ES 和 Clickhouse 查询能力对比，实践结果根本料不到……-技术圈

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大家好，我是互联网架构师！

Elasticsearch 是一个实时的分布式搜索分析引擎，它的底层是构建在Lucene之上的。简单来说是通过扩展Lucene的搜索能力，使其具有分布式的功能。ES通常会和其它两个开源组件logstash（日志采集）和Kibana（仪表盘）一起提供端到端的日志/搜索分析的功能，常常被简称为ELK。

Clickhouse是俄罗斯搜索巨头Yandex开发的面向列式存储的关系型数据库。ClickHouse是过去两年中OLAP领域中最热门的，并于2016年开源。

ES是最为流行的大数据日志和搜索解决方案，但是近几年来，它的江湖地位受到了一些挑战，许多公司已经开始把自己的日志解决方案从ES迁移到了Clickhouse，这里就包括：携程，快手等公司。

一、架构和设计的对比

ES的底层是Lucenc，主要是要解决搜索的问题。搜索是大数据领域要解决的一个常见的问题，就是在海量的数据量要如何按照条件找到需要的数据。搜索的核心技术是倒排索引和布隆过滤器。ES通过分布式技术，利用分片与副本机制，直接解决了集群下搜索性能与高可用的问题。

ElasticSearch是为分布式设计的，有很好的扩展性，在一个典型的分布式配置中，每一个节点（node）可以配制成不同的角色，如下图所示：

Client Node，负责API和数据的访问的节点，不存储／处理数据。
Data Node，负责数据的存储和索引。
Master Node，管理节点，负责Cluster中的节点的协调，不存储数据。

ClickHouse是基于MPP架构的分布式ROLAP（关系OLAP）分析引擎。每个节点都有同等的责任，并负责部分数据处理（不共享任何内容）。ClickHouse 是一个真正的列式数据库管理系统（DBMS)。在 ClickHouse 中，数据始终是按列存储的，包括矢量（向量或列块）执行的过程。让查询变得更快，最简单且有效的方法是减少数据扫描范围和数据传输时的大小，而列式存储和数据压缩就可以帮助实现上述两点。Clickhouse同时使用了日志合并树，稀疏索引和CPU功能（如SIMD单指令多数据）充分发挥了硬件优势，可实现高效的计算。Clickhouse 使用Zookeeper进行分布式节点之间的协调。

为了支持搜索，Clickhouse同样支持布隆过滤器。

二、查询对比实战

为了对比ES和Clickhouse的基本查询能力的差异，我写了一些代码来验证。

这个测试的架构如下：

架构主要包括四个部分。

1、ES stack

ES stack有一个单节点的Elastic的容器和一个Kibana容器组成，Elastic是被测目标之一，Kibana作为验证和辅助工具。部署代码如下：

version: '3.7'
services:  elasticsearch:    image: docker.elastic.co/elasticsearch/elasticsearch:7.4.0    container_name: elasticsearch    environment:      - xpack.security.enabled=false      - discovery.type=single-node    ulimits:      memlock:        soft: -1        hard: -1      nofile:        soft: 65536        hard: 65536    cap_add:      - IPC_LOCK    volumes:      - elasticsearch-data:/usr/share/elasticsearch/data    ports:      - 9200:9200      - 9300:9300    deploy:      resources:        limits:          cpus: '4'          memory: 4096M        reservations:          memory: 4096M
  kibana:    container_name: kibana    image: docker.elastic.co/kibana/kibana:7.4.0    environment:      - ELASTICSEARCH_HOSTS=http://elasticsearch:9200    ports:      - 5601:5601    depends_on:      - elasticsearch
volumes:  elasticsearch-data:    driver: local

2、Clickhouse stack

Clickhouse stack有一个单节点的Clickhouse服务容器和一个TabixUI作为Clickhouse的客户端。部署代码如下：

version: "3.7"services:  clickhouse:    container_name: clickhouse    image: yandex/clickhouse-server    volumes:      - ./data/config:/var/lib/clickhouse    ports:      - "8123:8123"      - "9000:9000"      - "9009:9009"      - "9004:9004"    ulimits:      nproc: 65535      nofile:        soft: 262144        hard: 262144    healthcheck:      test: ["CMD", "wget", "--spider", "-q", "localhost:8123/ping"]      interval: 30s      timeout: 5s      retries: 3    deploy:      resources:        limits:          cpus: '4'          memory: 4096M        reservations:          memory: 4096M    tabixui:    container_name: tabixui    image: spoonest/clickhouse-tabix-web-client    environment:      - CH_NAME=dev      - CH_HOST=127.0.0.1:8123      - CH_LOGIN=default    ports:      - "18080:80"    depends_on:      - clickhouse    deploy:      resources:        limits:          cpus: '0.1'          memory: 128M        reservations:          memory: 128M

3、数据导入 stack

数据导入部分使用了Vector.dev开发的vector，该工具和fluentd类似，都可以实现数据管道式的灵活的数据导入。

4、测试控制 stack

测试控制我使用了Jupyter，使用了ES和Clickhouse的Python SDK来进行查询的测试。

用Docker compose启动ES和Clickhouse的stack后，我们需要导入数据，我们利用Vector的generator功能，生成syslog，并同时导入ES和Clickhouse，在这之前，我们需要在Clickhouse上创建表。ES的索引没有固定模式，所以不需要事先创建索引。

创建表的代码如下：

CREATE TABLE default.syslog(    application String,    hostname String,    message String,    mid String,    pid String,    priority Int16,    raw String,    timestamp DateTime('UTC'),    version Int16) ENGINE = MergeTree()    PARTITION BY toYYYYMMDD(timestamp)    ORDER BY timestamp    TTL timestamp + toIntervalMonth(1);

创建好表之后，我们就可以启动vector，向两个stack写入数据了。vector的数据流水线的定义如下：

[sources.in]  type = "generator"  format = "syslog"  interval = 0.01  count = 100000
[transforms.clone_message]  type = "add_fields"  inputs = ["in"]  fields.raw = "{{ message }}"
[transforms.parser]  # General  type = "regex_parser"  inputs = ["clone_message"]  field = "message" # optional, default  patterns = ['^<(?P<priority>\d*)>(?P<version>\d) (?P<timestamp>\d{4}-\d{2}-\d{2}T\d{2}:\d{2}:\d{2}\.\d{3}Z) (?P<hostname>\w+\.\w+) (?P<application>\w+) (?P<pid>\d+) (?P<mid>ID\d+) - (?P<message>.*)$']
[transforms.coercer]  type = "coercer"  inputs = ["parser"]  types.timestamp = "timestamp"  types.version = "int"  types.priority = "int"
[sinks.out_console]  # General  type = "console"  inputs = ["coercer"]   target = "stdout"   # Encoding  encoding.codec = "json"   
[sinks.out_clickhouse]  host = "http://host.docker.internal:8123"  inputs = ["coercer"]  table = "syslog"  type = "clickhouse"
  encoding.only_fields = ["application", "hostname", "message", "mid", "pid", "priority", "raw", "timestamp", "version"]  encoding.timestamp_format = "unix"
[sinks.out_es]  # General  type = "elasticsearch"  inputs = ["coercer"]  compression = "none"   endpoint = "http://host.docker.internal:9200"   index = "syslog-%F"   # Encoding  # Healthcheck  healthcheck.enabled = true

这里简单介绍一下这个流水线：

http://source.in 生成syslog的模拟数据，生成10w条，生成间隔和0.01秒。
transforms.clone_message 把原始消息复制一份，这样抽取的信息同时可以保留原始消息。
transforms.parser 使用正则表达式，按照syslog的定义，抽取出application，hostname，message ，mid ，pid ，priority ，timestamp ，version 这几个字段。
transforms.coercer 数据类型转化。
sinks.out_console 把生成的数据打印到控制台，供开发调试。
sinks.out_clickhouse 把生成的数据发送到Clickhouse。
sinks.out_es 把生成的数据发送到ES。

运行Docker命令，执行该流水线：

docker run \                 -v $(mkfile_path)/vector.toml:/etc/vector/vector.toml:ro \                 -p 18383:8383 \                 timberio/vector:nightly-alpine

数据导入后，我们针对一下的查询来做一个对比。ES使用自己的查询语言来进行查询，Clickhouse支持SQL，我简单测试了一些常见的查询，并对它们的功能和性能做一些比较。

返回所有的记录

# ES{  "query":{    "match_all":{}  }}# Clickhouse "SELECT * FROM syslog"

匹配单个字段

# ES{  "query":{    "match":{      "hostname":"for.org"    }  }}# Clickhouse "SELECT * FROM syslog WHERE hostname='for.org'"

匹配多个字段

# ES{  "query":{    "multi_match":{      "query":"up.com ahmadajmi",        "fields":[          "hostname",          "application"        ]    }  }}# Clickhouse、"SELECT * FROM syslog WHERE hostname='for.org' OR application='ahmadajmi'"

单词查找，查找包含特定单词的字段

# ES{  "query":{    "term":{      "message":"pretty"    }  }}# Clickhouse"SELECT * FROM syslog WHERE lowerUTF8(raw) LIKE '%pretty%'"

范围查询，查找版本大于2的记录

# ES{  "query":{    "range":{      "version":{        "gte":2      }    }  }}# Clickhouse"SELECT * FROM syslog WHERE version >= 2"

查找到存在某字段的记录

ES是文档类型的数据库，每一个文档的模式不固定，所以会存在某字段不存在的情况；而Clickhouse对应为字段为空值

# ES{  "query":{    "exists":{      "field":"application"    }  }}# Clickhouse"SELECT * FROM syslog WHERE application is not NULL"

正则表达式查询，查询匹配某个正则表达式的数据

# ES{  "query":{    "regexp":{      "hostname":{        "value":"up.*",          "flags":"ALL",            "max_determinized_states":10000,              "rewrite":"constant_score"      }    }  }}# Clickhouse"SELECT * FROM syslog WHERE match(hostname, 'up.*')"

聚合计数，统计某个字段出现的次数

# ES{  "aggs":{    "version_count":{      "value_count":{        "field":"version"      }    }  }}# Clickhouse"SELECT count(version) FROM syslog"

聚合不重复的值，查找所有不重复的字段的个数

# ES{  "aggs":{    "my-agg-name":{      "cardinality":{        "field":"priority"      }    }  }}# Clickhouse"SELECT count(distinct(priority)) FROM syslog "