜索分析的功能，常常被簡稱為 ELK。

Clickhouse 是俄羅斯搜索巨頭 Yandex 開發(fā)的面向列式存儲的關系型數(shù)據(jù)庫。ClickHouse 是過去兩年中 OLAP 領域中最熱門的，并于 2016 年開源。

ES 是最為流行的大數(shù)據(jù)日志和搜索解決方案，但是近幾年來，它的江湖地位受到了一些挑戰(zhàn)，許多公司已經(jīng)開始把自己的日志解決方案從 ES 遷移到了 Clickhouse，這里就包括：攜程，快手等公司。

架構(gòu)和設計的對比

ES 的底層是 Lucenc，主要是要解決搜索的問題。搜索是大數(shù)據(jù)領域要解決的一個常見的問題，就是在海量的數(shù)據(jù)量要如何按照條件找到需要的數(shù)據(jù)。搜索的核心技術是倒排索引和布隆過濾器。

ES 通過分布式技術，利用分片與副本機制，直接解決了集群下搜索性能與高可用的問題。

ElasticSearch 是為分布式設計的，有很好的擴展性，在一個典型的分布式配置中，每一個節(jié)點（node）可以配制成不同的角色。

如上圖所示：

Client Node，負責 API 和數(shù)據(jù)的訪問的節(jié)點，不存儲／處理數(shù)據(jù)。
Data Node，負責數(shù)據(jù)的存儲和索引。
Master Node，管理節(jié)點，負責 Cluster 中的節(jié)點的協(xié)調(diào)，不存儲數(shù)據(jù)。

ClickHouse 是基于 MPP 架構(gòu)的分布式 ROLAP（關系 OLAP）分析引擎。每個節(jié)點都有同等的責任，并負責部分數(shù)據(jù)處理（不共享任何內(nèi)容）。

ClickHouse 是一個真正的列式數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（DBMS)。在 ClickHouse 中，數(shù)據(jù)始終是按列存儲的，包括矢量（向量或列塊）執(zhí)行的過程。

讓查詢變得更快，最簡單且有效的方法是減少數(shù)據(jù)掃描范圍和數(shù)據(jù)傳輸時的大小，而列式存儲和數(shù)據(jù)壓縮就可以幫助實現(xiàn)上述兩點。

Clickhouse 同時使用了日志合并樹，稀疏索引和 CPU 功能（如 SIMD 單指令多數(shù)據(jù)）充分發(fā)揮了硬件優(yōu)勢，可實現(xiàn)高效的計算。

Clickhouse 使用 Zookeeper 進行分布式節(jié)點之間的協(xié)調(diào)。

為了支持搜索，Clickhouse 同樣支持布隆過濾器。

查詢對比實戰(zhàn)

為了對比 ES 和 Clickhouse 的基本查詢能力的差異，我寫了一些代碼來驗證：

https://github.com/gangtao/esvsch

這個測試的架構(gòu)如下：

架構(gòu)主要有四個部分組成：

①ES stack

ES stack 有一個單節(jié)點的 Elastic 的容器和一個 Kibana 容器組成，Elastic 是被測目標之一，Kibana 作為驗證和輔助工具。

部署代碼如下：

version: '3.7'

services:
  elasticsearch:
    image: docker.elastic.co/elasticsearch/elasticsearch:7.4.0
    container_name: elasticsearch
    environment:
      - xpack.security.enabled=false
      - discovery.type=single-node
    ulimits:
      memlock:
        soft: -1
        hard: -1
      nofile:
        soft: 65536
        hard: 65536
    cap_add:
      - IPC_LOCK
    volumes:
      - elasticsearch-data:/usr/share/elasticsearch/data
    ports:
      - 9200:9200
      - 9300:9300
    deploy:
      resources:
        limits:
          cpus: '4'
          memory: 4096M
        reservations:
          memory: 4096M

  kibana:
    container_name: kibana
    image: docker.elastic.co/kibana/kibana:7.4.0
    environment:
      - ELASTICSEARCH_HOSTS=http://elasticsearch:9200
    ports:
      - 5601:5601
    depends_on:
      - elasticsearch

volumes:
  elasticsearch-data:
    driver: local

②Clickhouse stack

Clickhouse stack 有一個單節(jié)點的 Clickhouse 服務容器和一個 TabixUI 作為 Clickhouse 的客戶端。

部署代碼如下：

version: "3.7"
services:
  clickhouse:
    container_name: clickhouse
    image: yandex/clickhouse-server
    volumes:
      - ./data/config:/var/lib/clickhouse
    ports:
      - "8123:8123"
      - "9000:9000"
      - "9009:9009"
      - "9004:9004"
    ulimits:
      nproc: 65535
      nofile:
        soft: 262144
        hard: 262144
    healthcheck:
      test: ["CMD", "wget", "--spider", "-q", "localhost:8123/ping"]
      interval: 30s
      timeout: 5s
      retries: 3
    deploy:
      resources:
        limits:
          cpus: '4'
          memory: 4096M
        reservations:
          memory: 4096M

  tabixui:
    container_name: tabixui
    image: spoonest/clickhouse-tabix-web-client
    environment:
      - CH_NAME=dev
      - CH_HOST=127.0.0.1:8123
      - CH_LOGIN=default
    ports:
      - "18080:80"
    depends_on:
      - clickhouse
    deploy:
      resources:
        limits:
          cpus: '0.1'
          memory: 128M
        reservations:
          memory: 128M

③數(shù)據(jù)導入 stack

數(shù)據(jù)導入部分使用了 Vector.dev 開發(fā)的 vector，該工具和 fluentd 類似，都可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)管道式的靈活的數(shù)據(jù)導入。

④測試控制 stack

測試控制我使用了 Jupyter，使用了 ES 和 Clickhouse 的 Python SDK 來進行查詢的測試。

用 Docker compose 啟動 ES 和 Clickhouse 的 stack 后，我們需要導入數(shù)據(jù)，我們利用 Vector 的 generator 功能，生成 syslog，并同時導入 ES 和 Clickhouse。

在這之前，我們需要在 Clickhouse 上創(chuàng)建表。ES 的索引沒有固定模式，所以不需要事先創(chuàng)建索引。

創(chuàng)建表的代碼如下：

CREATE TABLE default.syslog(
    application String,
    hostname String,
    message String,
    mid String,
    pid String,
    priority Int16,
    raw String,
    timestamp DateTime('UTC'),
    version Int16
) ENGINE = MergeTree()
    PARTITION BY toYYYYMMDD(timestamp)
    ORDER BY timestamp
    TTL timestamp + toIntervalMonth(1);

創(chuàng)建好表之后，我們就可以啟動 vector，向兩個 stack 寫入數(shù)據(jù)了。vector 的數(shù)據(jù)流水線的定義如下：

[sources.in]
  type = "generator"
  format = "syslog"
  interval = 0.01
  count = 100000

[transforms.clone_message]
  type = "add_fields"
  inputs = ["in"]
  fields.raw = "{{ message }}"

[transforms.parser]
  # General
  type = "regex_parser"
  inputs = ["clone_message"]
  field = "message" # optional, default
  patterns = ['^<(?P<priority>\d*)>(?P<version>\d) (?P<timestamp>\d{4}-\d{2}-\d{2}T\d{2}:\d{2}:\d{2}\.\d{3}Z) (?P<hostname>\w+\.\w+) (?P<application>\w+) (?P<pid>\d+) (?P<mid>ID\d+) - (?P<message>.*)$']

[transforms.coercer]
  type = "coercer"
  inputs = ["parser"]
  types.timestamp = "timestamp"
  types.version = "int"
  types.priority = "int"

[sinks.out_console]
  # General
  type = "console"
  inputs = ["coercer"] 
  target = "stdout" 

  # Encoding
  encoding.codec = "json" 


[sinks.out_clickhouse]
  host = "http://host.docker.internal:8123"
  inputs = ["coercer"]
  table = "syslog"
  type = "clickhouse"

  encoding.only_fields = ["application", "hostname", "message", "mid", "pid", "priority", "raw", "timestamp", "version"]
  encoding.timestamp_format = "unix"

[sinks.out_es]
  # General
  type = "elasticsearch"
  inputs = ["coercer"]
  compression = "none" 
  endpoint = "http://host.docker.internal:9200" 
  index = "syslog-%F"

  # Encoding

  # Healthcheck
  healthcheck.enabled = true

這里簡單介紹一下這個流水線：

source.in：生成 syslog 的模擬數(shù)據(jù)，生成 10w 條，生成間隔和 0.01 秒。
transforms.clone_message：把原始消息復制一份，這樣抽取的信息同時可以保留原始消息。
transforms.parser：使用正則表達式，按照 syslog 的定義，抽取出 application，hostname，message，mid，pid，priority，timestamp，version 這幾個字段。
transforms.coercer：數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)化。
sinks.out_console：把生成的數(shù)據(jù)打印到控制臺，供開發(fā)調(diào)試。
sinks.out_clickhouse：把生成的數(shù)據(jù)發(fā)送到Clickhouse。
sinks.out_es：把生成的數(shù)據(jù)發(fā)送到 ES。

運行 Docker 命令，執(zhí)行該流水線：

docker run \
        -v $(mkfile_path)/vector.toml:/etc/vector/vector.toml:ro \
        -p 18383:8383 \
        timberio/vector:nightly-alpine

數(shù)據(jù)導入后，我們針對一下的查詢來做一個對比。ES 使用自己的查詢語言來進行查詢，Clickhouse 支持 SQL，我簡單測試了一些常見的查詢，并對它們的功能和性能做一些比較。

返回所有的記錄：

# ES
{
  "query":{
    "match_all":{}
  }
}

# Clickhouse 
"SELECT * FROM syslog"

匹配單個字段：

# ES
{
  "query":{
    "match":{
      "hostname":"for.org"
    }
  }
}

# Clickhouse 
"SELECT * FROM syslog WHERE hostname='for.org'"

匹配多個字段：

# ES
{
  "query":{
    "multi_match":{
      "query":"up.com ahmadajmi",
        "fields":[
          "hostname",
          "application"
        ]
    }
  }
}

# Clickhouse、
"SELECT * FROM syslog WHERE hostname='for.org' OR application='ahmadajmi'"

單詞查找，查找包含特定單詞的字段：

# ES
{
  "query":{
    "term":{
      "message":"pretty"
    }
  }
}

# Clickhouse
"SELECT * FROM syslog WHERE lowerUTF8(raw) LIKE '%pretty%'"

范圍查詢，查找版本大于 2 的記錄：

# ES
{
  "query":{
    "range":{
      "version":{
        "gte":2
      }
    }
  }
}

# Clickhouse
"SELECT * FROM syslog WHERE version >= 2"

查找到存在某字段的記錄：

# ES
{
  "query":{
    "exists":{
      "field":"application"
    }
  }
}

# Clickhouse
"SELECT * FROM syslog WHERE application is not NULL"

ES 是文檔類型的數(shù)據(jù)庫，每一個文檔的模式不固定，所以會存在某字段不存在的情況；而 Clickhouse 對應為字段為空值。

正則表達式查詢，查詢匹配某個正則表達式的數(shù)據(jù)：

# ES
{
  "query":{
    "regexp":{
      "hostname":{
        "value":"up.*",
          "flags":"ALL",
            "max_determinized_states":10000,
              "rewrite":"constant_score"
      }
    }
  }
}

# Clickhouse
"SELECT * FROM syslog WHERE match(hostname, 'up.*')"

聚合計數(shù)，統(tǒng)計某個字段出現(xiàn)的次數(shù)：

# ES
{
  "aggs":{
    "version_count":{
      "value_count":{
        "field":"version"
      }
    }
  }
}

# Clickhouse
"SELECT count(version) FROM syslog"

聚合不重復的值，查找所有不重復的字段的個數(shù)：

# ES
{
  "aggs":{
    "my-agg-name":{
      "cardinality":{
        "field":"priority"
      }
    }
  }
}

# Clickhouse
"SELECT count(distinct(priority)) FROM syslog "

我用 Python 的 SDK，對上述的查詢在兩個 Stack 上各跑 10 次，然后統(tǒng)計查詢的性能結(jié)果。

我們畫出出所有的查詢的響應時間的分布：

總查詢時間的對比如下：

通過測試數(shù)據(jù)我們可以看出 Clickhouse 在大部分的查詢的性能上都明顯要優(yōu)于 Elastic。

在正則查詢（Regex query）和單詞查詢（Term query）等搜索常見的場景下，也并不遜色。

在聚合場景下，Clickhouse 表現(xiàn)異常優(yōu)秀，充分發(fā)揮了列村引擎的優(yōu)勢。

注意，我的測試并沒有任何優(yōu)化，對于 Clickhouse 也沒有打開布隆過濾器?？梢?Clickhouse 確實是一款非常優(yōu)秀的數(shù)據(jù)庫，可以用于某些搜索的場景。

當然 ES 還支持非常豐富的查詢功能，這里只有一些非?；镜牟樵?，有些查詢可能存在無法用 SQL 表達的情況。

總結(jié)

本文通過對于一些基本查詢的測試，對比了 Clickhouse 和 Elasticsearch 的功能和性能。

測試結(jié)果表明，Clickhouse 在這些基本場景表現(xiàn)非常優(yōu)秀，性能優(yōu)于 ES，這也解釋了為什么用很多的公司應從 ES 切換到 Clickhouse 之上。

作者：Gang Tao

編輯： 51CTO技術棧 | 陶家龍

出處：zhuanlan.zhihu.com/p/353296392

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