Cloudflare如何分析每秒上百万的DNS查询

上周五，我们宣布了所有Cloudflare DNS分析工具。 由于我们的规模很大（当你读完这篇文章的时候，Cloudflare DNS将处理数以百万计的DNS查询） 我们必须非常有创意的解决该问题。 在本文中，我们将介绍DNS分析工具的组件，这些组件帮助我们每月处理数以万亿计的日志。

Cloudflare已经有一个用于HTTP日志的数据管道。我们希望DNS分析工具可以利用该功能。每当边缘服务处理一个HTTP请求时，它就会以Cap'n Proto格式生成一个结构化的日志消息，并将其发送到本地多路复用服务。考虑到数据量，我们只记录部分DNS消息数据，只包含我们感兴趣的数据，例如响应码，大小或query name，这使得我们每个消息平均只保留约150字节数据。然后将其与元数据处理（例如在查询处理期间触发的定时信息和异常）融合。在边缘融合数据和元数据的好处是，我们可以将计算成本分散到成千上万的边缘服务器，并且只记录我们需要的信息。

多路复用服务（称为“日志转发器”）正在每个边缘节点上运行，从多个服务组装日志消息并将其传输到我们的仓库，以便通过TLS安全通道进行处理。运行在仓库中的对应服务将日志接收并解分解到几个Apache Kafka集群中。Apache Kafka用于生产者和下游消费者之间做缓冲，防止消费者故障或需要维护时的数据丢失。自0.10版本以来，Kafka允许通过机架感知分配副本，从而提高对机架或站点故障的恢复能力，为我们提供容错的未处理消息存储。

拥有结构化日志队列使我们能够追溯性地查问题，而不需要访问生产节点。 在项目的早期阶段，我们会跳过队列并找到我们所需的粗略时间段的偏移量，然后将数据以Parquet格式提取到HDFS中，以供离线分析。

关于聚合

HTTP分析服务是围绕生成聚合的流处理器构建的，因此我们计划利用Apache Spark将日志自动传输到HDFS。由于Parquet本身不支持索引以避免全表扫描，因此在线分析或通过API提供报告是不切实际的。虽然有像parquet-index这样的扩展可以在数据上创建索引，但也不能实时运行。鉴于此，最初的设计是仅向客户显示汇总报告，并保留原始数据用以内部故障排除。

汇总摘要的问题在于，它们只能处理基数较低（大量唯一值）的列。通过聚合，给定时间范围内的每个列都会扩展到很大的行数（与唯一条目个数相等），因此可以将响应码（例如只有12个可能的值，但不包含查询名称）进行聚合。如果域名受欢迎，假设每分钟被查询1000次，那么可以预期每分钟做聚合可以减少1000倍的数据，然而实际上并不是这样。

由于DNS缓存的存在，解析器在TTL期间不会进行DNS查询。 TTL往往超过一分钟。因此，服务器多次看到相同的请求，而我们的数据则偏向于不可缓存的查询，如拼写错误或随机前缀子域名攻击。在实践中，当用域名进行聚合时，我们可以看到最多可以减少为原来的1/60的行数，而多个分辨率存储聚合几乎可以抵消行减少。使用多个分辨率和键组合也可以完成聚合，因此聚合在高基数列上甚至可以产生比原始数据更多的行。

由于这些原因，我们首先在zone层次上汇总日志，这对于趋势分析来说已经足够，但是对于具体原因分析来说则太过粗糙。例如，我们正在调查其中一个数据中心的流量短暂爆发。具有未聚合的数据使我们能够将问题缩小到特定DNS查询，然后将查询与错误配置的防火墙规则相关联。像这样的情况下，只有汇总日志就有问题，因为它只聚合一小部分请求。

所以我们开始研究几个OLAP系统。我们研究的第一个系统是Druid。我们对前端（Pivot和以前的Caravel）是如何切分数据的能力印象很深刻，他使我们能够生成具有任意维度的报告。 Druid已经被部署在类似的环境中，每天超过1000亿事件，所以我们对它可以工作很有信心，但是在对抽样数据进行测试之后，我们无法证明数百个节点的硬件成本。几乎在同一时间，Yandex开源了他们的OLAP系统ClickHouse。

ClickHouse

ClickHouse的系统设计更加简单，集群中的所有节点具有相同的功能，使用ZooKeeper进行协调。我们建立了一个由几个节点组成的集群，发现性能相当可观，所以我们继续构建了一个概念验证。我们遇到的第一个障碍是缺少工具和社区规模的规模太小，所以我们钻研了ClickHouse设计，以了解它是如何工作的。

ClickHouse不直接支持Kafka，因为它只是一个数据库，所以我们使用Go写了一个适配器服务。它读取来自Kafka的使用Cap'n Proto编码的消息，将它们转换为TSV，并通过HTTP接口分批插入ClickHouse。后来，我们讲ClickHouse的HTTP接口替换为GO SQL驱动，以提高性能。从那以后，我们就开始为该项目提供了性能改进。我们在性能评估过程中学到的一件事是，ClickHouse写入性能很大程度上取决于批量的大小，即一次插入的行数。为了理解为什么，我们需要进一步了解了ClickHouse如何存储数据。

ClickHouse用于存储的最常见的表引擎是MergeTree系列。它在概念上类似于Google的BigTable或Apache Cassandra中使用的LSM算法，但它避免了中间内存表，并直接写入磁盘。这使得写入吞吐量非常出色，因为每个插入的批次只能通过“主键”进行排序，压缩并写入磁盘以形成一个段。没有内存表也意味着他仅仅追加数据，并且不支持数据修改或删除。当前删除数据的唯一方法是按日历月份删除数据，因为段不会与月份边界重叠。 ClickHouse团队正在积极致力于使这个功能可配置。另一方面，这使得写入和段合并无冲突，因此吞吐量与并行插入的数量成线性比例关系，直到I/O跑满。但是，这也意味着它不适合小批量生产，这就是为什么我们依靠Kafka和插入器服务进行缓冲的原因。 ClickHouse在后台不断合并，所以很多段将被合并和写多次（从而增加写放大），太多未合并的段将触发写入限流，直到合并完成。我们发现，每秒钟每张表的插入一次效果最好。

表读性能的关键是索引和数据在磁盘上的排列。无论处理速度有多快，当引擎需要从磁盘扫描太多数据时，这都需要大量时间。ClickHouse是一个列式存储，因此每个段都包含每个列的文件，每行都有排序值。通过这种方式，可以跳过查询中不存在的列，然后可以通过向量化执行并行处理多个单元。为了避免完整的扫描，每个段也有一个稀疏的索引文件。鉴于所有列都按“主键”排序，索引文件仅包含每第N行的标记（捕获行），以便即使对于非常大的表也可以将其保留在内存中。例如，默认设置是每隔8192行做一个标记。这种方式只需要122,070个标记来具有1万亿行的表格进行索引。在这里可以查看ClickHouse中的主键，深入了解它的工作原理。

使用主键列查询时，索引返回考虑行的大致范围。理想情况下，范围应该是宽而连续的。例如，当典型用法是为单个区域生成报告时，将区域放在主键的第一个位置将导致按每个区域进行排序，使得磁盘读取单个区域连续，而如果按主要时间戳排序则在生成报告是无法保证连续。行只能以一种方式排序，因此必须仔细选择主键，并考虑典型的查询负载。在我们的例子中，我们优化了单个区域的读取查询，并为探索性查询提供了一个带有采样数据的独立表格。从中吸取的教训是，我们不是试图为了各种目的而优化索引，而是分解差异并多加一些表。

这样专有化设计的结果就是在区域上聚合的表格。由于没有办法过滤数据，因此扫描所有行的查询都要昂贵得多。这使得分析师在长时间计算基本聚合时不那么实际，所以我们决定使用物化视图来增量计算预定义聚合，例如计数器，唯一键和分位数。物化视图利用批量插入的排序阶段来执行生产性工作 - 计算聚合。因此，在新插入的段被排序之后，它也会生成一个表格，其中的行代表维度，而列代表聚合函数状态。聚合状态和最终结果之间的区别在于，我们可以使用任意时间分辨率生成报告，而无需实际存储多个分辨率的预计算数据。在某些情况下，状态和结果可能是相同的 - 例如基本计数器，每小时计数可以通过累计每分钟计数来产生，但是对独特的访问者或延迟分位数求和是没有意义的。这是聚合状态更有用的时候，因为它允许有意义地合并更复杂的状态，如HyperLogLog（HLL）位图，以便每小时聚合生成每小时独立访问者估计值。缺点是存储状态可能比存储最终值要昂贵的多 - 上述HLL状态在压缩时大概有20-100字节/行，而计数器只有8字节（平均压缩1个字节）。使用这些表可以快速地将整个区域或站点的总体趋势形象化, 并且我们的 API 服务也使用它们做简单查询。在同一位置同时使用增量聚合和没有聚合的数据, 我们可以通过流处理完全简化体系结构。

基础设施和数据整合

我们使用12个6TB磁盘做RAID-10，但在一次磁盘故障之后重新进行了评估。在第二次迭代中，我们迁移到了RAID-0，原因有两个。首先，不能热插拔有故障的磁盘，其次阵列重建花费了数十个小时，这降低了I/O性能。更换故障节点并使用内部复制通过网络（2x10GbE）填充数据比等待阵列完成重建要快得多。为了弥补节点故障的可能性较高，我们切换到3路复制，并将每个分片的副本分配到不同的机架，并开始规划复制到单独的数据仓库。

另一个磁盘故障突出了我们使用的文件系统的问题。最初我们使用XFS，但它在复制过程中开始在同一时间从2个对等点进行锁定, 从而在完成之前中断了段复制。这个问题表现为大量I/O活动，由于损坏的部分被删除，磁盘使用量增加很少，所以我们逐渐迁移到了ext4，该文件系统就没有这个问题。

数据可视化

当时我们只依靠Pandas和ClickHouse的HTTP接口进行临时分析，但是我们希望使分析和监控更容易。 因为我们知道Caravel（现在更名为Superset ），我们就把它和ClickHouse进行了整合。

Superset是一个直观的数据可视化平台，它允许分析人员在不写一行SQL的情况下交互地切片和切分数据。 它最初是由AirBnB为Druid构建和开源的，但是随着时间的推移，它已经通过使用SQLAlchemy（一种抽象和ORM）为数十种不同的数据库方言提供了基于SQL的后端的支持。 所以我们编写并开源了一个ClickHouse方言，并集成到Superset。

Superset为我们提供了特别的可视化服务，但是对于我们的监控用例来说，它仍然不够完善。 在Cloudflare，我们大量使用Grafana来可视化所有指标，所以我们将它与Grafana集成并进行开源。

它使我们能够用新的分析数据无缝地扩展我们现有的监测仪表板。 我们非常喜欢这个功能，因此我们希望能够为用户提供同样的能力来查看分析数据。 因此，我们构建了一个Grafana应用程序，以便可视化来自Cloudflare DNS Analytics的数据。 最后，我们在您的Cloudflare仪表板分析中提供了它。 随着时间的推移，我们将添加新的数据源，维度和其他有用的方法来显示Cloudflare中的数据。

原文来自:高可用架构

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