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【腾讯云ES】ElasticSearch在微信支付金融领域实践

背景

用户通过微信支付完成交易,商户通过微信支付完成收款后,可能会出于不同目的来查看此前的交易记录,并且查询条件可能会有很大的差异;为了能够满足这里的功能需求,目前选择ElasticSearch作为主要的存储组件以提供诸如搜索等功能。但是有别于业界使用ElasticSearch支持日志分析场景,在支付金融场景下,会对ElasticSearch的安全和可用性提出更高的要求,以便满足当前领域的需求。

架构设计

对用户来说,使用微信支付完成购物付款和查看付款交易记录是两种不同的需求,用户自己的心理预期是不一样,在购物场景下,此时一笔付款操作是一次性的,但是一定要实时准确的完成,否则体验就会非常差,而查询交易记录场景下,此时操作是可重复的,用户能够在任何时间查看自己历史记录,并且能够获取诸如月统计、年统计等进一步的聚合数据,以便对自己此前交易有更宏观的认知。为了满足用户的需求,延展到底层架构实现时,也要区分上述两种场景,这里采用CQRS模式来进行实现,其中命令(Command)用来实现付款操作,而查询(Query)用来实现交易查询操作,两套系统底层独立,各自实现相应核心的功能。

读场景的存储服务即基于ElasticSearch架构(如下图所示)。

易用性

为了让业务更专注于自己的领域内开发,我们针对ElasticSearch易用性方面进行了优化,简化业务对ElasticSearch的使用;这里主要包括两方面,首先是包圆分索引(类似分库分表)的机制,其次是简化接口的使用。

包圆分索引机制

目前交易类数据规模是非常大(有些业务数据达到万亿+),因此单个索引难以支持,分索引是必须的;鉴于交易类数据有时序特征,同时结合用户查询习惯,我们采用了月、年的粒度来拆分索引,这样一方面将单个索引规模控制在合适的粒度,同时对用户查询的支持也是友好。按照这种方案划分索引,有些业务一个月仅一个索引也是无法支持,需要进一步拆分,即一个月对应一个索引Group,每个Group包含多个索引;为了提高查询性能,再结合业务场景(每个用户仅查询自己的数据),我们将单个用户数据聚集到一个Group中一个索引内(实际上我们更进一步将单个用户数据聚集到一个索引的一个分片内),具体如下图:

当前也支持自动调整索引规模,如果近期业务数据有较大变化,那么新月份索引Group大小可以根据这里情况适当调整,达到调整索引规模目的。目前腾讯云在ElasticSearch推出了类似功能,可以参考:一站式全托管的自治索引。

简化接口使用

ElasticSearch提供的json格式接口,在使用上是非常灵活,但是对于业务来说可能会造成困扰,一方面是多条件较为复杂组合机制,另一方面如何选择适合查询语句,如翻页查询最好选择游标机制的search after而不是from+size,这样避免了深度翻页问题。为了降低用户这里困扰,同时兼顾当前的使用习惯,我们采用PB的方式重新定义了协议,对业务屏蔽底层ES协议,让业务把重心调整到关注自身需求。

通过上述处理,业务使用ElasticSearch和使用其他普通服务的成本基本相同,提高了业务效率。

性能

ElasticSearch采用Lucene来实现数据存储和搜索查询功能,数据写入时会先构建倒排索引,数据查询时会通过倒排索引获取满足条件数据。当查询有多个索引条件时,就会进行合并以便得到最终文档:

当索引字段区分度不高的时候(如业务类型字段、时间字段等),合并时效率会比较低下。为了提高字段区分度,以提高查询效率,我们结合当前业务场景,即数据记录会包含用户或商户ID,并且用户或商户仅查询自己的数据,再结合MySQL联合索引机制,我们将区分度不高的索引字段进行了改写,采用用户ID+字段方式替换原有字段内容。通过测算,对于百万级别记录商户,查询耗时由5s降低都90ms。

此外,ElasticSearch在6.x版本开始支持IndexSorting机制,即根据指定的字段对原数据先排序再存储,这样相关数据就会连续存储,查询时候就能够降低随机IO,提高查询效率。结合当前场景,采用IndexSorting后,查询延迟减少了20%。

安全性

目前安全在互联网金融领域要求越来越高,尤其是《个人信息保护法(草案)》、《个人金融信息保护技术规范》、《数据安全法(草案)》等法律规范进一步明确和强化了安全要求。在ElasticSearch安全合规方面我们主要支持了模块认证和落地加密。

模块认证

目前ES官方也提供了较为完善安全方面的控制,具体包括:

  • 鉴权:通过密码保护,基于角色的访问控制和IP过滤防止未经授权的访问。
  • 保留数据完整性:使用SSL/TLS加密保护。
  • 审计跟踪:确认谁访问了集群。

通过官方的处理基本满足了大部分场景,不过在我们业务场景遇到困难:首先部分已有的业务集群没有启用安全控制,如何平滑的支持安全控制,其次如何进一步降低证书泄漏后风险。基于此我们在安全方面进行了优化(如下图所示):

  • 支持平滑升级:先逐台上线证书认证功能但不开启认证,待全部节点上线后再开启认证。
  • 加强校验:除了进行认证,同时在证书中补充和集群相关信息并进行验证,避免跨集群访问。

落地加密

为了降低落地数据泄漏后的风险,我们对落地数据进行加密,保证落地数据安全性,基本的流程架构如下:

在对数据加解密的时候,支持多种加密算法,目前支持有AES和SM4,其中SM4满足《密码法》关键基础设施应用使用合规商用密码产品的要求。

可用性

可用性主要包括两方面,其一是日常可用性满足5个9,其二是出现灾难事件时(如磁盘故障等)能够及时发现和恢复,避免造成事故。为了达到这里可用性目标,目前从硬件、操作系统、JDK、ElasticSearch等几个方面进行优化。

硬件

在ElasticSearch运营过程中,硬件方面主要有两个点需要关注,一是硬件故障,二是硬件一致性。

硬件故障主要是关注硬件在出现故障后恢复处理。常见硬件包括磁盘、内存、CPU、网卡等,这几类都是容易出现故障,在出现异常后可能会对ElasticSearch集群造成影响。应对硬件故障,首先要能够发现异常,包括uwork/xray告警、集群监控失败告警、业务侧失败告警等发现,其次将异常节点下线,并发起维修,再次待维修完毕后恢复服务。这里需要待优化项即将整个流程自动化,能够按照设置的规则处理异常,避免过多的人工干预,同时也缩短RTO。

硬件一致性是机型规格上保持一致。当ElasticSearch集群规模变大,并且集群的机型规则不一致(比如磁盘个数和大小不一致等)都需要做很多适配,会给运营带来很大风险。同时在引入新的机型后需要投入精力测试验证。这里采用措施是虚拟化以及上云,逐步屏蔽这里的影响。

操作系统

操作系统层面上首先设置好ElasticSearch需要系统配置,比如调整文件描述符个数、创建进程个数至合理值,关闭swap等。

其次,根据当前ElasticSearch使用方式做一些特殊优化处理。其中包括针对操作系统因高阶内存不足导致的抖动做了一定优化。高阶内存不足,一方面是因为内存难以回收,主要是因为ElasticSearch使用mmap读取文件,导致操作系统难以回收这部分PageCache内存,此处对ElasticSearch读取文件方式进行了优化,针对经常读取的问题采用mmap方式加快读取,不经常读取文件采用nio读取,来加快PageCache的回收;另一方面是连续内存不充足,导致即使有足够的内存也难以使用,针对这种问题处理是留出一定大小内存供系统使用,保证系统可以获取到足够的连续内存。

JDK

JDK层面上,一个很重要点是垃圾收集器选择。前期我们选择了CMS,在服务运行过程中,会有一定概率出现FullGC长达8s或以上情况,此时会导致ElasticSearch部分节点不会响应,对上体现是服务有抖动,即可用性不满足要求。此处主要原因是CMS进行FullGC的时候不是并行,导致回收效率低下。于是采用G1替换了CMS,G1在进行FullGC时采用并行机制,即回收效率有了很大提高,实际运营过程中,FullGC基本保证在1s以内。新的垃圾收集器是ZGC,对回收机制进行更多优化,也是后续可以进一步优化的点。

ElasticSearch

针对可用性优化,在ElasticSearch方面,主要涉及运营部署以及系统设计上做一定的调整优化。

在运营部署方面,为了满足可用性要求,目前部署上采用三可用区,保证单可用区异常后仍然有另外两个可用区正常服务;数据方面将副本数设置三份,保证一份副本异常后仍然有足够的副本保证提供服务。同时,单个业务支持多集群机制,避免单个集群规模过大,从而保证集群的可用性。

在架构方面,ElasticSearch整体采用了Pacifica通用架构进行实现,具体分为:

  1. 配置管理服务:负责集群中元信息管理并维护一致性,同时负责服务节点的存活检测。在ElasticSearch中是由Master节点来维护所有心跳探测并对异常节点进行剔除处理。
  2. 数据存储服务:负责提供数据的读写功能,并负责管理数据的多副本以维护数据可靠性和可用性。

此处遇到问题是因心跳探测机制导致,因为节点是否正常服务需要master节点判断,而master节点判断依据即节点心跳是否正常,如果单节点不可达(如网络完全中断),目前ElasticSearch(6.x版本)判断超时时间为3*30s(3次30s心跳超时),即需要等待90s来才能够判断节点异常并从集群中移除,这段时间内ElasticSearch主shard和备shard之间请求会一直等待,则会导致上层业务侧会有约90s+超时抖动,如果再加上业务侧的请求重试,这期间失败率就可能比较高。目前针对这里的优化,包括两方面:

  • 缩短心跳超时时间:单次判断时间为10s,这样异常节点被剔除时间为3*10s,即影响时间降低为30s。
  • 启用查询自适应查询机制:在启用查询自适应机制后会自动选择延迟小的节点,实验中效果如下图。不过查询自适应机制在6.x版本会和相同属性(如配置zone)优先选择冲突,这里对代码进行优化,即如果设置选择自适应配置项,则优先自适应查询机制。
  • 集群内将相同用户数据聚集到一批节点内:如前文所述,单个用户数据会被聚集到单个分片上,将分片和节点绑定后,则单个节点异常后,只会影响一批用户,从而减少影响。该解决方案对另外场景-慢节点场景也是有一定效果,此时节点并不是完全不可服务,但是服务性能下降很多,在该节点未隔离前很可能会逐步拖慢整个集群;通过这里处理,慢节点影响只是一批用户,从而降低影响范围。

这里可以考虑进一步的优化是数据节点之间支持raft机制,即不完全依赖于master的存活探测,则在单节点有抖动(不完全异常)的情况,则数据节点自身可以支持majority分片成功即可返回而不用等待全部分片响应,提高了可用性。

其他涉及可用性优化项:

  • 新索引创建优化:在单机有多块磁盘情况下,新创建索引可能会分配到同一个磁盘上,导致单盘IO过高;此处优化是磁盘分配时会根据整个节点上磁盘分配情况再进行分片的分配,从而保证新索引分片的均衡。     
  • 明确了金融领域下ES的ID长度:金融领域为了保证记录的唯一性,会生成特定的ID来确认一条记录。ElasticSearch数据写入时需要判断是否存在,以避免数据重复。去重判断通过查询ID来进行实现。ES底层采用Lucene引擎,ID在Lucene层是采用倒排索引机制实现,数据结构类似前缀树,若ID前缀一致且长度较小,前缀树能够完全缓存在内存中,查询只需一次内存和一次磁盘io即可。若前缀树过大,内存无法缓存全部前缀树信息,则需要多次磁盘IO,使的IO变高。目前在当前领域下,单个ID长度小于40Byte比较合适。
  • 冷机查询优化:冷机由于IO延迟高,导致可能出现一定的抖动,尤其是进行分片搬迁场景。这里在分片搬迁时将查询请求迁移到非搬迁节点上,降低受IO影响。同时也会根据业务场景,适当调整冷、热数据分布比例,降低冷机IO延迟影响。

经过上述优化,ElasticSearch逐步满足了支付金融场景下对应安全、可用性等要求,符合业务的需求。不过由于ElasticSearch自身的复杂性,以及业务场景多样性和规模逐步大,可用性等优化还需要持续进行。

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