基于Elasticsearch的Nginx日志分析平臺的研究與實現(xiàn)

宋斌偉?鄧汪濤?馬騁犇?阮曉龍

摘? 要：Nginx日志詳細記錄了網(wǎng)站訪問信息，可從中了解網(wǎng)站運行實況和用戶訪問行為，分析Nginx日志，可洞悉業(yè)務整體負載情況，幫助優(yōu)化服務器結(jié)構(gòu)，避免業(yè)務安全和運行事故，提升競爭力。基于Elasticsearch，構(gòu)建日志實時采集、清洗、存儲的完整日志處理流程，自主開發(fā)Nginx日志分析平臺，實現(xiàn)日志實時分析與可視化，并探討總結(jié)了平臺自底向上的高可用設(shè)計。在實踐中應用表明，該平臺具有很高的日志分析、業(yè)務洞悉能力，能有效指導智能監(jiān)控運維工作。

關(guān)鍵詞：Nginx;日志分析;Elasticsearch;實時監(jiān)控;智能監(jiān)控

中圖分類號：TP311? ? ? ?文獻標識碼：A文章編號：2096-4706（2022）06-0001-08

Research and Implementation of Nginx Log Analysis Platform Based on Elasticsearch

SONG Binwei1， DENG Wangtao1， MA Chengben1， RUAN Xiaolong2

（1.Shangzhen Shuyuan， Henan University of Chinese Medicine， Zhengzhou? 450046， China; 2.School of Information Technology， Henan University of Chinese Medicine， Zhengzhou? 450046， China）

Abstract： The Nginx log records the access information of the website in detail， from which we can understand the current operation situation of the website and the users access behavior. Analyzing the Nginx log can insight into the overall load situation of the business， help to optimize the server structure， avoid business security and operation accidents， and enhance competitiveness. Based on Elasticsearch， this paper constructs a complete log processing flow of real-time log collection， cleaning and storage， independently develops the log analysis platform of Nginx， realizes real-time log analysis and visualization， and discusses and summarizes the bottom-up high availability design of the platform. The practical application shows that the platform has high ability of log analysis and business insight， which can effectively guide the operation and maintenance of intelligent monitoring.

Keyword： Nginx; log analysis; Elasticsearch; real-time monitoring; intelligent monitoring

0? 引? 言

日志一般指服務器自動創(chuàng)建和維護的文件，是系統(tǒng)運行監(jiān)控、異常服務預警、服務器性能監(jiān)控的重要數(shù)據(jù)來源，對于任何平臺而言均是重要的構(gòu)成部分。隨著5G互聯(lián)網(wǎng)時代的到來，服務器日志數(shù)量正在呈指數(shù)級增長且分散存儲，日志結(jié)構(gòu)日趨復雜，結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化日志混雜，導致傳統(tǒng)的日志分析方式[1，2]已不能滿足現(xiàn)如今的日志分析需求。以往，運維人員只能通過遠程管理工具連接到對應的服務器，以人工的方式進行事故后、靜態(tài)的日志分析和審計操作。正是因為這種狀況的普遍存在，所以出現(xiàn)了以Elastic Stack為代表的日志分析套件，主要包括Beats、Logstash、Elasticsearch和Kibana等軟件組合，通過組合使用以實現(xiàn)完整日志可視化分析。這種方式具備眾多優(yōu)點，如配置便捷、數(shù)據(jù)可視等，但是也存在局限性，比如特定業(yè)務使用其Kibana組件，并不能滿足定制化日志分析需求。

針對Elastic Stack自身功能存在的局限性，本文基于其核心組件Elasticsearch自主設(shè)計開發(fā)了一套Nginx日志分析平臺。在開發(fā)過程中設(shè)計了體系完整的Nginx日志分析模型，以實現(xiàn)多元化日志可視化分析。在部署過程中進行了整體高可用設(shè)計，以滿足平臺的無間斷服務需求。整個平臺旨在將日志數(shù)據(jù)實時、完整、清晰地呈現(xiàn)在運維人員或用戶面前，打造一個建的成、看得見、管得住、用得好的日志大數(shù)據(jù)分析平臺。

1? 相關(guān)研究

國內(nèi)外很多研究機構(gòu)和重點實驗室均做了日志分析領(lǐng)域的相關(guān)研究，如莫斯科技術(shù)大學、清華大學智能技術(shù)與系統(tǒng)國家重點實驗室、中國科學技術(shù)大學等。

文獻[3]分析了大數(shù)據(jù)的可能來源以及相關(guān)處理的問題，提出了一種基于Elasticsearch引擎和MapReduce模型的系統(tǒng)來解決用戶驗證的問題。文獻[4]通過研究日志大數(shù)據(jù)分析，來提高搜索引擎查詢信息的能力。文獻[5]使用了Flume、Elasticsearch以及Kibana等技術(shù)手段，提出一種分布式的日志采集分析系統(tǒng)，論證了Flume的分布式的日志采集分析系統(tǒng)方案具有可行性。文獻[6]基于ELK Stack建設(shè)系統(tǒng)，探索了其工作原理。文獻[7]設(shè)計了一種基于云計算的Hadoop集群框架的Web日志分析平臺，在集群中運用分布式算法處理海量的Web日志數(shù)據(jù)。文獻[8]基于ELK技術(shù)棧，結(jié)合Kafka探索了智慧運維大數(shù)據(jù)分析平臺的解決方案。5201FFD8-8CFA-400F-A3C5-4C10FFCBC5BA

可見，在日志分析領(lǐng)域大多使用開源技術(shù)棧來進行，特別是以Elastic Stack為代表的開源日志解決方案，在高校校園網(wǎng)[9]、天文系統(tǒng)[10]、氣象學[11]等均有相關(guān)的運用和實踐，并且有著相對不錯的應用效果。但是基于開源軟件建設(shè)日志分析平臺，對于特定業(yè)務場景下的日志分析工作，凸顯出分析模型單一、配置不夠靈活多樣的問題，不能很好根據(jù)實際狀況滿足分析需求。本文在此基礎(chǔ)之上，基于Elasticsearch進一步自主研發(fā)Nginx日志分析平臺，滿足Nginx日志分析的特定需求。

2? 基于Elasticsearch的日志分析平臺

2.1? 架構(gòu)設(shè)計

本平臺結(jié)合Nginx日志所存儲的服務器物理環(huán)境多樣化的實際情況，為保證平臺的可靠性、可擴展性，結(jié)合多服務器采集的分布式平臺架構(gòu)的核心思想，分層設(shè)計了主要包括日志采集、日志清洗、日志存儲、可視化平臺等4大模塊，架構(gòu)如圖1所示。

2.2? 日志實時采集

日志實時采集是日志分析平臺的基礎(chǔ)工程，目前很多應用服務是分布在不同的物理或虛擬化服務器上的，怎樣將這些分散的日志聚合起來，是需要解決的重要問題。本平臺采用了Beats進行分布式部署，構(gòu)建日志實時采集系統(tǒng)。

Beats是各種單一采集器的集合，安裝后被作為輕量型Agent。常用的Beats采集器有采集日志文件的Filebeat、采集服務器性能指標的Metricbeat、采集網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的PacketBeat等。

本平臺采用Filebeat采集Nginx日志數(shù)據(jù)。Filebeat工作時會啟動一個或多個探測器，根據(jù)提前指定的文件路徑找到日志文件。對于找到的每個日志文件，探測器會啟動相應的harvester進程，進行日志文件的實時收集，并不斷發(fā)送到Spooler中集合，最后將日志送往指定的區(qū)域。本平臺中是把日志發(fā)送到Logstash中進一步處理，工作流程如圖2所示。

2.3? 日志清洗

日志清洗是通過切分數(shù)據(jù)、靜態(tài)連接等方式，將日志數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為Key-Value的過程。本平臺使用Logstash實現(xiàn)日志清洗，其在日志分析中充當porter，是數(shù)據(jù)源與數(shù)據(jù)存儲之間的橋梁。

Logstash接收從多種數(shù)據(jù)源頭的輸入，對數(shù)據(jù)進行分析、過濾、統(tǒng)一格式后輸出到用戶指定的儲存庫當中。Logstash工作時創(chuàng)建Pipeline，包括Input、Filter和Output完整的工作流程，其中Input用于從數(shù)據(jù)源獲取數(shù)據(jù)，F(xiàn)ilter用于處理數(shù)據(jù)，Output用于數(shù)據(jù)輸出。

本平臺將分布式的Beats中的日志數(shù)據(jù)作為Input，通過Filter將日志數(shù)據(jù)進行清洗，最后Output將數(shù)據(jù)輸出到Elasticsearch集群中進行存儲。在這個過程中Filter是關(guān)鍵，一般使用Grok插件實現(xiàn)正則過濾，清洗原始日志，工作步驟如圖3所示。

2.4? 日志存儲

Elasticsearch是一個在Lucene基礎(chǔ)之上建立起來的分布式多用戶能力的全文搜索引擎，可以集中進行數(shù)據(jù)存儲，基于RESTful API，具有實時搜索、穩(wěn)定、可靠、快速的特性，可滿足日志大據(jù)分析的存儲需求。

Elasticsearch以集群方式部署，節(jié)點分為Master Node、Data Node、Client Node。Master Node負責集群當中的數(shù)據(jù)負載均衡和數(shù)據(jù)索引的創(chuàng)建、刪除等;Data Node負責數(shù)據(jù)的存儲、搜索和索引，負載壓力較大，對服務器的配置要求相對較高;Client Node負責路由請求，對不同的請求進行分發(fā)、匯總的操作，本質(zhì)上是負載均衡，以適合高并發(fā)的日志存儲場景。

本平臺使用5臺服務器建設(shè)Elasticsearch存儲集群，服務器使用CentOS操作系統(tǒng)，建設(shè)1個Master Node、4個Data Node的以實現(xiàn)高容量、高可靠、高性能的存儲，拓撲結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2.5? 日志分析平臺

日志分析平臺是日志大數(shù)據(jù)分析的最后一步，可視化呈現(xiàn)將數(shù)據(jù)庫中抽象的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成直觀的圖表，幫助用戶看見重要信息，通過圖表洞悉業(yè)務。

本平臺自主研發(fā)構(gòu)建日志可視化分析平臺。前端使用Vue可以極大的縮減開發(fā)周期，View UI是建立在Vue的開源UI庫，使用這兩個框架，進行快速開發(fā)迭代，給平臺的界面帶來了美觀的直觀感受，充分提升了用戶體驗。后端使用PHP框架Yii實現(xiàn)MVC設(shè)計模式，后端代碼更簡潔優(yōu)雅，對關(guān)系型和非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫提供查詢生成器，對RESTful API進行支持。本平臺使用Yii框架與Elasticsearch集群交互，獲取實時日志數(shù)據(jù)，實現(xiàn)秒級數(shù)據(jù)讀取和前端渲染。Mariadb數(shù)據(jù)庫主要作為數(shù)據(jù)緩沖池，并存儲日志分析平臺所需要的賬號信息等。

日志可視化分析平臺，使用容器技術(shù)docker，分別部署Web服務集群和數(shù)據(jù)庫服務集群。部署結(jié)構(gòu)如圖5所示。

部署的關(guān)鍵腳本為：

# pull docker images

docker pull php：7.2.34-apache

docker pull mariadb：10.7

# create directory

mkdir -p /data/qianniuhua-app/manage

mkdir -p /data/qianniuhua-app/portal

mkdir -p /data/qianniuhua-db

mkdir -p /data/qianniuhua-conf

# create network5201FFD8-8CFA-400F-A3C5-4C10FFCBC5BA

docker network create -d bridge qianniuhua-network

# run container

docker run -d -p 3306：3306 --privileged=true --network qianniuhua-network -e MYSQL_ROOT_PASSWORD=qianniuhua@1q2w -v /data/qianniuhua-db/：/var/lib/mysql：rw --name qianniuhua-db mariadb：10.7

docker run -d -p 80：80 --privileged=true --network qianniuhua-network -v /data/qianniuhua-app/：/var/www/html：rw -v /data/qianniuhua-conf/：/etc/apache2/sites-enabled：rw --name qianniuhua-app php：7.2.34-apache

cp -r app/* /data/qianniuhua-app/

cp -r conf/* /data/qianniuhua-conf/

docker restart qianniuhua-app

3? 高可用設(shè)計

3.1? 日志采集清洗的高可用

日志采集清洗要保證在服務器日志采集、日志推送、日志清洗過程的高效性和可靠性。

本平臺將Filebeat部署在不同目標服務器上，實現(xiàn)單臺服務器內(nèi)部的日志集中采集和主動推送。由于日志數(shù)據(jù)量大，為避免數(shù)據(jù)丟失，提高峰值處理能力，在日志推送過程中加入Kafka消息隊列，對日志數(shù)據(jù)進行隊列化管理直到日志被處理，防止丟失。在日志量激增時，Kafka采用的緩沖機制，可有效提高日志數(shù)據(jù)處理能力，保證高效性。

部署多節(jié)點Logstash，避免因單點故障造成日志清洗功能不可用，實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理的容災。在Logstash集群中，對每一個Logstash配置允許多個輸入源，用于處理Kafka中Filebeat推送的日志，對于輸出也配置允許多個輸出源，配合Elasticsearch集群，輸出到不同的Data Node節(jié)點，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的多復制、多備份，實現(xiàn)日志采集清洗的高可用。

3.2? 日志存儲系統(tǒng)的高可用

日志存儲系統(tǒng)的高可用，就是對數(shù)據(jù)寫入、存儲、讀取過程采用彈性伸縮和冗余機制，保證數(shù)據(jù)高效讀寫和數(shù)據(jù)多備份。

本平臺采用集群實現(xiàn)高可用，使用了多臺物理服務器和物理存儲作為部署的基礎(chǔ)環(huán)境，在此基礎(chǔ)上采用Kubernetes架構(gòu)，部署主節(jié)點和工作節(jié)點，實現(xiàn)可以承載容器的云原生環(huán)境，通過docker部署Elasticsearch集群實現(xiàn)數(shù)據(jù)的冗余存儲和備份。由于集群docker處在Kubernetes構(gòu)建的云原生環(huán)境，因此具備彈性伸縮和修復能力。

在Kubernetes的管理下，Elasticsearch集群可以保持在數(shù)據(jù)存儲過程中，出現(xiàn)資源不夠情況下自動創(chuàng)建容器，為Elasticsearch集群增添Data Node。Kubernetes主節(jié)點中關(guān)鍵組件Controller Manager是高可用的關(guān)鍵，提供了故障，愈功能，在工作節(jié)點上運行的容器，旦出現(xiàn)故障，Kubernetes會自動拉起一個新的容器，如果是工作節(jié)點自身的故障，會進行自動故障轉(zhuǎn)移，保證在Kubernetes管理下的容器可以實現(xiàn)無間斷服務，實現(xiàn)了日志存儲系統(tǒng)的高可用。

3.3? 日志分析平臺的高可用

日志分析平臺的高可用從本質(zhì)上來講，就是Web服務系統(tǒng)的高可用。

本項目使用Docker集群部署2個日志分析平臺，通過Nginx反向代理進行負載均衡的發(fā)布。使用Docker集群部署3個MariaDB數(shù)據(jù)庫服務，通過主從同步方式建設(shè)MariaDB Cluster，實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫服務的讀寫分離，并保證數(shù)據(jù)一致性。部署結(jié)構(gòu)如圖6所示。

3.4? 安全加固

本平臺通過安全加固保證Web服務的穩(wěn)定性，數(shù)據(jù)庫的安全性。具體如下：

（1）操作系統(tǒng)層面。利用防火墻和SELinux，限制訪問關(guān)鍵性端口，配置僅保留一個入口供代理服務器訪問。嚴格系統(tǒng)賬戶管理，禁止root用戶遠程登錄，刪除非必要用戶。

（2）業(yè)務服務層面。使用Nginx反向代理，將客戶端直接到Web服務端的連接方式分離開，隱藏Web服務真實IP，提供安全保障。同時，代理服務器可作為應用層防火墻，為網(wǎng)站提供多種防護。

（3）數(shù)據(jù)庫層面。配置數(shù)據(jù)庫到內(nèi)部不常用端口，并限制其只對內(nèi)部提供服務，外部禁止連接。

（4）安全防護層面。使用Nmap定期對服務器和各項業(yè)務進行掃描，檢測操作系統(tǒng)、云原生平臺、容器、網(wǎng)站服務、數(shù)據(jù)庫的安全性，掃描常見漏洞和弱口令，開展針對性的安全加固配置。

4? 應用成效

4.1? 日志分析平臺的建設(shè)成效

本平臺的日志數(shù)據(jù)來源為河南中醫(yī)藥大學信息技術(shù)學院教學云平臺，教學云平臺目前提供有17套軟件服務、68項網(wǎng)站服務，每日新增訪問日志數(shù)據(jù)為2～5萬條。本系統(tǒng)對教學云平臺的業(yè)務服務日志進行分析，實現(xiàn)訪問數(shù)據(jù)概覽、業(yè)務運行實況、網(wǎng)站訪問分析、資源訪問分析和用戶畫像等。

本平臺訪問時需要登錄，如圖7所示，輸入賬號密碼并完成驗證后登錄。數(shù)據(jù)概覽功能通過生成多種圖表來展示日志數(shù)據(jù)，洞悉教學云平臺實時運行服務狀態(tài)，如圖8所示。運行實況功能監(jiān)控實時訪問情況，每60 s刷新訪問量曲線和訪問詳情列表，如圖9所示。訪客分析功能包括訪客分布、訪問方式等子功能，形成訪客畫像，洞察用戶使用何種瀏覽器、操作系統(tǒng)瀏覽網(wǎng)站最多等，指導運維人員對服務器和業(yè)務針對性優(yōu)化，提升服務質(zhì)量，如圖10所示。數(shù)據(jù)洞察功能包括盯屏分析、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、數(shù)據(jù)透視的子功能，具體是統(tǒng)計并展示整體的日志數(shù)據(jù)指標，如圖11所示。5201FFD8-8CFA-400F-A3C5-4C10FFCBC5BA

4.2? Nginx日志分析模型

本平臺結(jié)合Nginx原始日志字段，在數(shù)據(jù)清洗時引入GeoIP等數(shù)據(jù)，清洗后數(shù)據(jù)存儲的字段共67個，關(guān)鍵字段含義如表1所示。

清洗后JSON格式的日志數(shù)據(jù)的單條示例為：

{

“type”： “agwlog”，

“content_type”： “-”，

“client_addr”： “外網(wǎng)”，

“request_method”： “GET”，

“sent_http_connection”： “close”，

“server_addr”： “211.69.33.161”，

“args”： [

“...”

]，

“@timestamp”： “2022-01-19T10：36：35.757Z”，

“sent_http_location”： “-”，

“nginx_version”： “1.14.1”，

“sent_http_keep_alive”： “-”，

“index_array”： [

“...”

]，

“sent_http_last_modified”： “Tue， 11 Jan 2022 11：07：46 GMT”，

“messagedata”： “topic”，

“scheme”： “http”，

“http_referer”： “-”，

“ua_os”： “Windows 7”，

“sent_http_transfer_encoding”： “chunked”，

“sent_http_cache_control”： “-”，

“server_name”： “it.hactcm.edu.cn”，

“ua_br”： “IE 9”，

“binary_remote_addr”： “tr＼＼x15＼＼x0A”，

“content_length”： “-”，

“request_uri”： “/”，

“pid”： “14016”，

“ua_se”： “direct”，

“request_body”： “-”，

“remote_user”： “-”，

“remote_addr”： “116.114.21.10”，

“server_port”： “80”，

“query_string”： “-”，

“l(fā)imit_rate”： “0”，

“realpath_root”： “/usr/share/nginx/html”，

“http_x_forwarded_for”： “＼”-＼””，

“sent_http_content_length”： “-”，

“sent_http_content_type2”： [

“...”

]，

“request_completion”： “OK”，

“accept_length”： 365，

“http_post”： “-”，

“n_host”： “it.hactcm.edu.cn”，

“request”： “＼”GET / HTTP/1.1＼””，

“document_root”： “/usr/share/nginx/html”，

“sent_http_content_type”： [

“...”

]，

“uri”： “/”，

“request_body_file”： “-”，

“server_protocol”： “HTTP/1.1”，

“l(fā)ocal_time”： “2022-01-19T10：36：48.000Z”，

“server_name_ana_arr”： [

“...”

]，

“status”： “200”，

“sent_http_content_type_addr”： “html”，

“l(fā)ocal_time_arr”： {}，

“sent_http_content_type1”： “ text”，

“body_bytQes_sent”： “ 378”，

“http_cookie”： “”，

“geoip”： {}，

“@version”： “1”，

“http_x_forwarder_for”： “-”，

“document_uri”： “/”，

“ua_sb”： “PC端”，

“remote_port”： “43400”，

“server_name_ana”： “hactcm.edu.cn”，

“body_bytes”： 0，

“hostname”： “it-nginx”，

“http_user_agent”： “Mozilla/5.0 （compatible; MSIE 9.0; Windows NT 6.1; Trident/5.0”，5201FFD8-8CFA-400F-A3C5-4C10FFCBC5BA

“_index”： “asc-ser-sevi-agw-agwlog-211069033161-2022.01.19”，

“_type”： “_doc”，

“_id”： “0szocX4BVDckT1ER6EIc”

}

本平臺針對Web業(yè)務的訪問特性和清洗后的字段，設(shè)計了體系的分析模型[12]，形成了數(shù)據(jù)概覽、運行實況、網(wǎng)站分析、訪客分析、數(shù)據(jù)洞察六個分析模塊，具體分析模型如表2所示。

5? 結(jié)? 論

本文基于Elasticsearch自主開發(fā)實現(xiàn)了Nginx日志分析平臺，針對Nginx日志分析這一特定場景，滿足了日志實時采集清洗、存儲、可視化的需要，詳細研究了日志分析平臺構(gòu)建的各個過程，定制化設(shè)計Nginx日志分析模型，洞察日志關(guān)鍵信息。在整體上為平臺設(shè)計高可用，形成一套行之有效的Nginx日志分析平臺解決方案。

本文還有許多不足之處，如在分析過程中只是直接進行清洗后日志數(shù)據(jù)分析，沒有進一步分析日志各字段深層聯(lián)系，對日志的關(guān)聯(lián)分析和智能分析不足;日志與業(yè)務數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)沒有建立起來，使得日志分析與業(yè)務的耦合度不夠;預警消息的自動化推送尚未設(shè)計和實現(xiàn)。以上不足是今后需要重點研究和解決的問題。后期繼續(xù)在本文之上，探索人工智能技術(shù)與運維場景有機結(jié)合，使用海量日志數(shù)據(jù)訓練AIOps模型，打造一套智能監(jiān)控運維解決方案。

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作者簡介：宋斌偉（1998—），男，漢族，河南駐馬店人，本科在讀，研究方向：日志大數(shù)據(jù)與AIOps;鄧汪濤（2001—），男，漢族，河南開封人，本科在讀，研究方向：面向互聯(lián)網(wǎng)的軟件開發(fā);馬騁犇（2001—），男，漢族，河南洛陽人，本科在讀，研究方向：網(wǎng)絡(luò)與信息系統(tǒng)的運維管理;通訊作者：阮曉龍（1981—），男，漢族，河南鄭州人，副教授，經(jīng)濟學學士學位，工學學士學位，研究方向：智能運維計算機網(wǎng)絡(luò)軟件技術(shù)。

收稿日期：2022-02-20

基金項目：教育部2021年第一批產(chǎn)學合作協(xié)同育人項目（202101327018）;河南省教育廳2021年大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目（S202110471018）;河南中醫(yī)藥大學2021年苗圃工程（MP2021-118）5201FFD8-8CFA-400F-A3C5-4C10FFCBC5BA