韓 巖 李 曉

（1.中國科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所，新疆 烏魯木齊 830011； 2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

1 概述

日志是一個完整系統(tǒng)里面重要的功能組成部分，其利用特定的形式準(zhǔn)確并且規(guī)范地表達(dá)出系統(tǒng)產(chǎn)生的所有行為，依據(jù)對日志的分析不僅可以對系統(tǒng)自身的性能進(jìn)行有效的優(yōu)化，而且當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時，能夠準(zhǔn)確、及時地定位錯誤，方便加以修正。

目前，隨著互聯(lián)網(wǎng)web2.0的迅速發(fā)展，一個企業(yè)級的服務(wù)器每天產(chǎn)生日志信息是相當(dāng)可觀的，日志分析研究多集中在如何挖掘數(shù)據(jù)，而對如何存儲海量數(shù)據(jù)研究較少。這主要是因?yàn)楹芏嗳罩痉治鱿到y(tǒng)采用了關(guān)系數(shù)據(jù)庫存儲或簡單的順序存儲，如商用的Oracle數(shù)據(jù)庫，免費(fèi)的MySQL。采用關(guān)系數(shù)據(jù)庫存在效率低下的缺點(diǎn)，簡單的順序存儲又存在功能不夠強(qiáng)大、查詢效率低等不足。因此日志處理缺乏一種能高效查詢、適合存儲海量數(shù)據(jù)的管理系統(tǒng)做支撐?，F(xiàn)在處理海量日志系統(tǒng)的方案有很多，大部分是基于分布式的原理來實(shí)現(xiàn)解決的。本文提出一種Fluent與MongoDB相結(jié)合的方法來完成海量日志的存儲。

2 提出問題與方案

2.1 提出問題與方案

對于海量日志存儲與查詢，LZ是一個廣告公司的技術(shù)人員，需要對500M行（5億行）的log信息進(jìn)行存儲和數(shù)據(jù)分析工作，并提出了自己的三種想法：

（1）將海量數(shù)據(jù)存在MySQL中并對每一個字段做索引。

（2）將以上數(shù)據(jù)存在MongoDB中并建立索引。

（3）將所有行加載到Hadoop中，通過MapReduce進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2.2 提出方案的原因

第一方案選擇MySQL的原因：MySQL是一個開放源碼的小型關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，軟件本身具有體積小、速度快、總體擁有成本低的特點(diǎn)。MySQL是跨操作系統(tǒng)、支持多線程、支持多種存儲引擎和查詢速度快的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。MySQL具有關(guān)系數(shù)據(jù)庫的特征，基本可以反映出關(guān)系數(shù)據(jù)庫的特性。

第二種方案選擇MongoDB的原因：MongoDB是分布式文檔存儲數(shù)據(jù)庫，它的特點(diǎn)是高性能、易部署、易使用，存儲數(shù)據(jù)非常方便。它支持的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)非常松散，是類似JSON的BSON格式，因此可以存儲比較復(fù)雜的數(shù)據(jù)類型。MongoDB的文檔模型自由靈活，可以讓你在開發(fā)過程中暢順無比。對于大數(shù)據(jù)量、高并發(fā)、弱事務(wù)的互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，MongoDB可以應(yīng)對自如。MongoDB內(nèi)置的水平擴(kuò)展機(jī)制提供了從百萬到十億級別的數(shù)據(jù)量處理能力，完全可以滿足Web2.0和移動互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)存儲需求，其開箱即用的特性也大大降低了中小型網(wǎng)站的運(yùn)維成本。

第三種方案選擇Hadoop的原因：Hadoop是一個能夠讓用戶輕松架構(gòu)和使用的分布式計(jì)算平臺。用戶可以輕松地在Hadoop上開發(fā)和運(yùn)行處理海量數(shù)據(jù)的應(yīng)用程序。它主要有以下幾個優(yōu)點(diǎn)：

（1）高可靠性：Hadoop按位存儲和處理數(shù)據(jù)的能力值得人們信賴。

（2）高擴(kuò)展性：Hadoop是在可用的計(jì)算機(jī)集簇間分配數(shù)據(jù)并完成計(jì)算任務(wù)的，這些集簇可以方便地?cái)U(kuò)展到數(shù)以千計(jì)的節(jié)點(diǎn)中。

（3）高效性：Hadoop能夠在節(jié)點(diǎn)之間動態(tài)地移動數(shù)據(jù)，并保證各個節(jié)點(diǎn)的動態(tài)平衡，因此處理速度非?？臁?/p>

（4）高容錯性：Hadoop能夠自動保存數(shù)據(jù)的多個副本，并且能夠自動將失敗的任務(wù)重新分配。

（5）低成本：Hadoop是開源的，項(xiàng)目的軟件成本因此會大大降低。

2.3 解決問題關(guān)鍵點(diǎn)

針對以上三種解決方案對處理海量的日志信息共同特征，解決海量日志存取主要解決以下幾個問題：

（1）高并發(fā)讀寫：現(xiàn)今的網(wǎng)站都是實(shí)時的生成動態(tài)頁面，及時提供動態(tài)信息，所以數(shù)據(jù)庫的并發(fā)負(fù)載很高。尤其是電子商務(wù)網(wǎng)站，每秒可以是上百萬的請求。

（2）海量數(shù)據(jù)的高效存儲與訪問：高效的解決海量數(shù)據(jù)的讀取是最核心的問題之一。對海里數(shù)據(jù)而言，如果數(shù)據(jù)存儲速度較慢，就會造成網(wǎng)絡(luò)堵塞甚至網(wǎng)絡(luò)癱瘓。如果數(shù)據(jù)庫的查詢性能較低，就不能及時滿足用戶查詢需求。

（3）高擴(kuò)展性與可用性：在增加較少硬件成本下，較大提高軟件的性能與負(fù)載能力，保證其擴(kuò)展性是可行的。另外，很多服務(wù)是實(shí)時的、不間斷的，所以保證其可用性也是必要的。

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

因?yàn)槿罩咀钪饕菍懭肱c查詢操作，所以用以上三種想法分別對10萬、100萬、1000萬條數(shù)據(jù)只進(jìn)行讀寫效率的測試。目的是為了驗(yàn)證海量日志數(shù)據(jù)存儲與查詢有效性和可行性。

實(shí)驗(yàn)日志數(shù)據(jù)格式如表1：

表1 日志格式

3.1 單機(jī)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)說明：在單機(jī)環(huán)境下，分別對10萬、100萬、1000萬條數(shù)據(jù)只進(jìn)行讀寫效率的測試。以下實(shí)驗(yàn)是5次運(yùn)行的平均結(jié)果。

圖1 單機(jī)批量插入數(shù)據(jù)

圖2 MySQL批量插入性能監(jiān)控圖

圖3 MongoDB批量插入性能監(jiān)控圖

圖4 單機(jī)批量查詢數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)環(huán)境：單機(jī)條件下，在Eclipse下使用Java編寫開發(fā)的項(xiàng)目。分別對MySQL、Hadoop和MongoDB進(jìn)行批量插入（原因：數(shù)據(jù)量大，逐條插入效率低）與查詢實(shí)驗(yàn)。

（1）批量插入數(shù)據(jù)

單機(jī)環(huán)境下，批量插入數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1。

在批量插入數(shù)據(jù)時，對MySQL、MongoDB監(jiān)控信息如圖2、圖3。

（2）查詢數(shù)據(jù)

在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中隨機(jī)查詢100條數(shù)據(jù)所用的時間，查詢數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4。

在查詢數(shù)據(jù)時，對MySQL、MongoDB監(jiān)控信息如圖5、圖6。

（3）實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：在數(shù)據(jù)量較小的情況下，無論是批量插入還是查詢基本都是同一個數(shù)據(jù)量級上，都能滿足用戶的需求； 但隨著數(shù)據(jù)量的增大，數(shù)據(jù)庫建立索引后查詢效率明顯增加了，也增大了存儲空間。通過圖2與圖3可知，MongoDB最大插入速度是MySQL最大插入速度的近700倍。通過圖5與圖6可以得知，MongoDB最大查詢速度是MySQL最大查詢速度的近2倍。

3.2 集群實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)說明：在集群環(huán)境下，分別對10萬、100萬、1000萬條數(shù)據(jù)只進(jìn)行讀寫效率的測試。以下實(shí)驗(yàn)是5次運(yùn)行的平均結(jié)果。

實(shí)驗(yàn)環(huán)境：集群條件下，在Eclipse下使用Java編寫開發(fā)的項(xiàng)目。分別對MySQL、Hadoop和MongoDB進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

集群環(huán)境如下：①M(fèi)ySQL集群：是在虛擬機(jī)下以Amoeba為代理服務(wù)器3臺MySQL數(shù)據(jù)庫構(gòu)成一個集群；②Hadoop集群：是在虛擬機(jī)下3個結(jié)點(diǎn)，1個master結(jié)點(diǎn)，2個datanode結(jié)點(diǎn)；③MongoDB集群：是在虛擬機(jī)下由MongoDB構(gòu)建的3組復(fù)制集，每組3個分片，3個Configsvr，1個路由節(jié)點(diǎn)。

（1）批量插入數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7。

（2）查詢數(shù)據(jù)

在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中隨機(jī)查詢100條數(shù)據(jù)所用的時間，查詢數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8。

（3） 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：在集群環(huán)境下，滿足單機(jī)條件下的結(jié)論，但時間略微有點(diǎn)增加的主要原因是集群的啟動與集群之間數(shù)據(jù)通信。隨著數(shù)據(jù)量的增大，三類不同的集群在插入與查詢數(shù)據(jù)的時間都有所降低，并且MongoDB在查詢數(shù)據(jù)上表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢?？傊?，無論是在單機(jī)環(huán)境下還是在集群環(huán)境下，MongoDB都表現(xiàn)出自己獨(dú)特的優(yōu)勢，適合作為海量日志的數(shù)據(jù)倉庫。

4 構(gòu)建日志系統(tǒng)

4.1 用Fluent與MongoDB構(gòu)建日志采集系統(tǒng)

通過以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明MongoDB可以作為海量日志的數(shù)據(jù)倉庫，以下是用Fluent采集日志信息存儲到MongoDB或集群中的原理與過程。

（1）整個系統(tǒng)工作原理如圖9。

（2） 實(shí)現(xiàn)步驟：

a在Linux下，安裝MongoDB或MongoDB集群以及fluent-plugin-mongo。

b修改/etc/fluent/Fluentd.conf相關(guān)配置，使得Fluent采集信息能存儲到MongoDB中。

① 配置輸入信息：

type tail

format apache2

path /var/log/apache2/access_log

tag mongo.apache.access

② 配置單機(jī)輸出信息：

type mongo

database apache

collection access

host localhost

port 27017

flush_interval 10s

③ 配置復(fù)制集輸出信息：

type mongo_replset

database apache

collection fmongo

nodes ip1：port1， ip2：port2，…

flush_interval 10s

（3） 測試結(jié)果

a測試命令：

$ ab -n 100000 -c 100 http：//ip地址/

b輸出結(jié)果如圖10.

圖5 MySQL查詢性能監(jiān)控圖

圖6 MongoDB查詢性能監(jiān)控圖

圖7 集群批量插入數(shù)據(jù)

圖8 集群批量查詢數(shù)據(jù)

圖9 整個系統(tǒng)工作原理

圖10 輸出結(jié)果

結(jié)語

本文通過驗(yàn)證MongoDB存儲與查詢高效性，然后與Fluent相結(jié)合構(gòu)造一個日志采集系統(tǒng)。這種方式可以滿足海量日志采集與存儲工作，將日志信息直接存儲到數(shù)據(jù)庫中，對日志的“增刪改查”更方便、更高效，而且日志信息可以進(jìn)行分布式的存儲。但這種方式也有很多不足，例如：單機(jī)情況下存儲數(shù)據(jù)不穩(wěn)定性，集群情況下存儲數(shù)據(jù)的不平衡性和負(fù)載均衡的問題等。后續(xù)工作還有MongoDB集群的優(yōu)化和日志分析系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)等任務(wù)。

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