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Elasticsearch 的架构与基本概念

Elasticsearch（简称 ES）是一个开源的分布式搜索和分析引擎，基于 Apache Lucene 构建。它被广泛用于全文搜索、日志分析、实时数据分析等场景。以下是其架构概述及其基本概念的详细解释。

Elasticsearch 的架构

Elasticsearch 的架构设计为分布式、高可用和可扩展，核心是一个多节点的集群结构。以下是其主要组成部分和工作方式：

1. 集群（Cluster）

• 定义：一个 Elasticsearch 集群由多个节点（Node）组成，共同工作以存储数据和处理请求。
• 特性：
  • 集群有一个唯一的名称（默认 elasticsearch），用于区分不同的集群。
  • 节点通过网络通信，共同维护数据和状态。

2. 节点（Node）

• 定义：运行 Elasticsearch 实例的单个服务器或进程。
• 角色（可组合）：
  • 主节点（Master Node）：负责集群管理（如分片分配、节点加入/退出）。
  • 数据节点（Data Node）：存储数据，执行索引和搜索操作。
  • 摄取节点（Ingest Node）：预处理数据。
  • 协调节点（Coordinating Node）：路由请求和聚合结果。
• 配置：通过 node.roles 指定（7.9+），例如 node.roles: ["master", "data"]。
• 特点：节点可以动态加入或离开集群，自动重新平衡数据。

3. 索引（Index）

• 定义：类似于传统数据库中的“数据库”，是数据的逻辑容器。
• 特性：
  • 每个索引包含一组文档（Document），并定义了数据的结构（Mapping）。
  • 索引被分成多个分片存储在集群中。
• 示例：logs-2023-01（日志索引）。

4. 分片（Shard）

• 定义：索引被分成多个分片，每个分片是一个独立的 Lucene 实例，存储部分数据。
• 类型：
  • 主分片（Primary Shard）：原始数据存储位置，负责写入。
  • 副本分片（Replica Shard）：主分片的副本，用于冗余和高可用。
• 特点：
  • 分片数量在创建索引时指定（默认 1），不可更改。
  • 副本数量可动态调整（默认 1）。
• 分布：分片分布在集群的多个节点上，实现负载均衡和容错。

5. 文档（Document）

• 定义：索引中的基本数据单元，类似于数据库中的一行。
• 格式：JSON 格式，包含字段（Field）和值。
• 示例：

  {"id": 1,"title": "Elasticsearch Guide","content": "This is a guide to ES."
  }
  

6. 映射（Mapping）

• 定义：定义文档字段的类型和存储方式，类似于数据库的表结构。
• 类型：文本（text）、关键字（keyword）、数字（integer/float）、日期（date）等。
• 动态性：
  • 默认动态映射：自动推断字段类型。
  • 显式映射：手动定义以优化性能。

7. 倒排索引（Inverted Index）

• 定义：Lucene 核心数据结构，将词（term）映射到包含该词的文档 ID。
• 作用：支持快速全文搜索。
• 示例：

  Term       | Doc IDs
  -----------|---------
  elastic    | 1, 3
  search     | 1, 2
  

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基本概念

以下是 Elasticsearch 的核心概念，帮助理解其工作机制：

1. 集群（Cluster）

   • 一组协同工作的节点，共享数据和负载。
   • 通过 cluster.name 标识。

2. 节点（Node）

   • 集群中的单个实例，承担特定角色。
   • 通过配置文件（如 elasticsearch.yml）设置。

3. 索引（Index）

   • 数据的逻辑分组，包含多个分片。
   • 通过 REST API 创建，例如：

     curl -X PUT "localhost:9200/my-index"
     

4. 分片（Shard）

   • 数据分片单元，主分片和副本分片共同确保高可用和性能。
   • 主分片数影响并行性，副本数影响容错性。

5. 文档（Document）

   • JSON 格式的数据单元，存储在索引中。
   • 通过唯一 ID 标识，例如：

     curl -X POST "localhost:9200/my-index/_doc/1" -d '{"title": "Test"}'
     

6. 映射（Mapping）

   • 定义字段的类型和索引方式。
   • 示例：

     {"mappings": {"properties": {"title": { "type": "text" },"date": { "type": "date" }}}
     }
     

7. 倒排索引（Inverted Index）

   • 搜索的核心，支持关键词快速定位文档。

8. 主选举（Master Election）

   • 集群通过选举选择一个主节点，负责协调操作。
   • 使用 Zen Discovery（6.x）或 Voting（7.x+）机制。

9. 复制（Replication）

   • 数据在主分片和副本分片间复制，确保高可用。
   • 写入主分片后同步到副本。

10. 查询（Query）

    • 通过 REST API 执行搜索和分析。
    • 示例：

      curl -X GET "localhost:9200/my-index/_search?q=title:elastic"
      

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架构工作流程

写入流程

1. 客户端发送写入请求到协调节点。
2. 协调节点路由请求到主分片所在的数据节点。
3. 主分片写入数据并同步到副本分片。
4. 多数副本确认后，返回成功响应。

搜索流程

1. 客户端发送搜索请求到协调节点。
2. 协调节点广播查询到所有相关分片（主分片或副本）。
3. 各分片执行查询并返回结果。
4. 协调节点聚合结果，返回给客户端。

容错机制

• 主节点故障：自动选举新主节点。
• 数据节点故障：副本分片接管，集群重新分配分片。

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架构图示（简易版）

[Client] --> [Coordinating Node]|+-----------+-----------+|                       |
[Master Node]       [Data Nodes]|[Shards: P0, R0, P1, R1]

• Client：发送请求。
• Coordinating Node：路由和聚合。
• Master Node：管理集群状态。
• Data Nodes：存储分片（P=Primary, R=Replica）。

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优点与特性

• 分布式：数据和负载分布在多节点。
• 高可用：副本分片提供冗余。
• 可扩展：动态添加节点。
• 实时性：近实时搜索（默认 1 秒刷新）。

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总结

Elasticsearch 的架构是一个分布式系统，核心由集群、节点、索引、分片和文档组成。它通过倒排索引实现高效搜索，通过主分片和副本分片确保数据可靠性和性能。基本概念如映射、复制和查询是理解其功能的关键。如果需要深入某部分（例如分片分配或查询优化），可以告诉我，我会进一步讲解！