ES分片均衡策略分析与改进

从故障说起

某日早高峰收到 Elasticsearch 大量查询超时告警，不同于以往，查看 Elasticsearch 查询队列监控后发现，仅123节点存在大量查询请求堆积。

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各节点查询队列堆积情况

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查看节点监控发现，123节点的 IO 占用远高于其他节点。

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节点间IO占用对比

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最终查明原因是，某些高负载（高读写 qps、大数据量、复杂查询）的索引分片相对集中在123节点上，导致整体集群节点间负载不均衡，严重时甚至引发故障。那么这种现象是普遍存在的吗？

在观察了其他集群后发现，各个集群均有不同程度的"负载不均衡"现象，同为数据节点，有的 IO 比其他节点高出一倍以上，有的 CPU 占用大幅超过其他节点。我们知道 Elasticsearch 的读写速度遵循木桶原理，即某台节点如果表现不佳的话会拖慢整个请求的 RT。严重时甚至出现线上故障。因此，尽可能的保持节点间负载的均衡，既能保证集群性能处于最优状态，又能最大限度利用硬件资源，保障集群稳定性。

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各节点IO占用情况

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各节点CPU占用情况

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然而，其实 Elasticsearch 自己是有集群分配自动均衡能力的，但是为什么还会出现上述情况呢？这里需要我们深入分析一下。

ES分片均衡策略

概念

首先来看下 LLM 对 Elasticsearch 分片均衡的解释：

Elasticsearch 的分片均衡是指将索引的分片均匀地分布在集群中的各个节点上，以实现负载均衡和高可用性。在 Elasticsearch 中，索引被分为多个分片，每个分片可以在不同的节点上进行存储和处理。分片均衡的目标是确保每个节点上的分片数量大致相等，避免某些节点负载过重，而其他节点负载较轻的情况。

似乎只提到了"确保每个节点上的分片数量大致相等"，事实是这样吗？ 不多说，直接翻源码一探究竟。

均衡策略

这里展示了核心的分片权重计算部分代码，indexBalance 和 shardBalance 分别表示索引维度权重因子和分片维度权重因子。node.numShards() 表示该节点目前总共的分片数。balancer.avgShardsPerNode() 表示总分片数/总结点数，也就是理想状态下单个节点应该被分配的分片数。 node.numShards(index) 表示该索引在当前节点的分片数。balancer.avgShardsPerNode(index) 表示该索引总分片数/总结点数，也就是理想状态下单个节点该索引应该被分配的分片数。

  WeightFunction(float indexBalance, float shardBalance) {
    float sum = indexBalance + shardBalance;
    if (sum <= 0.0f) {
        throw new IllegalArgumentException("Balance factors must sum to a value > 0 but was: " + sum);
    }
    theta0 = shardBalance / sum;
    theta1 = indexBalance / sum;
    this.indexBalance = indexBalance;
    this.shardBalance = shardBalance;
  }
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  float weight(Balancer balancer, ModelNode node, String index) {
    final float weightShard = node.numShards() - balancer.avgShardsPerNode();
    final float weightIndex = node.numShards(index) - balancer.avgShardsPerNode(index);
    return theta0 * weightShard + theta1 * weightIndex;
  }

即权重公式为：分片权重因子 * (当前节点分片数 - 理想平均分片数) + 索引权重因子 * (当前节点该索引分片数 - 理想该索引平均分片数)

  // get the delta between the weights of the node we are checking and the node that holds the shard
  float currentDelta = absDelta(nodeWeight, currentWeight);
  // checks if the weight delta is above a certain threshold; if it is not above a certain threshold,
  // then even though the node we are examining has a better weight and may make the cluster balance
  // more even, it doesn't make sense to execute the heavyweight operation of relocating a shard unless
  // the gains make it worth it, as defined by the threshold
  boolean deltaAboveThreshold = lessThan(currentDelta, threshold) == false;

当我们得到节点当前的权重后，下一步需要和其他节点权重相比较，若权重差值超过 threshold ，则认为当前分片分布不均匀，需要重新均衡。

相关配置

上述逻辑涉及到以下几个配置：

• cluster.routing.allocation.balance.shard: 0.45f（默认）

  • 分片权重因子 越高节点层面分片数量的均衡权重越高

• cluster.routing.allocation.balance.index: 0.55f（默认）

  • 索引权重因子 越高索引层面分片数量的均衡权重越高

• cluster.routing.allocation.balance.threshold: 1.0f（默认）

  • 重新分配分片阈值 越高触发自均衡的条件越苛刻

除此之外还有以下配置涉及分片分布、均衡：

• cluster.routing.allocation.total_shards_per_node: -1（默认）

  • 单节点最大允许的分片数量，默认不限制

• cluster.routing.allocation.cluster_concurrent_rebalance: 2（默认）

  • 集群内因"不均衡"而触发的最大分片迁移并发数量。

• cluster.routing.allocation.node_concurrent_recoveries: 2（默认）

  • 单个节点因"不均衡"而触发的最大分片迁移并发数量。

举个栗子

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分片均衡前

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假设当前集群有两个节点，两个索引（A索引4分片，B索引2分片，C索引2分片），分布状态如上图。

此时Node 1的权重为 0.45 * (4 - 3) + 0.55 * (2 - 1.5) = 0.725，Node 2的权重为0.45 * (2 - 3) + 0.55 * (1 - 1.5) = -0.725。Node 1和Node 2的权重差为 1.45 超过了阈值 1,此时就可能出发索引分片迁移。将分配从高权重节点挪到低权重节点。

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分片均衡后

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触发条件

在实际生产环境中，有时尽管满足了上述的"权重公式"，但却没有发生分配自动均衡。这是因为除了满足"权重公式"以外，还需要满足以下条件。

均衡范围

• cluster.routing.rebalance.enable: all

  • all：允许所有分片自动均衡（默认）
  • primaries：只允许主分片自动均衡
  • replicas：只允许副本分片自动均衡
  • none：不允许自动均衡

    public Decision canRebalance(ShardRouting shardRouting, RoutingAllocation allocation) {
      if (allocation.ignoreDisable()) {
        return allocation.decision(Decision.YES, NAME, "allocation is explicitly ignoring any disabling of rebalancing");
      }
  ​
      Settings indexSettings = allocation.metadata().getIndexSafe(shardRouting.index()).getSettings();
      final Rebalance enable;
      final boolean usedIndexSetting;
      if (INDEX_ROUTING_REBALANCE_ENABLE_SETTING.exists(indexSettings)) {
        enable = INDEX_ROUTING_REBALANCE_ENABLE_SETTING.get(indexSettings);
        usedIndexSetting = true;
      } else {
        enable = this.enableRebalance;
        usedIndexSetting = false;
      }
      switch (enable) {
        case ALL:
          return allocation.decision(Decision.YES, NAME, "all rebalancing is allowed");
        case NONE:
          return allocation.decision(Decision.NO, NAME, "no rebalancing is allowed due to %s", setting(enable, usedIndexSetting));
        case PRIMARIES:
          if (shardRouting.primary()) {
            return allocation.decision(Decision.YES, NAME, "primary rebalancing is allowed");
          } else {
            return allocation.decision(
              Decision.NO,
              NAME,
              "replica rebalancing is forbidden due to %s",
              setting(enable, usedIndexSetting)
            );
          }
        case REPLICAS:
          if (shardRouting.primary() == false) {
            return allocation.decision(Decision.YES, NAME, "replica rebalancing is allowed");
          } else {
            return allocation.decision(
              Decision.NO,
              NAME,
              "primary rebalancing is forbidden due to %s",
              setting(enable, usedIndexSetting)
            );
          }
        default:
          throw new IllegalStateException("Unknown rebalance option");
      }
    }

分片状态

不健康的分片状态，可能会导致分片均衡失败，甚至因失败而丢失数据。

• cluster.routing.allocation.allow_rebalance: indices_all_active

  • always：无视分片状态，始终允许自动均衡
  • indices_primaries_active：仅在所有主分片可用时
  • indices_all_active：仅当所有分片都激活时（默认）

    public Decision canRebalance(RoutingAllocation allocation) {
      final RoutingNodes routingNodes = allocation.routingNodes();
      switch (type) {
        case INDICES_PRIMARIES_ACTIVE:
          // check if there are unassigned primaries.
          if (routingNodes.hasUnassignedPrimaries()) {
            return NO_UNASSIGNED_PRIMARIES;
          }
          // check if there are initializing primaries that don't have a relocatingNodeId entry.
          if (routingNodes.hasInactivePrimaries()) {
            return NO_INACTIVE_PRIMARIES;
          }
          return YES_ALL_PRIMARIES_ACTIVE;
        case INDICES_ALL_ACTIVE:
          // check if there are unassigned shards.
          if (routingNodes.hasUnassignedShards()) {
            return NO_UNASSIGNED_SHARDS;
          }
          // in case all indices are assigned, are there initializing shards which
          // are not relocating?
          if (routingNodes.hasInactiveShards()) {
            return NO_INACTIVE_SHARDS;
          }
          // fall-through
        default:
          // all shards active from above or type == Type.ALWAYS
          return YES_ALL_SHARDS_ACTIVE;
      }
    }

磁盘水位

如果分片均衡的目标节点磁盘使用率过高，此时不应该继续往改节点分配分片。

• cluster.routing.allocation.disk.threshold_enabled: true（默认）

  • 启用基于磁盘的分发策略

• cluster.routing.allocation.disk.watermark.low: "85%"（默认）

  • 硬盘使用率高于这个值的节点，则不会分配分片

• cluster.routing.allocation.disk.watermark.high: "90%"（默认）

  • 如果硬盘使用率高于这个值，则会重新分片该节点的分片到别的节点

  public Decision canAllocate(ShardRouting shardRouting, RoutingNode node, RoutingAllocation allocation) {
​
    ... ...
​
    if (freeDiskPercentage < diskThresholdSettings.getFreeDiskThresholdLow()) {
      // If the shard is a replica or is a non-empty primary, check the low threshold
      if (skipLowThresholdChecks == false) {
        if (logger.isDebugEnabled()) {
          logger.debug(
            "more than the allowed {} used disk threshold ({} used) on node [{}], preventing allocation",
            Strings.format1Decimals(usedDiskThresholdLow, "%"),
            Strings.format1Decimals(usedDiskPercentage, "%"),
            node.nodeId()
          );
        }
        return allocation.decision(
          Decision.NO,
          NAME,
          "the node is above the low watermark cluster setting [%s=%s], using more disk space than the maximum allowed [%s%%], actual free: [%s%%]",
          CLUSTER_ROUTING_ALLOCATION_LOW_DISK_WATERMARK_SETTING.getKey(),
          diskThresholdSettings.getLowWatermarkRaw(),
          usedDiskThresholdLow,
          freeDiskPercentage
        );
      }
    }
​
   ... ...
​
    if (freeBytes < diskThresholdSettings.getFreeBytesThresholdHigh().getBytes()) {
      if (logger.isDebugEnabled()) {
        logger.debug(
          "less than the required {} free bytes threshold ({} bytes free) on node {}, shard cannot remain",
          diskThresholdSettings.getFreeBytesThresholdHigh(),
          freeBytes,
          node.nodeId()
        );
      }
      return allocation.decision(
        Decision.NO,
        NAME,
        "the shard cannot remain on this node because it is above the high watermark cluster setting [%s=%s] "
          + "and there is less than the required [%s] free space on node, actual free: [%s]",
        CLUSTER_ROUTING_ALLOCATION_HIGH_DISK_WATERMARK_SETTING.getKey(),
        diskThresholdSettings.getHighWatermarkRaw(),
        diskThresholdSettings.getFreeBytesThresholdHigh(),
        new ByteSizeValue(freeBytes)
      );
    }
​
   ... ...
​
  }

原来如此，Elasticsearch 的分片均衡策略并没有我们想象中的那么智能，甚至可以说是简陋。光从分片的数量出发做均衡显然是不明智的，忽略了数据量、读写复杂度、热点流量、热点数据分布、硬件差异等重要参考因素，达不到生产所需要的要求。既然知道了这东西好像不太靠谱，那我们该如何进一步的提高分片"负载均衡度"呢？

如何改进

分片数量调整

这个方法最简单，0门槛。只需确保索引的分片数量是集群的数据节点数量的整数倍即可。结合 Elasticsearch 的自动均衡策略，不考虑主副差异的话,可以做到相对完美的均衡。

但也有一些缺点和副作用：

• 节点数量比较多的话，分片数量设置不灵活，要么太多，过度消耗 CPU 资源，要么太少，单分片数据量过大。
• 随着业务的变迁，集群规模往往会发生变动，尤其是数据节点。一旦发生变动，之前保持的平衡被完全破坏。需要话大把的精力修改分片数量、重建索引再次保持平衡（大规模的集群基本做不到）。
• 不兼容集群的动态扩缩容

自研分片均衡工具

我们需要一个在任意分片数量下也尽可能保持负载均衡的策略/工具。

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分片均衡工具

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为了确保最终实现的是真正的负载均衡，因此，分片均衡的依据只能是集群的负载（而不是数量）。

首先确定几个需要平衡的指标，如 CPU 、 IO 、MBPS、RAM 等。对数据节点上的这些指标做监控，并统一送到均衡工具侧分析处理。

给定公式

<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> E ∗ i = o × I O ∗ i + d × M B P S ∗ i + c × C P U ∗ i + r × R A M i {E} *{i}=o\times {IO}* {i}+d\times {MBPS} *{i}+c\times {CPU}* {i}+r\times {RAM}_{i} </math>E∗i=o×IO∗i+d×MBPS∗i+c×CPU∗i+r×RAMi

表示节点i的负载指标，o、d、c、r 分别为 IO 使用率、网络带宽使用率、CPU 使用率、内存使用率。

当负载指标出现不均衡时，如最高的节点超过最低的节点50%，且最高的节点此项负载达到50%以上时。此时需要将高负载节点上的部分分片均衡到低负载节点上。

此时，结合 Elasticsearch 业务网关侧的流量指标数据，取请求时长最高（请求数量 * avg(RT)）的索引（热点索引），若该索引分片在高负载节点上的数量多于低负载节点，则将该索引的高负载节点分片迁移到低负载节点，单次只迁移一个分片。否则取下一个时长最高的索引分析处理。

在实际生产环境中，分片迁移会带来额外的 IO 开销，这极有可能会影响到线上业务，甚至加剧"不平衡"。因此，我们需要确保分片只在可允许的时间范围内迁移。由于我们的业务晚上负载大幅降低，因此晚上是我们的分片迁移窗口。

有些集群的业务比较特殊或者重要，也可以选择不自动迁移分片，只提供分片可平衡预警。

​

分片均衡流程

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未来展望

智能化均衡策略

未来的分片均衡工具可能会更智能化，可能会引入更复杂的算法，以更准确地评估节点间的负载状况，从而更精准地进行分片迁移和分配。

实时监控和反馈

未来的工具可能会提供更实时的监控和反馈机制，可以及时发现节点负载不均衡的情况，并采取相应的措施。这可能包括更频繁的监控检测、更灵活的告警机制以及更快速的响应方式，以便更快地调整分片的分布。

动态迁移窗口

为了减少对线上业务的影响，未来的工具可能会引入更智能的分片迁移策略。这可能包括在业务低谷期间动态选择分片迁移窗口，以最小化对实时业务的干扰。

自定义调整策略

未来工具可能会提供更多的可配置选项，允许用户根据自己的业务特性和需求定制分片均衡策略。这可能包括调整均衡阈值、指定特定索引的均衡规则等。

总结一下

基于 Elasticsearch 的读写原理及特性：

读的时候：取所有节点的查询数据汇总并返回最终结果。

写的时候：确保主分片和副本分片都写入成功后，才返回写入成功。

不均衡的集群节点，会导致读写RT上涨，严重时请求堆积甚至拒绝从而产生故障。节点均衡能最大限度的发挥 Elasticsearch 底层硬件的能力，提高资源利用率。而 Elasticsearch 的分片均衡策略比我们想象的弱的多的多，千万步v不要盲目信任（来自故障的血的教训），单纯的做到分片数量均衡并不代表节点负载就均衡了。在实际生产中，不同分片的数据量、数据热度、读写复杂度均不相同，要做到真正的节点间负载均衡只能从"负载"出发。结合集群、业务两方面的监控数据，分析对节点负载影响最大的索引、分片，优先均衡高负载分片，最少迁移分片，最快均衡分片。

参考文献

Elasticsearch源码

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