日志數(shù)據(jù)的處理與分析是最典型的大數(shù)據(jù)分析場景之一,過去業(yè)內(nèi)以 Elasticsearch 和 Grafana Loki 為代表的兩類架構難以同時兼顧高吞吐實時寫入、低成本海量存儲、實時文本檢索的需求。Apache Doris 借鑒了信息檢索的核心技術,在存儲引擎上實現(xiàn)了面向 AP 場景優(yōu)化的高性能倒排索引,對于字符串類型的全文檢索和普通數(shù)值、日期等類型的等值、范圍檢索具有更高效的支持,相較于 Elasticsearch 實現(xiàn)性價比 10 余倍的提升,以此為日志存儲與分析場景提供了更優(yōu)的選擇。
日志數(shù)據(jù)在企業(yè)大數(shù)據(jù)中非常普遍,其體量往往在企業(yè)大數(shù)據(jù)體系中占據(jù)非常高的比重,包括服務器、數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡設備、IoT 物聯(lián)網(wǎng)設備產(chǎn)生的系統(tǒng)運維日志,與此同時還包含了用戶行為埋點等業(yè)務日志。
日志數(shù)據(jù)對于保障系統(tǒng)穩(wěn)定運行和業(yè)務發(fā)展至關重要:基于日志的監(jiān)控告警可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運行風險,及時預警;在故障排查過程中,實時日志檢索能幫助工程師快速定位到問題,盡快恢復服務;日志報表能通過長歷史統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)潛在趨勢。而用戶埋點日志數(shù)據(jù)則是用戶行為分析以及智能推薦業(yè)務所依賴的決策基礎,有助于用戶需求洞察與體驗優(yōu)化以及后續(xù)的業(yè)務流程改進。由于其在業(yè)務中能發(fā)揮的重要意義,因此構建統(tǒng)一的日志分析平臺,提供對日志數(shù)據(jù)的存儲、高效檢索以及快速分析能力,成為企業(yè)挖掘日志數(shù)據(jù)價值的關鍵一環(huán)。而日志數(shù)據(jù)和應用場景往往呈現(xiàn)如下的特點:- 數(shù)據(jù)增長快:每一次用戶操作、系統(tǒng)事件都會觸發(fā)新的日志產(chǎn)生,很多企業(yè)每天新增日志達到幾十甚至幾百億條,對日志平臺的寫入吞吐要求很高;
- 數(shù)據(jù)總量大:由于自身業(yè)務和監(jiān)管等需要,日志數(shù)據(jù)經(jīng)常要存儲較長的周期,因此累積的數(shù)據(jù)量經(jīng)常達到幾百 TB 甚至 PB 級,而較老的歷史數(shù)據(jù)訪問頻率又比較低,面臨沉重的存儲成本壓力;
- 時效性要求高:在故障排查等場景需要能快速查詢到最新的日志,分鐘級的數(shù)據(jù)延遲往往無法滿足業(yè)務極高的時效性要求,因此需要實現(xiàn)日志數(shù)據(jù)的實時寫入與實時查詢。
- 高吞吐實時寫入:即需要保證日志流量的大規(guī)模寫入,又要支持低延遲可見;
- 低成本大規(guī)模存儲:系統(tǒng)自身可以存儲海量數(shù)據(jù),且通過數(shù)據(jù)壓縮、冷熱分離等多種機制降低存儲成本;
- 高性能交互式分析且支持文本檢索:日志檢索的隨機性很強、很難提前預測模式,因此要求支持靈活的文本檢索,通過實時交互式查詢滿足分析需求。
當前業(yè)界有兩種比較典型的日志存儲與分析架構,分別是以 Elasticsearch 為代表的倒排索引檢索架構以及以 Loki 為代表的輕量索引/無索引架構,如果我們從實時寫入吞吐、存儲規(guī)模和成本、實時交互式查詢性能等幾方面進行對比,不難發(fā)現(xiàn)以下結論:
- 以 ES 為代表的倒排索引檢索架構,支持全文檢索、查詢性能好,因此在日志場景中被業(yè)內(nèi)大規(guī)模應用,但其仍存在一些不足,包括實時寫入吞吐低、消耗大量資源構建索引,且需要消耗巨大存儲成本;
- 以 Loki 為代表的輕量索引或無索引架構,實時寫入吞吐高、存儲成本較低,但是檢索性能慢、關鍵時候查詢響應跟不上,性能成為制約業(yè)務分析的最大掣肘。
倒排索引原理示意倒排索引為 ES 帶來快速檢索能力的同時,也付出了寫入速度吞吐低和存儲空間占用高的代價——由于數(shù)據(jù)寫入時倒排索引需要進行分詞、詞典排序、構建倒排表等 CPU 和內(nèi)存密集型操作,導致寫入吞吐大幅下降。而從存儲成本角度考慮,ES 會存儲原始數(shù)據(jù)和倒排索引,為了加速分析可能還需要額外存儲一份列存數(shù)據(jù),因此 3 份冗余也會導致更高的存儲空間占用。Loki 則放棄了倒排索引,雖然帶來來寫入吞吐和存儲空間的優(yōu)勢,但是損失了日志檢索的用戶體驗,在關鍵時刻不能發(fā)揮快速查日志的作用。成本雖然有所降低,但是沒有真正解決用戶的問題。
從以上方案對比可知,以 Elasticsearch 為代表的倒排索引檢索架構以及以 Loki 為代表的輕量索引/無索引架構無法同時兼顧 高吞吐、低存儲成本和實時高性能的要求,只能在某一方面或某幾方面做權衡取舍。如果在保持倒排索引的文本檢索性能優(yōu)勢的同時,大幅提升系統(tǒng)的寫入速度與吞吐量并降低存儲資源成本,是否日志場景所面臨的困境就迎刃而解呢?答案是肯定的。如果我們希望使用 Apache Doris 來更好解決日志存儲與分析場景的痛點,其實現(xiàn)路徑也非常清晰——在數(shù)據(jù)庫內(nèi)部增加倒排索引、以滿足字符串類型的全文檢索和普通數(shù)值/日期等類型的等值、范圍檢索,同時進一步優(yōu)化倒排索引的查詢性能、使其更加契合日志數(shù)據(jù)分析的場景需求。在同樣實現(xiàn)倒排索引的情況下,相較于 ES, Apache Doris 怎么做到更高的性能表現(xiàn)呢?或者說現(xiàn)有倒排索引的優(yōu)化空間有哪些呢?
- ES 基于 Apache Lucene 構建倒排索引,Apache Lucene 自 2000 年開源至今已有超過 20 年的歷史,設計之初主要面向信息檢索領域、功能豐富且復雜,而日志和大多數(shù) OLAP 場景只需要其核心功能,包括分詞、倒排表等,而相關度排序等并非強需求,因此存在進一步功能簡化和性能提升的空間;
- ES 和 Apache Lucene 均采用 Java 實現(xiàn),而 Apache Doris 存儲引擎和執(zhí)行引擎采用 C++ 開發(fā)并且實現(xiàn)了全面向量化,相對于 Java 實現(xiàn)具有更好的性能;
- 倒排索引并不能決定性能表現(xiàn)的全部,作為一個高性能、實時的 OLAP 數(shù)據(jù)庫,Apache Doris 的列式存儲引擎、MPP 分布式查詢框架、向量化執(zhí)行引擎以及智能 CBO 查詢優(yōu)化器,相較于 ES 更為高效。
- 數(shù)據(jù)寫入兩個系統(tǒng),異常有數(shù)據(jù)不一致的問題,也存在一定冗余存儲;
- 查詢需在兩個系統(tǒng)進行網(wǎng)絡交互有額外開銷,數(shù)據(jù)量大時用 ID 集合去原系統(tǒng)查性能比較低;
- 維護兩套系統(tǒng)的復雜度高,將系統(tǒng)的復雜性從開發(fā)測轉(zhuǎn)移到運維測;
數(shù)據(jù)庫內(nèi)置倒排索引
在選擇了在數(shù)據(jù)庫內(nèi)核中內(nèi)置倒排索引后,我們需要進一步對 Apache Doris 索引結構進行分析,判斷能否通過在已有索引基礎上進行拓展來實現(xiàn)。Apache Doris 現(xiàn)有的索引存儲在 Segment 文件的 Index Region 中,按照適用場景可以分為跳數(shù)索引和點查索引兩類:1. 跳數(shù)索引:包括 ZoneMap 索引和 Bloom Filter 索引。
- ZoneMap 索引對每一個數(shù)據(jù)塊和文件保存 Min/Max/isnull 等匯總信息,可以用于等值、范圍查詢的粗粒度過濾,只能排除不滿足查詢條件的數(shù)據(jù)塊和文件,不能定位到行,也不支持文本分詞。
- BloomFilter 索引也是數(shù)據(jù)塊和文件級別的索引,通過 Bloom Filter 判斷某個值是否在數(shù)據(jù)塊和文件中,同樣不能定位到行、不支持文本分詞;
- ShortKey 在排序的基礎上,根據(jù)給定的前綴列實現(xiàn)快速查詢數(shù)據(jù)的索引方式,能夠?qū)η熬Y索引的列進行等值、范圍查詢,但不支持文本分詞,另外由于數(shù)據(jù)要按前綴索引排序、因此一個表只允許一組前綴索引。
- Bitmap 索引記錄數(shù)據(jù)值 -> 行號 Bitmap 的有序映射,是一種很基礎的倒排索引,但是索引結構比較簡單、查詢效率不高、不支持文本分詞。
- 數(shù)據(jù)寫入和 Compaction 階段:在寫 Segment 文件的同時,同步寫入一個 Inverted Index 文件,文件路徑由 Segment ID + Index ID 決定。寫入 Segment 的 Row 和 Index 中的 Doc 一一對應,由于同步順序?qū)懭耄琒egment 中的 Rowid 和 Index 中的 Docid 完全對應。
- 查詢階段:如果查詢 Where 條件中有建了倒排索引的列,會自動去 Index 文件中查詢,返回滿足條件的 Docid List,將 Docid List 一一對應的轉(zhuǎn)成 Rowid Bitmap,然后走 Doris 通用的 Rowid 過濾機制只讀取滿足條件的行,達到查詢加速的效果。
Doris倒排索引架構圖
這個設計的好處是已有的數(shù)據(jù)文件無需修改,可以做到兼容升級,而且增減索引不影響數(shù)據(jù)文件和其他索引,用戶增建索引沒有負擔。
通用倒排索引優(yōu)化
C++和向量化實現(xiàn)Apache Doris 使用 CLucene(https://clucene.sourceforge.net/) 作為底層的倒排索引庫,CLucene 是一個用 C++ 實現(xiàn)的高性能、穩(wěn)定的 Lucene 倒排索引庫,它的功能比較完整,支持分詞和自定義分詞算法,支持全文檢索查詢和等值、范圍查詢。Apache Doris 的存儲模塊和 CLucene 都用 C++ 實現(xiàn),避免了Java Lucene 的 JVM GC 等開銷,同樣的計算 C++ 實現(xiàn)相對于 Java 性能優(yōu)勢明顯,而且更利于做向量化加速。Doris 倒排索引進行了向量化優(yōu)化,包括分詞、倒排表構建、查詢等,性能得到進一步提升。整體來看 Doris 的倒排索引寫入速度可以超過單核 20MB/s,而 ES 的單核寫入速度不到 5MB/s,有 4 倍的性能優(yōu)勢。列式存儲和壓縮Lucene 本身是文檔存儲模型,主數(shù)據(jù)采用行存,而 Doris 中不同列的倒排索引是相互獨立的,因此倒排索引文件也采用列式存儲,有利于向量化構建索引和提高壓縮率。采用壓縮比高且速度快的 ZSTD,通常可以達到 5 ~10倍的壓縮比,與常用的GZIP壓縮相比有50%以上的空間節(jié)省且速度更快。BKD 索引與數(shù)值、日期類型列優(yōu)化針對數(shù)值、日期類型的列,我們還實現(xiàn)了 BKD 索引,可以對范圍查詢提高性能,存儲空間也相對于轉(zhuǎn)成定長字符串更加高效,具有以下主要特性和優(yōu)勢:- 高效范圍查詢:BKD 索引采用多維數(shù)據(jù)結構,為范圍查詢帶來高效率。它能迅速定位數(shù)值或日期類型列中所需的數(shù)據(jù)范圍,降低查詢時間復雜度。
- 存儲空間優(yōu)化:與其他索引方法相比,BKD 索引在存儲空間使用上更高效。通過聚合并壓縮相鄰數(shù)據(jù)塊,減少索引所需存儲空間,降低存儲成本。
- 多維數(shù)據(jù)支持:BKD 索引具備良好擴展性,支持多維數(shù)據(jù)類型,如地理坐標(GEO point)和范圍(Range),使其在處理復雜數(shù)據(jù)類型時具有高適應性。
- 優(yōu)化低基數(shù)場景:針對數(shù)值分布集中、單個數(shù)值倒排列表較多的低基數(shù)場景,我們調(diào)整了針對性的壓縮算法,降低大量倒排表解壓縮和反序列化所帶來的CPU性能消耗。
- 預查詢技術:針對查詢結果命中數(shù)較高的場景,我們采用預查詢技術進行命中數(shù)預估。若命中數(shù)顯著超過閾值,可跳過索引查詢,直接利用Doris在大數(shù)據(jù)量查詢下的技術優(yōu)勢進行數(shù)據(jù)過濾。
面向 OLAP 的倒排索引優(yōu)化
日志存儲和分析場景對檢索的需求很簡單,不需要特別復雜的功能(比如相關性排序),更需要降低存儲成本和快速按照條件查出數(shù)據(jù)。因此,在面對海量數(shù)據(jù)的寫入和查詢時,Apache Doris 還針對 OLAP 數(shù)據(jù)庫的特點優(yōu)化了倒排索引的結構,使其更加簡潔高效。例如:- 在寫入流程保證不會多個線程寫入一個索引,從而避免寫入時多線程鎖競爭的開銷;
- 在存儲結構上去掉了不必要的正排、norm 等文件,減少寫入 IO 開銷和存儲空間占用;
- 查詢過程中簡化相關性打分和排序邏輯,降低不必要的開銷,提升查詢性能。
- 指定分區(qū)構建倒排索引,比如新增一個索引的時候指定最近7天的日志構建索引,歷史數(shù)據(jù)不建索引
- 指定分區(qū)刪除倒排索引,比如刪除超過1個月的日志的索引,釋放訪問頻度低的索引存儲空間
vs Elasticsearch
我們采用了 ES 官方的性能測試 Benchmark esrally 并使用其中的 HTTP Logs 日志,在同樣的硬件資源、數(shù)據(jù)、測試Case 以及測試工具下,記錄并對比各自的數(shù)據(jù)寫入時間、吞吐以及查詢延遲。- 測試數(shù)據(jù):esrally HTTP Logs track 中自帶測試數(shù)據(jù)集,1998 年 World Cup HTTP Server Logs,未壓縮前 32G、共 2.47 億行、單行平均長度 134 字節(jié);
- 測試查詢:esrally HTTP Logs 測試關鍵詞檢索、范圍查詢、聚合、排序等 11 個 Query,所有查詢跑 100 次串行執(zhí)行;
- 測試環(huán)境:3 臺 16C 64G 云主機組成的集群。
vs Clickhouse
Clickhouse 近期的 v23.1 版本也引入了類似 Feature,將倒排索引作為實驗性功能發(fā)布,因此我們同樣進行了跟 Clickhouse 倒排索引的性能對比。在本次測試中,我們采用了 Clickhouse 官方 Inverted Index 介紹博客中使用的 Hacker News 樣例數(shù)據(jù)以及查詢 SQL ,同樣保持相同的物理資源、數(shù)據(jù)、測試 Case 以及測試工具。(參考文章:https://clickhouse.com/blog/clickhouse-search-with-inverted-indices)- 測試數(shù)據(jù):Hacker News 2873 萬條數(shù)據(jù),6.7G,Parquet 格式;
- 測試查詢:3 個查詢,分別查詢 'clickhouse'、'olap' OR 'oltp'、'avx' AND 'sve' 等關鍵字出現(xiàn)的次數(shù);
- 測試機器:1 臺 16C 64G 云主機
下面以一個 Hacker News 100 萬條測試數(shù)據(jù)的示例展示 Doris 如何利用倒排索引實現(xiàn)高效的日志分析:1. 建表時指定索引
-
INDEX idx_comment (`comment`)
指定對 comment 列建一個名為idx_comment的索引 -
USING INVERTED
指定索引類型為倒排索引 -
PROPERTIES("parser" = "english")
指定分詞類型為英文分詞
CREATETABLEhackernews_1m ( `id`BIGINT, `deleted`TINYINT, `type`String, `author`String, `timestamp`DateTimeV2, `comment`String, `dead`TINYINT, `parent`BIGINT, `poll`BIGINT, `children`Array<BIGINT>, `url`String, `score`INT, `title`String, `parts`Array<INT>, `descendants`INT, INDEXidx_comment(`comment`)USINGINVERTEDPROPERTIES("parser"="english")COMMENT'invertedindexforcomment' ) DUPLICATEKEY(`id`) DISTRIBUTEDBYHASH(`id`)BUCKETS10 PROPERTIES("replication_num"="1");注:對于已經(jīng)存在的表,也可以通過ADD INDEX idx_comment ON hackernews_1m(`comment`) USING INVERTED PROPERTIES("parser" = "english")來增加索引。值得一提的是,和 Doris 原先存儲在 Segment 數(shù)據(jù)文件中的智能索引和二級索引相比,增加倒排索引的過程只會讀 comment 列構建新的倒排索引文件,不會讀寫原有的其他數(shù)據(jù),效率有明顯提升。2. 導入數(shù)據(jù)后查詢,使用
MATCH_ALL
在comment
這一列上匹配 OLAP 和 OLTP 兩個詞,和LIKE
掃描硬匹配相比,查詢性能有十余倍的提升。(這僅是 100 萬條數(shù)據(jù)下的測試效果,而隨著數(shù)據(jù)量增大、性能提升越明顯)mysql>SELECTcount()FROMhackernews_1mWHEREcommentLIKE'%OLAP%'ANDcommentLIKE'%OLTP%'; +---------+ |count()| +---------+ |15| +---------+ 1rowinset(0.13sec) mysql>SELECTcount()FROMhackernews_1mWHEREcommentMATCH_ALL'OLAPOLTP'; +---------+ |count()| +---------+ |15| +---------+ 1rowinset(0.01sec)更多詳細功能介紹和測試步驟可以參考Apache Doris 倒排索引官方文檔:https://doris.apache.org/zh-CN/docs/dev/data-table/index/inverted-index/
通過內(nèi)置高性能倒排索引,Apache Doris 對于字符串類型的全文檢索和普通數(shù)值、日期等類型的等值、范圍檢索具有更高效的支持,進一步提升了數(shù)據(jù)查詢的效率和準確性,對于大規(guī)模日志數(shù)據(jù)查詢分析有了更好的性能表現(xiàn),為需要檢索能力的用戶提供了更高性價比的選擇。目前倒排索引已經(jīng)支持了 String、Int、Decimal、Datetime 等常用 Scalar 數(shù)據(jù)類型和 Array 數(shù)組類型,后續(xù)還會增加對 JSONB、Map 等復雜數(shù)據(jù)類型的支持。而 BKD 索引可以支持多維度類型的索引,為未來 Doris 增加 GEO 地理位置數(shù)據(jù)類型和索引打下了基礎。與此同時 Apache Doris 在半結構化數(shù)據(jù)分析方面還有更多能力擴展,比如自動根據(jù)導入數(shù)據(jù)擴展表結構的 Dynamic Table、豐富的復雜數(shù)據(jù)類型(Array、Map、Struct、JSONB)以及高性能字符串匹配算法等。除倒排索引以外,Apache Doris 在 2.0.0 Alpha 版本(https://github.com/apache/doris/releases/tag/2.0.0-alpha1)中還實現(xiàn)了單節(jié)點數(shù)萬 QPS 的高并發(fā)點查詢能力、基于對象存儲的冷熱數(shù)據(jù)分離、基于代價模型的全新查詢優(yōu)化器以及 Pipeline 執(zhí)行引擎等,歡迎大家下載體驗。
審核編輯 :李倩
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原文標題:從 Elasticsearch 到 Apache Doris,10 倍性價比的新一代日志存儲分析平臺|新版本揭秘
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