Hologres揭秘:高功能原生减速MaxCompute核心原理

Hologres(中文名交互式综合)是阿里云自研的一站式及时数仓,这个云原生系统融合了及时服务和综合大数据的场景,全面兼容PostgreSQL协议并与大数据生态无缝打通,能用同一套数据架构同时支援及时写入及时查问以及及时离线联邦综合。它的出现简化了业务的架构,与此同时为业务提供及时决策的能力,让大数据发挥出更大的商业价值。从阿里集团诞生到云上商业化,随着业务的发展和技术的演进,Hologres也在持续不断优化核心技术竞争力,为了让大家更加了解Hologres,我们计划持续推出Hologres底层技术原理揭秘系列,从

Hologres(中文名交互式综合)是阿里云自研的一站式及时数仓,这个云原生系统融合了及时服务和综合大数据的场景,全面兼容PostgreSQL协议并与大数据生态无缝打通,能用同一套数据架构同时支援及时写入及时查问以及及时离线联邦综合。它的出现简化了业务的架构,与此同时为业务提供及时决策的能力,让大数据发挥出更大的商业价值。从阿里集团诞生到云上商业化,随着业务的发展和技术的演进,Hologres也在持续不断优化核心技术竞争力,为了让大家更加了解Hologres,我们计划持续推出Hologres底层技术原理揭秘系列,从高功能保存引擎到高效率查问引擎,高吞吐写入到高QPS查问等,全方位解读Hologres,请持续关注!

本期我们将带来Hologres高功能原生减速查问MaxCompute的技术原理解析。

随着数据收集手段不断丰富,行业数据大量积累,数据规模已增长到了传统软件行业无法承载的海量数据(TB、PB、EB)级别,MaxCompute(原名ODPS)也因此应运而生,致力于批量结构化数据的保存和计算,提供海量数据仓库的解决方案及综合建模服务,是一种快速、完全托管的EB级数据仓库解决方案。

Hologres在离线大数据场景上与MaxCompute天然无缝融合,无需数据导入导出就能实现减速查问MaxCompute,全兼容考察各种MaxCompute文件格式,实现对PB级离线数据的毫秒级交互式综合。而这一切的背后,都离不开Hologres背后的执行器SQE(S Query Engine),通过SQE实现对MaxCompute的Native考察,然后再结合Hologres高功能分布式执行引擎HQE的处理,达到极致功能。

Hologres减速查问MaxCompute主要有以下几个优势:

高功能:可以直接对MaxCompute数据减速查问,具有亚秒级响应的查问功能,在OLAP场景可以直接即席查问,满足绝大多数报表等综合场景。低成本:MaxCompute经过数年的发展,用户在MaxCompute上保存了大量数据,不需要冗余一份保存可直接进行考察;另一方面用户可以只需将部分高功能场景的数据迁移到SSD上,报表等综合场景的数据可以保存在MaxCompute进一步降低成本。更高效:实现对MaxCompute的Native考察,无需迁移和导入数据,就可以高功能和全兼容的考察各种MaxCompute文件格式,以及Hash/Range Clustered Table等复杂表,降低用户的使用成本。

SQE 架构介绍

Hologres揭秘:高功能原生减速MaxCompute核心原理

如上图所示是SQE的整体架构,可以看出整个架构也是非常简单。MaxCompute的数据统一保存在Pangu,当Hologres执行一条Query去减速查问MaxCompute的数据时,在Hologres端:

Hologres Frontend通过RPC向SQE Master请求获取Meta等相关信息。Hologres Blackhole 通过 RPC 向 SQE Executor 请求获取具体的数据相关信息。SQE由两种角色的进程组成:SQE Master负责处理Meta相关的请求,主要负责获取表、分区元数据、鉴权以及文件分片等功能。SQE Executor作为SQE的核心,负责具体读取数据请求,涉及Block Cache、预读取、UDF 处理、表达式下推处理、索引处理、Metric、Meter等等功能。

MaxCompute外观引擎核心技术创新

基于SQE的架构,能做到对MaxCompute的数据高功能减速查问,主要是基于以下技术创新优势:

1)抽象分布式外观

结合MaxCompute的分布式特性,Hologres抽象了一个分布式的外观,来支援考察MaxCompute分布式数据。目前可支援考察跨集群的MaxCompute分布式盘古文件,并按MaxCompute计算集群就近读取。

2)和 MaxCompute Meta无缝互通,支援带版本的元数据缓存

SQE和MaxCompute 的 Meta 无缝互通,可以做到 Meta 和 Data 及时获取,支援通过Import Foreign Schema命令,自动同步MaxCompute的元数据到Hologres的外观,实现外观的自动创建,结构自动更新。

3)支援UDF/表达式下推

SQE 通过支援 UDF/表达式下推,来实现用户自定义的UDF计算;将表达式下推可以减少无用的数据传输带来的开销,进一步提高功能。

4)异步ORC Reader,异步prefetch

目前MaxCompute大部分数据为ORC格式,在Hologres V0.10及以上版本,Hologres更新了执行引擎,使用异步 Reader 进行更高效的异步读取,还支援异步prefetch,进一步降低读取延迟;此外Hologres支援了 IO 合并、LazyRead、Lazy Decoding 等一些列的优化技术手段,来降低在 IO 在整个查问上的延迟,以带来极致功能。

5)支援Block Cache

为了避免每次读数据都用IO到文件中取,SQE同样使用BlockCache把常用和最近用的数据放在内存中,减少不必要的IO,加快读的功能。在同一个节点内,通过一致性Hash实现将相同考察的数据共享一个Block Cache。 比如在Scan 场景可带来2倍以上的功能提高,大大提高查问功能。

6)常驻进程,减少调度开销

传统的进程模型等架构需要动态及时的创建进程等调度操作,带来了较大的调度开销。SQE 采用常驻进程模式,避免不必要的调度开销,此外还可以大大提高Block Cache的命中率和有效使用率。

7)Network Shuffle,减少落盘开销

Network Shuffle需要提供一种快速且稳定的容错机制。由于Network Shuffle必须保证发送端和接收端进程同时alive才能完成数据shuffle。同样的,如果采用传统落盘的方式来进行Network Shuffle的Retry,虽然能够保证稳定性,但是可能会在Retry过程中由于磁盘IO引入比较大的功能overhead。为了解决这个问题,我们优化了分阶段调度来解决快速稳定的容错问题。

MaxCompute外观引擎升级到HQE

上面提到了我们通过SQE进行减速查问MaxCompute外观,通过SQE查问时功能可以做到很好,但是和Hologres交互时中间会有一层RPC 交互,在数据量较大时网络会存在一定瓶颈。

因此我们基于Hologres已有的能力,在Hologres V0.10及以上版本我们对执行引擎进行了优化,支援Hologres HQE查问引擎直读MaxCompute 表,在功能上得到进一步的提高,较SQE方式读取有 30%以上的功能提高。

这主要得益于以下几个方面:

1) 节省了 SQE 和 Hologres中间 RPC 的交互,相当于节省一次数据的序列化和反序列化,在功能上得到进一步的提高。

2) 可以复用Hologres的Block Cache,这样第二次查问时无需考察保存,避免保存IO,直接从内存考察数据,更好的减速查问。

3) 可以复用已有的Filter 下推能力,减少需要处理的数据量。

4) 在底层的IO层实现了预读和Cache,更进一步减速Scan时的功能。

以下是某客户某实际在线业务查问的功能数据:

E2E运行时间

SQL Num

SQE查问功能(平均响应)

HQE查问功能(平均响应)

功能提高

2-10s

547

4,956 ms

2,609 ms

+47.34%

10-30s

207

16,757 ms

5,457 ms

+67.43%

30s以上

63

78,686 ms

12,666 ms

+83.90%

Total

817

13,631 ms

4,106 ms

+69.87%

执行817个SQL,总体功能提高70%,其中长 Query 提高80%以上。

说明:该优化目前已在Hologres V0.10上线,欢迎点击查看文档使用。

MaxCompute减速场景选择

在Hologres中减速查问MaxCompute有两种方式:

1)创建外观(数据还是保存在MaxCompute中),功能相比在MaxCompute中查问会有2-5倍的提高

2)导入内表,功能相比外观约有10-100倍的提高

创建外观的方式其原理就是PostgreSQL中的Foreign Data Wrappers,通过外部考察接口,来考察保存在外部的数据。建议您使用更方便的IMPORT FOREIGN SCHEMA 方式来创建外观,可以更好的简化元数据的同步,无需关注字段类型映射等。

直接建外观并的方式实际上是利用查问引擎的优化能力来提高效率的,但是没有利用到Hologres的索引能力。所以当把外观导到内表的时候,可以根据查问的方式指定内表的索引结构,通过这些索引能力带来更高的查问功能。这就是外观导入内表,内表的功能更好的原因,可以充分发挥数仓的索引优化能力。

目前这两种方式主要对比如下:

场景/维度

功能

保存成本

数据量

索引

便捷性

Hologres 内表

非常好

(SSD)

可支援PB级

可支援位图、聚簇等多种索引

需要导入数据

Hologres 外观

较好

(HDD)

单次Query查问200GB限制

只支援ODPS索引

无需迁移和导入数据

从上面对比可以看出:

如果您是数据量很大、对功能有很高的要求时(比如100ms内等),对查问延迟敏感,对查问有SLA要求时,建议您将数据导入Hologres内表,进行查问考察。如果是临时性的探索性综合,或者对延迟不敏感的内部业务,可以使用MaxCompute外观方式,减少数据移动。除上述场景外,您可以根据具体业务情况选择合适的使用场景。

MaxCompute与Hologres的组合关系

上面介绍了很多Hologres外观查问引擎如何减速查问MaxCompute的场景,但并不是说所有类型的查问都适合在Hologres的外观引擎上执行。

Hologres是针对交互式综合场景设计的同步的查问引擎,面向的是大数据进,小数据出的场景,典型用在Serving和Analytics的场景。而MaxCompute是针对海量数据加工处理处理场景设计的异步的数据加工引擎,面向的是大数据进,大数据出的场景,典型用在ETL的场景。在ETL的场景,作业异步提交,IO接口针对Scan优化,计算过程需要节点的冗余设计支撑高可用,需要计算状态落盘从而可以在失败时自动重试,而这些都是Hologres不具备的能力。因此MaxCompute+Hologres组合在一起,形成了数据加工+服务的一站式体验,减少了数据的隔离和冗余,可以为大数据数仓提供合理的解决方案架构,支撑及时离线一体化的开发体验。

Hologres揭秘:高功能原生减速MaxCompute核心原理总结

Hologres通过SQE与MaxCompute深度整合,充分利用Hologres和MaxCompute的优势,以极致功能为目标,直接就能减速查问MaxCompute数据,让用户更方便高效的进行交互式综合,同时也降低了极大的综合成本,实现离线数仓服务一体化。

作者简介:王奇(花名慧青),阿里巴巴技术专家,现从事交互式综合引擎Hologres研发工作。

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