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京东ES支持ZSTD压缩算法上线了:高性能,低成本_es 压缩传输

es 压缩传输

京东 ES 支持 ZSTD 压缩算法上线了,这是一种高性能、低成本的压缩算法,能够提高数据存储和传输的效率,同时降低存储和带宽成本。ZSTD 算法是一种快速压缩算法,可提供比其他压缩算法更高的压缩比和更快的压缩速度。这意味着,京东 ES 用户可以更高效地存储和传输数据,同时节省存储和带宽成本。此外,ZSTD 算法还具有更好的可扩展性和鲁棒性,可满足大规模分布式系统的需求。因此,京东 ES 支持 ZSTD 压缩算法上线,将为用户带来更高的性能、更低的成本和更好的体验。

01 前言

在今年的敏捷团队建设中,我通过 Suite 执行器实现了一键自动化单元测试。Juint 除了 Suite 执行器还有哪些执行器呢?由此我的 Runner 探索之旅开始了!

在 2022 年 10 月份《ElasticSearch 降本增效常见的方法》一文中曾提到过 zstd 压缩算法 [1],一步一个脚印,我们终于在京东 ES 上线支持了 zstd;我觉得促使目标完成主要以下几点原因:

1.Elastic 官方原因:zstd 压缩算法没有在 Elastic 官方的开发计划中;Elastic 的 licenes 变更,很多功能使用受限

2.ES 产品竞争力:提升京东 ES 产品在业界的竞争力,两大云友商和其他大厂都在陆续支持,在对外比拼的时候,我们需要提升我们这方面的能力

  1. 信创大背景:我们需要对开源组件有更好的自主管控和建设能力

  2. 京东零售 ES 与云 ES 产品融合:有更好的机会去打磨我们的 ES 内核

  3. 降本增效:ztsd 压缩算法,能够在降低存储成本的前提下,保证性能几乎不受损,写入性能还有所提升

02 测试结果

测试集群配置:4c8g; 3 个数据节点;

测试索引设置:3 主分片 1 副本

测试数据 mapping: keyword 字段 14 个,geo_point 字段 3 个,integer 字段 2 个,text 字段 1 个,date 字段:2 个,ip 类型字段 1 个,boolean 字段 1 个

在考虑到读写性能和压缩比均衡的情况下,我们推荐使用 jd_zstd (压缩等级 3):

jd_zstd (压缩等级 3) 写入性能相对于 best_compression 提升 38.46%,相对于 lz 提升 5.88%;

jd_zstd (压缩等级 3) 存储相对于 lz4 节省 24%,与 best_compression 基本持平,单位写的 gb 实际是要比 best_compression 的存储量小。

下表为 es6.8.23 版本,在 cpu 压测到 100% 时,不通压缩算法下 ES 的 bulk、termquery、rangequery、matchquery 等 TPS 以及压缩比测试结果:

注意⚠️:测试数据仅供参考,实际情况与用户数据有关

03 适用场景

写多读少的场景,比如日志和监控场景。

04 使用方法

云上 ES 等待上线后,可以进行申请

目前我们暂时只在内部泰山零售 ES 上线,支持 7.X 和 6.8.23 版本;后续会在云舰 ES 和公有云 ES 上线,由于 licenes 的限制,我们将只推出 6.8.23 版本。

Q1: 如何申请?

A1: 内部用户:之前在泰山平台申请的杰斯 ES,如果使用的是 7.X 和 6.8.23,可以选择版本升级到最新版本。新建集群,直接提工单申请

Q2 ztsd 如何使用?

A2: 我们在 ES 中支持两种 zstd 压缩等级,用户可以根据自己的业务和数据特性选择合适的压缩等级;ES 创建索引时指定 index.codec:jd_zstd(压缩等级为 3)或者 jd_zstd_6(压缩等级为 6) 即可,其余没有其他任何特殊之处。

注意⚠️:index.codec 的压缩算法不支持动态修改,必须创建索引时设定好。

创建索引zstdtest 压缩等级为 3

PUT zstdtest
{
“settings”: {
“index”: {
“codec”: “jd_zstd”
}
}
}

创建索引zstdtest_6 压缩等级为 3

PUT zstdtest_6
{
“settings”: {
“index”: {
“codec”: “jd_zstd_6”
}
}
}

05 技术实现

首先我们介绍下 ES 与 Lucene 的关系;如下图所示,在集群层面:一个 ES 集群由多个节点组成。数据层面:1 个索引是由多个分片组成的,一个分片可以看是一个 Lucene 实例;一个分片包含多个 segement,一个 segement 即一组数据的最小单元,包含很多的数据文件。

1.Lucene 文件

lucene [2] 的数据文件主要由以下文件组成:

上述的文件大致可以分为以下几类:

行存相关文件:主要包括原文存储文件.fdt 和原文索引文件.fdx。用户写入的原始数据都被存储于.fdt,占比是最大的,Lucene 在原文存储上支持 LZ4 和 ZIP (best_compression) 压缩。在写入数据时,ES 把 doc 原始数据的整个 json 结构体当做一个 string,存储为_source 字段,因此原文存储文件.fdt 中_source 字段占比最大;部分场景为了节省磁盘存储,直接将该字段关闭,数据查询时仍可通过 ES 的 docvalue_fields 获取所有字段的值;

“_source”: {
“enabled”: false
}
注意⚠️:关闭_source 后, update, update_by_query, reindex 等功能无法正常使用,因此有 update 等需求的索引不能关闭_source.

列存相关文件:.dvd 文件,常用于 OLAP 分析,ES 使用列存来支持 sorting, aggregations 和 scripts 功能。不同文档 Document 中的同一列 (Field) 数据相邻存放,加速列聚合分析性查询。相邻每列类型相同,在存储的时候可以进行统一性的编码优化,提高压缩率,减少存储磁盘空间的占用。ES 中字段使用 doc_values 字为 true,即为开启列存储。

索引相关文件:主要文件包括字典数据文件.tim 和倒排索引.doc 文件。ES 依靠分词器产生倒排索引,从而具备强大的全文检索能力。索引配置分词器后,将从摄入文档数据中提取分词信息并存储于.tim 文件。同一列的分词信息相邻存放,按块组织;.doc 文件也被称为 “倒排拉链表”,记录每一个词项所关联的文档 id 列表,实现词项到文档的快速倒排查找。倒排索引也会进行压缩,其压缩算法主要有 Frame Of Reference、Roaring Bitmap 和 fst 等。

向量数据文件:矢量索引 tvx 和矢量数据.tvd 文件,支持以图搜图,和音频的查找等。通过对摄入实体进行矢量化,然后使用向量搜索算法进行检索。相关向量搜索算法有 HNSW [3],近似向量搜索 knn [4];elastic 公司在今年 5 月份左右推出用于人工智能的 Elasticsearch 相关性引擎 ESRE [5]。

zstd 主要压缩为行存储相关文件.fdm、.fdt 和.fdx;如下代码块为压缩文件对比,可以看出在不同的压缩算法中,这几个文件的大小是不同的。

为了节省篇幅部分文件省略

lz4压缩算法索引testlz4 0 号分片

total 2.4G
-rw-r–r-- 1 admin admin 1.2K Nov 16 16:19 _32.fdm
-rw-r–r-- 1 admin admin 1.3G Nov 16 16:19 _32.fdt
-rw-r–r-- 1 admin admin 76K Nov 16 16:19 _32.fdx
-rw-r–r-- 1 admin admin 85M Nov 16 16:21 _32.kdd
-rw-r–r-- 1 admin admin 149M Nov 16 16:21 _32_Lucene80_0.dvd

-rw-r–r-- 1 admin admin 401 Nov 16 16:21 segments_b
-rw-r–r-- 1 admin admin 0 Oct 16 16:05 write.lock

best_compression压缩算法索引 testbestcompression 0 号分片

total 1.9G
-rw-r–r-- 1 admin admin 287 Nov 16 17:01 _2b.fdm
-rw-r–r-- 1 admin admin 781M Nov 16 17:01 _2b.fdt
-rw-r–r-- 1 admin admin 17K Nov 16 17:01 _2b.fdx
-rw-r–r-- 1 admin admin 85M Nov 16 17:03 _2b.kdd
-rw-r–r-- 1 admin admin 148M Nov 16 17:03 _2b_Lucene80_0.dvd

-rw-r–r-- 1 admin admin 401 Nov 16 17:03 segments_a
-rw-r–r-- 1 admin admin 0 Oct 16 16:27 write.lock

zstd压缩等级为3 索引testzstd3 0 号分片

total 1.9G
-rw-r–r-- 1 admin admin 286 Nov 16 17:26 _8e.fdm
-rw-r–r-- 1 admin admin 758M Nov 16 17:26 _8e.fdt
-rw-r–r-- 1 admin admin 15K Nov 16 17:26 _8e.fdx
-rw-r–r-- 1 admin admin 84M Nov 16 17:29 _8e.kdd
-rw-r–r-- 1 admin admin 148M Nov 16 17:29 _8e_Lucene80_0.dvd
-rw-r–r-- 1 admin admin 3.5K Nov 16 17:29

-rw-r–r-- 1 admin admin 402 Nov 16 17:29 segments_9
-rw-r–r-- 1 admin admin 0 Nov 15 16:50 write.lock

zstd压缩等级为6 索引testzstd6 0 号分片

total 1.9G
-rw-r–r-- 1 admin admin 286 Nov 16 16:56 _29.fdm
-rw-r–r-- 1 admin admin 742M Nov 16 16:56 _29.fdt
-rw-r–r-- 1 admin admin 9.8K Nov 16 16:56 _29.fdx
-rw-r–r-- 1 admin admin 86M Nov 16 16:58 _29.kdd
-rw-r–r-- 1 admin admin 148M Nov 16 16:58 _29_Lucene80_0.dvd

-rw-r–r-- 1 admin admin 412 Nov 16 16:58 segments_a
-rw-r–r-- 1 admin admin 0 Oct 16 16:04 write.lock

zstd压缩等级为9 索引testzstd9 0 号分片

total 1.9G
-rw-r–r-- 1 admin admin 286 Nov 16 17:21 _gp.fdm
-rw-r–r-- 1 admin admin 738M Nov 16 17:21 _gp.fdt
-rw-r–r-- 1 admin admin 13K Nov 16 17:21 _gp.fdx
-rw-r–r-- 1 admin admin 85M Nov 16 17:23 _gp.kdd
-rw-r–r-- 1 admin admin 149M Nov 16 17:23 _gp_Lucene80_0.dvd

-rw-r–r-- 1 admin admin 402 Nov 16 17:23 segments_8
-rw-r–r-- 1 admin admin 0 Nov 15 16:50 write.lock
2.ES 侧实现

理论上来说 index.codec 支持的压缩算法最好下沉到 lucene 代码中,目前我们并没有维护 lucene 代码,因此我们直接 ES 侧面代码实现。zstd [1] 算法是基于 C++ 实现,而 ES 是基于 java 编写,因此借助开源的力量,引入 zstd-jni 来实现 zstd 压缩能力。

zstd_jni版本 1.5.5-1

api “com.github.luben:zstd-jni:${versions.zstd_jni}”
在 ES 代码中编写自定义的 index.codec; 扩展 CompressionMode 压缩模式,自定义实现 ZstdCompressor 压缩和 ZstdDecompressor 解压缩方法,可以在这设定 zstd 的压缩等级以及控制读写数据块大小;最后通过 java 的 spl 机制实现加载我们自定义的压缩算法实现类

在 server/src/main/resources/META-INF/services/org.apache.lucene.codecs.Codec 文件中定义如下。

org.elasticsearch.index.codec.custom.ZstdCodec
注意⚠️:由于 ES 节点启动的时候,有 security 检查机制,因此我们需要在 server/src/main/resources/org/elasticsearch/bootstrap/security.policy 文件中添加代码权限授权策略

grant codeBase “${codebase.zstd-jni}” {
permission java.lang.RuntimePermission “loadLibrary.";
permission java.lang.RuntimePermission "libzstd.
”;
};

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