技术选型｜开源大数据OLAP引擎最佳实践

来源：阿里巴巴大数据计算

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本篇内容将通过六个部分来介绍开源大数据OLAP引擎最佳实践。
一、开源OLAP综述
二、开源数仓解决方案
三、ClickHouse介绍
四、StarRocks介绍
五、Trino介绍
六、客户案例

如今的开源数据引擎多种多样，不同种类的引擎满足了我们不同的需求。现在ROLAP计算存储一体的数据仓库主要有三种，即StarRocks(DorisDB)，ClickHouse和Apache Doris。应用最广的数据查询系统主要有Druid，Kylin和HBase。MPP引擎主要有Trino，PrestoDB和Impala。这些引擎在行业内有着广泛的应用。

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接下来，我们讲讲开源大数据以及数仓的解决方案。上图是EMR的整体架构，在云资源层，主要有ECS。在存储层的JindoFS提供了以OSS为基底的Hadoop接口，不但节约了成本，而且提升了整体的扩展性。数据湖格式有效解决了数据统一管理的难题。其次在计算引擎方面，它具有批处理，流式计算，机器学习和引擎加速等能力。

目前，大家应用最多的离线数仓体系是Lambda架构。该架构主要分为两个部分。

第一部分，在实时方面我们从CDC,ORTP的数据源开始，进行行为数据分析，然后通过Kafka，Flink进行加工。让数据在线系统，可以直接调用API，提升点查效率。其次，当所有聚合的数都导入Olap系统时，运营人员可以快速用它，实现自己新的想法，提升工作效率。
第二部分，在离线方面当需要长久保存数据时，大家都会使用hive。如果没有增量数据库格式，大家一般通过insert overwrite，在detail上做一些数据集市。除此之外，我们通过离线t+1的方式，实现离线数仓的实时数据订正。因为实时数据一般得出的是近似值，离线数据得到的是准确值。

第三部分，实时数据湖的解决方案，其数据量在PB+级别。我们希望统一离线和实时数仓，用一套代码构建业务。数据湖的数据存储在OSS/HDFS，由于我们的部分业务有Upsert变更需求，所以我们希望建设分钟级到小时级的数仓。能够将最热的数据导入StarRocks/CK，OLAP的查询时长保证在500毫秒到2秒之间。与此同时，我们利用Presto查询Hudi/Iceberg/Delta时，其速率能够保证在5秒至30秒之间。

第二种实时数仓的解决方案，我们通过micro-batch任务调度器去处理DWS，DWD和ODS。其实时性非常强，极大简化了开发效率，数据的一致性最高。后续我们将推出存算分离方案，用OSS存储海量数据，用Cache加速热数据。

ClickHouse是面向联机分析处理（OLAP）的开源分析引擎。最初由俄罗斯第一搜索引擎Yandex开发，于2016年开源，开发语言为C++。由于其优良的查询性能，PB级的数据规模，简单的架构，在国内外公司被广泛采用。

它是列存数据库，具有完备的DBMS功能，备份列式存储和数据压缩。它的MPP架构易于扩展，易于维护。除此之外，它支持向量化的查询，完善的SQL以及实时的数据更新，查询速度可以达到亚秒级的响应。

那么ClickHouse的查询速度为什么会这么快呢？它类似于LSM tree,所有数据都是经过有序排列，提前做好聚合计算，再存储。并且它的数据存储格式自带索引。

其次，ClickHouse可以基于多个Key创建索引。它的二级索引采用Data skipping index。

ClickHouse的应用场景主要有四个方面。

第一，用户行为分析。ClickHouse将用户行为分析表制作成一张大的宽表，减少join的形式，实现路径分析、漏斗分析、路径转化等功能。除此之外，它还能支撑广告，营销和AB实验。

第二，实时BI报表。ClickHouse可以根据业务需求，实时制作及时产出，查询灵活的BI报表，包括订单分析，营销效果分析，大促活动分析等等。

第三，监控。ClickHouse可以将系统和应用监控指标通过流式计算引擎Flink,Spark streaming清洗处理以后，实时写入ClickHouse。结合Grafna进行可视化展示。

接下来，我们讲讲EMR ClickHouse架构。我们在ClickHouse的基础上做了一定的增强。首先，我们重构了In Memory Part写入模块，让它支持Flink单条写入，Flink Exactly Once事务写入以及Sharding Key写入。成功解决了写Distributed表的痛点，提升了整体性能。其次，它还支持DiskOSS。实现了冷热的分层存储，节约了成本。最后，我们实现了副本扩容和分片扩容，让扩容方式变得更灵活。

接下来，我们聊一聊StarRocks。StarRocks其向量化的执行引擎，实现了亚秒级查询延时。StarRocks单节点100M/秒的写入速度，让它每秒可处理100亿行数据。StarRocks的综合查询速度比其他产品快10到100倍。数据秒级实时更新可见。其次，StarRocks支持数千用户同时分析，部分场景每秒可支持1万以上的QPS，TP99控制在1秒以内。最后，StarRocks基于多种数据模型，实现了极速分析，缩短业务交付时间。提升了数据工程师和分析师工作效率。

如上图所示，StarRocks的架构简洁明了，兼容MySQL协议，可使用各类MySQL客户端。并且支持FE、BE的水平扩展，从而实现自动均衡。让运维和使用都非常方便。

StarRocks的极速引擎，实现了全面向量化执行。它可以按列存储，按列计算。用更少的虚函数调用，更少的分支判断，更好地利用SIMD指令并且对CPU Cache更友好。其次，StarRocks向量化提升的效果明显。向量化Filter，向量化聚合和向量化Shuffle Join的效果都有几何倍数的提升。

StarRocks的极速引擎，具有全新的CBO。基于Orca论文，将表达式重写、表达式复用。用公共谓词提取、谓词推导。将子查询改写，调整Join顺序、让Join算法自动选择。成功的将SQL语句转化为一个可执行Plan。

StarRocks的极速引擎，具有多种分布式的Join。目前，这种分布式Join是ClickHouse比较缺乏的功能。右图是更加高效的Join方式，它通过提前完成bucket分类，让整体运行更加高效。

StarRocks为全场景提供了四种数据模型。

第一，明细模型。用于保存和分析原始明细数据，数据写入后几乎无更新。主要用于日志，操作记录，设备状态采样等等。

第二，聚合模型。用于保存，分析，汇总数据。不需要查询明细数据。数据导入后实时完成聚合，数据写入后几乎无更新。适用于按时间、地域、机构汇总的数据。

第三，主键模型。支持基于主键的更新，Delete and insert，大批量导入时保证高性能查询。用于保存和分析需要更新的数据。

第四，更新模型。支持基于主键的更新，Merge On Read，更新频率比主键模型更高。用于保存和分析需要更新的数据。主键模型和更新模型都适用于状态会发生变动的订单，设备状态等。

StarRocks在全场景中，还实现了高并发的查询。StarRocks的分区机制可以高效过滤，提升查询性能。StarRocks的分桶机制充分发挥了集群的性能，成功避免了热点问题。但StarRocks相对于其他的OLAP引擎和行存的OLTP引擎还有一定的差距。

在LakeHouse场景中，StarRocks的联合查询，不但屏蔽了底层数据源的细节，而且可以对异构数据据源数据联合分析，与增量数据湖格式完美结合。为了提升查询速度，StarRocks对每种数据源，进行针对性优化。增强了向量化解析ORC、Parquet格式，字典过滤，延迟物化等能力。

StarRocks除了极致的引擎性能和全场景优化的能力，它还实现了弹性伸缩，支持在线扩容，让运维变得简单。面对流量增长，用户不但可以按需伸缩，节省成本。StarRocks还支持小规模初始集群的逐步扩容，大大节省了运维成本。

 如上图所示，EMR的数据湖架构以OSS和HDFS作为数据湖的存储层。在存储层的基础上，精心安装了存储优化器，主要是JindoFS和ALLUXIO系列。在存储格式方面，EMR的数据湖支持Hudi,Iceberg和ORC等格式。在计算层，它支持多种计算，比如Flink,SPARK,Trino和Hive等等。

接下来，我们看看EMR Trino的特性。首先在稳定向方面，EMR Trino支持内置Coordinator HA赫尔Worker Label功能。由于EMR Trino集成了EMR弹性伸缩的能力，并且支持Trino on K8s产品形态，所以它大大节省了运维成本。在生态方面，EMR Trino不但支持Iceberg、Hudi、Delta Connector等云上生态，而且支持优化的ClickHouse、Hive等Connector。在性能方面，EMR Trino针对Parquet/Orc等格式，进行优化。并且利用JindoFS的缓存层加速数据湖查询。大幅提升了查询效率。

最后，我们一起聊几个客户案例。如上所示，这是一家在线教育客户。它每天的数据量高达几十亿条，同时还存在订单数据变更，特征人群圈选，机器学习训练等需求。原有的解决方案，存在数据处理不及时，无法应对Upsert场景，并且拉链表笨拙，耗费资源大。经过改造之后，完美支持Upsert场景，Presto可以查询明细数据，CK的宽表数也可供Ad-hoc查询，CK的物化视图供BI系统查询。

上图是社交领域客户的架构图。它每天有5TB的数据规模，需要支持实时大屏，业务系统点查和业务人员随机查询。在改造之前，Hive是分钟级数仓，它面临算不完，查不出，系统运维复杂的痛点。我们将宽表查询落入CK和Ad-hoc查询，将明细表落入StarRocks，实现了复杂Ad-hoc查询，报表分析，物化视图点查能力。让数据仓库的运维变得简单高效。

上图是某电商领域的客户，它的大量业务依赖OLTP系统，在GMV，订单，物流，客户分析，推荐系统等方面，都有升级的需求。原先的Hadoop数仓和离线T+1分析系统的方式，让整个系统运维复杂，成本居高不下。我们将OLTP系统逐步过渡到OLAP系统，替代了原有数仓结构的同时，让链路变得极其简化，让Ad-hoc查询灵活，方便运维人员分析细节数据，对接线上系统点查。简化系统的同时，提升了运维人员的工作效率，大幅降低了运维成本。