Apache Doris:下一代实时数据仓库

发布于:2024-07-11 ⋅ 阅读:(26) ⋅ 点赞:(0)

概念

  • Apache Doris 是一个开源实时数据仓库。它可以从各种数据源收集数据,包括关系数据库(MySQL、PostgreSQL、SQL Server、Oracle等)、日志和来自物联网设备的时间序列数据。能够进行报告、即席分析、联合查询和日志分析,因此可用于支持仪表板、自助式 BI、A/B 测试、用户行为分析等。

Apache Doris 同时支持批量导入和流式写入。可以与 Apache Spark、Apache Hive、Apache Flink、Airbyte、DBT 和 Fivetran 很好地集成。还可以连接到 Apache Hive、Apache Hudi、Apache Iceberg、Delta Lake 和 Apache Paimon 等数据湖
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  • 作为实时 OLAP引擎,Apache Doris 在查询速度上具有竞争优势。根据TPC-H和SSB-Flat基准测试结果,Doris可以提供比Presto、Greenplum和ClickHouse更快的性能。
    至于其自我进化,过去两年无论是复杂查询还是平表分析,速度都提高了10倍以上。

架构设计

快速的原因——其性能的架构设计、特性和机制

基于成本的优化器

  • Apache Doris 有一个基于成本的优化器(CBO),可以为复杂的大查询找出最有效的执行计划。具有完全矢量化的执行引擎,可以减少虚拟函数调用和缓存未命中的问题。基于MPP(大规模并行处理),可以充分发挥用户的机器和内核。在 Doris 中,查询执行是数据驱动的,意味着查询是否被执行取决于其相关数据是否准备好,这可以更有效地利用 CPU。

面向列的数据库的快速点查询

  • Apache Doris 是一个面向列的数据库,因此它可以使数据压缩和数据分片变得更容易更快。但这可能不适合诸如面向客户的服务之类的情况。在这些情况下,数据平台必须同时处理大量用户的请求(这些请求称为“高并发点查询”),而拥有列式存储引擎将放大每秒的 I/O 操作,尤其是当数据排列在平面表中时。
    为了解决这个问题,Apache Doris 启用了混合存储,这意味着同时拥有行存储和列存储。
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  • 另外,由于点查询都是简单查询,因此调用查询规划器是不必要和浪费的,因此 Doris 为它们执行短路计划以减少开销。
    高并发点查询开销的另一个大来源是SQL解析。为此,Doris 准备了声明。预先计算 SQL 语句并缓存它们,以便可以复用于类似的查询。
  • 架构精简:系统只有Frontend(FE)和Backend(BE)两个模块,其中FE节点负责用户请求的接入、查询计划的解析、元数据存储及集群管理等工作,BE节点负责数据存储和查询计划的执行,自身就是一个完备的分布式数据库管理系统,用户无需安装任何第三方管控组件即可运行起Apache Doris 集群,并且部署和升级过程都非常简易。同时,任一模块都可以支持横向拓展,集群最高可以拓展到数百个节点,支持存储超过10PB的超大规模数据。
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  • 性能优异:自带高效的列式存储引擎,减少数据扫描量的同时还实现了超高的数据压缩比。同时Doris还提供了丰富的索引结构来加速数据读取与过滤,利用分区分桶裁剪功能,Doris可以支持在线服务业务的超高并发,单节点最高可支持上千QPS。更进一步,Apache Doris 结合了向量化执行引擎来充分发挥现代化CPU并行计算能力,辅以智能物化视图技术实现预聚合加速,并可以通过查询优化器同时进行基于规划和基于代价的查询优化。通过上述多种方式,实现了极致的查询性能。

数据摄取

  • Apache Doris 提供了一系列数据摄取方法。

  • 1.实时流写入:
    Stream Load:可以应用此方法通过 HTTP 写入本地文件或数据流。具有线性可扩展性,在某些用例中可以达到每秒 1000 万条记录的吞吐量。
    Flink-Doris-Connector:通过内置的 Flink CDC,该连接器将 OLTP 数据库中的数据提取到 Doris。至此,我们已经实现了MySQL、Oracle的数据自动同步到Doris。
    例程加载:这是从 Kafka 消息队列订阅数据。
    Insert Into:当您尝试在 Doris 内部进行 ETL 时(例如将数据从一个 Doris 表写入另一个 Doris 表)尤其有用。

  • 2.批量写入:
    Spark Load:通过这种方法,您可以在写入 Doris 之前利用 Spark 资源对来自 HDFS 和对象存储的数据进行预处理。
    Broker Load:支持 HDFS 和 S3 协议。
    insert into select from :这个简单的语句允许您将 Doris 连接到各种存储系统、数据湖和数据库。

  • 生态丰富:提供丰富的数据同步方式,支持快速加载来自本地、Hadoop、Flink、Spark、Kafka、SeaTunnel等系统中的数据,也可以直接访问MySQL、PostgreSQL、Oracle、S3、Hive、Iceberg、Elasticsearch等系统中的数据而无需数据复制。同时存储在Doris中的数据也可以被 Spark、Flink 读取,并且可以输出给上游数据应用进行展示分析。

数据更新

  • 1.对于数据更新,Apache Doris 需要提供的是,它同时支持 Merge on Read 和 Merge on Write,前者用于低频批量更新,后者用于实时写入。
  • 使用Merge on Write,当您执行查询时,最新的数据就已经准备好了,因此与Merge on Read相比,它可以将查询速度提高5到10倍。
  • 从实现的角度来看,以下是一些常见的数据更新操作,Doris 都支持:
    Upsert:替换或更新整行
    部分列更新:仅更新一行中的几列
    条件更新:通过组合几个条件过滤掉一些数据,以便替换或删除它
    Insert Overwrite:重写表或分区
  • 在某些情况下,数据更新是并发发生的,这意味着有大量新数据进入并试图修改现有数据记录,因此更新顺序非常重要。这就是为什么 Doris 允许您通过事务提交的顺序或序列列(您提前在表中指定的内容)来决定顺序。Doris 还支持根据指定谓词删除数据,这就是条件更新的方式。

服务可用性和数据可靠性

  • 除了查询和数据摄取方面的快速性能之外,Apache Doris 还提供服务可用性保证,具体如下:
    从架构上来说,Doris 有两个进程:前端和后端。它们都很容易扩展。
  • 前端节点管理集群、元数据并处理用户请求;后端节点执行查询并能够自动数据平衡和自动恢复。支持集群升级和扩展,避免服务中断。
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    • 稳定可靠:支持数据多副本存储,集群具备自愈功能,自身的分布式管理框架可以自动管理数据副本的分布、修复和均衡,副本损坏时系统可以自动感知并进行修复。节点扩容时,仅需一条SQL命令即可完成,数据分片会自动在节点间均衡,无需人工干预或操作。无论是扩容、缩容、单节点故障还是在升级过程中,系统都无需停止运行,可正常提供稳定可靠的在线服务。

跨集群复制

  • 企业用户,尤其是金融或电子商务领域的用户,需要备份其集群或整个数据中心,以防出现不可抗力。所以Doris 2.0 提供了跨集群复制(CCR)。通过 CCR,用户可以做很多事情:
    灾难恢复:用于快速恢复数据服务
    读写分离:主集群+从集群;一本用于阅读,一本用于写作
    集群隔离升级:对于集群扩展,CCR允许用户预先创建备份集群进行试运行,以便清除可能的不兼容问题和错误。
    测试表明 Doris CCR 可以达到几分钟的数据延迟。最好的情况下可以达到硬件环境的速度上限。
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多租户管理

  • Apache Doris 具有复杂的基于角色的访问控制,它允许在数据库、表、行和列级别进行细粒度的权限控制。
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  • 对于资源隔离,Doris 曾经实施了一个硬隔离方案,将后端节点划分为资源组,并将资源组分配给不同的工作负载。这个硬隔离计划简单又整洁。但有时用户需要更充分地利用其计算资源,因为某些资源组处于空闲状态。
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  • 因此,Doris 2.0 引入了工作负载组,而不是资源组。为工作负载组设置了关于其可以使用的资源数量的软限制。当达到该软限制时,同时有一些空闲资源可用。空闲资源将在工作负载组之间共享。用户还可以根据对空闲资源的访问来确定工作负载组的优先级。
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便于使用

  • Apache Doris 提供了许多功能,而且也易于使用。它支持标准SQL,并兼容MySQL协议和市场上大多数BI工具。
    我们为提高可用性所做的另一项努力是称为“轻架构更改”的功能。这意味着如果用户需要添加或删除表中的某些列,他们只需要更新前端的元数据,而不必修改所有数据文件。
  • 简单易用:支持标准ANSI SQL语法,包括单表聚合、排序、过滤和多表Join、子查询等,还支持窗口函数、Grouping Set等复杂SQL语法,同时用户可以通过UDF和UDAF等自定义函数来拓展系统功能。除此以外,Apache Doris 还实现了MySQL协议兼容,用户可以通过各类客户端工具来访问Doris,并支持与BI工具的无缝对接。

半结构化数据分析

半结构化数据的常见示例包括日志、可观测性数据和时间序列数据。这些案例需要无模式支持、较低的成本以及多维分析和全文搜索的能力。
在文本分析中,人们大多使用 LIKE 算子,因此我们花了很多精力来提高它的性能,包括将 LIKE 算子下推到存储层(以减少数据扫描),并引入 NGram Bloomfilter, Hyperscan 正则表达式匹配库和 Volnitsky 算法(用于子字符串匹配)。
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我们还引入了用于文本标记化的倒排索引。它是模糊关键字搜索、全文搜索、等价查询和范围查询的强大工具。

据仓一体

为了让用户构建高性能的数据湖和统一的查询网关,Doris 可以映射、缓存和自动刷新来自外部源的元数据。它支持 Hive Metastore 和几乎所有开放数据 Lakehouse 格式。您可以将其连接到关系数据库、Elasticsearch 和许多其他来源。它允许您在外部表上重用自己的身份验证系统,例如 Kerberos 和 Apache Ranger。

  • 基准测试结果显示,Apache Doris 在 Hive 表的查询中比 Trino 快 3~5 倍。它是以下几个特征的共同结果:
    高效的查询引擎
    热数据缓存机制
    计算节点
    Doris 视图
  • 计算节点是 2.0 版本中新引入的数据湖解决方案。与普通后端节点不同,计算节点是无状态的,不存储任何数据。它们也不参与集群扩展期间的数据平衡。这样,他们就可以在计算高峰期灵活、轻松地加入集群。
    另外,Doris还允许将外部表的计算结果写入Doris中形成视图。这与物化视图的思路类似:用空间换取速度。对外部表执行查询后,可以将结果放入Doris内部。当后续有类似的查询时,系统可以直接从 Doris 读取先前查询的结果,从而加快速度。

分层存储

  • 分层存储的主要目的是省钱。分层存储是指将热数据和冷数据分离到不同的存储中,热数据是经常访问的数据,冷数据是不经常访问的数据。它允许用户将热数据放入快速但昂贵的磁盘(例如SSD和HDD)中,将冷数据放入对象存储中。
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  • 粗略来说,对于80%冷数据组成的数据资产,分层存储可以降低您70%的存储成本。

词条

  • Apache Doris 是一个基于 MPP 架构的高性能、实时的分析型数据库,以极速易用的特点被人们所熟知,仅需亚秒级响应时间即可返回海量数据下的查询结果,不仅可以支持高并发的点查询场景,也能支持高吞吐的复杂分析场景。基于此,Apache Doris 能够较好的满足报表分析、即时查询、统一数仓构建、数据湖联邦查询加速等使用场景,用户可以在此之上构建用户行为分析、AB 实验平台、日志检索分析、用户画像分析、订单分析等应用。

诞生

  • Apache Doris 最早是诞生于百度广告报表业务的 Palo 项目,2017 年正式对外开源,2018 年 7 月由百度捐赠给 Apache 基金会进行孵化,之后在 Apache 导师的指导下由孵化器项目管理委员会成员进行孵化和运营。 [4-5]Apache Doris 社区已经聚集了来自不同行业近百家企业的 300 余位贡献者,并且每月活跃贡献者人数也接近 100 位。2022 年 6 月,Apache Doris 成功从 Apache 孵化器毕业,正式成为 Apache 顶级项目(Top-Level Project,TLP)。
  • Apache Doris可以满足多种数据分析需求,例如固定历史报表,实时数据分析,交互式数据分析和探索式数据分析等,令数据分析工作简单高效。