hive是基于Hadoop的一个数据仓库工具,用来进行数据提取、转化、加载,这是一种可以存储、查询和分析存储在Hadoop中的大规模数据的机制。hive数据仓库工具能将结构化的数据文件映射为一张数据库表,并提供SQL查询功能,能将SQL语句转变成MapReduce任务来执行。Hive的优点是学习成本低,可以通过类似SQL语句实现快速MapReduce统计,使MapReduce变得更加简单,而不必开发专门的MapReduce应用程序。hive十分适合对数据仓库进行统计分析。
HBase – Hadoop Database,是一个高可靠性、高性能、面向列、可伸缩的分布式存储系统,利用HBase技术可在廉价PC Server上搭建起大规模结构化存储集群。HBase,是一个分布式的、面向列的开源数据库,该技术来源于 Fay Chang 所撰写的Google论文“Bigtable:一个结构化数据的分布式存储系统”。就像Bigtable利用了Google文件系统(File System)所提供的分布式数据存储一样,HBase在Hadoop之上提供了类似于Bigtable的能力。HBase是Apache的Hadoop项目的子项目。HBase不同于一般的关系数据库,它是一个适合于非结构化数据存储的数据库。另一个不同的是HBase基于列的而不是基于行的模式。
HBase利用Hadoop HDFS作为其文件存储系统;Google运行MapReduce来处理Bigtable中的海量数据,HBase同样利用Hadoop MapReduce来处理HBase中的海量数据;Google Bigtable利用 Chubby作为协同服务,HBase利用Zookeeper作为对应。
Hadoop分布式文件系统(HDFS)是指被设计成适合运行在通用硬件(commodity hardware)上的分布式文件系统(Distributed File System)。它和现有的分布式文件系统有很多共同点。但同时,它和其他的分布式文件系统的区别也是很明显的。HDFS是一个高度容错性的系统,适合部署在廉价的机器上。HDFS能提供高吞吐量的数据访问,非常适合大规模数据集上的应用。HDFS放宽了一部分POSIX约束,来实现流式读取文件系统数据的目的。HDFS在最开始是作为Apache Nutch搜索引擎项目的基础架构而开发的。HDFS是Apache Hadoop Core项目的一部分。
HDFS采用了主从(Master/Slave)结构模型,一个HDFS集群是由一个NameNode和若干个DataNode组成的。其中NameNode作为主服务器,管理文件系统的命名空间和客户端对文件的访问操作;集群中的DataNode管理存储的数据。
ClickHouse是近年来备受关注的开源列式数据库,主要用于数据分析(OLAP)领域。目前国内社区火热,各个大厂纷纷跟进大规模使用:
在国外,Yandex内部有数百节点用于做用户点击行为分析,CloudFlare、Spotify等头部公司也在使用。特别值得一提的是:国内云计算的领导厂商 阿里云 率先推出了自己的ClickHouse托管产品,产品首页地址为 云数据库ClickHouse,可以点击链接申请参加免费公测,一睹为快!在社区方面,github star数目增速惊人。
不同于事务处理(OLTP)的场景,比如电商场景中加购物车、下单、支付等需要在原地进行大量insert、update、delete操作,数据分析(OLAP)场景通常是将数据批量导入后,进行任意维度的灵活探索、BI工具洞察、报表制作等。数据一次性写入后,分析师需要尝试从各个角度对数据做挖掘、分析,直到发现其中的商业价值、业务变化趋势等信息。这是一个需要反复试错、不断调整、持续优化的过程,其中数据的读取次数远多于写入次数。这就要求底层数据库为这个特点做专门设计,而不是盲目采用传统数据库的技术架构。
在OLAP场景中,通常存在一张或是几张多列的大宽表,列数高达数百甚至数千列。对数据分析处理时,选择其中的少数几列作为维度列、其他少数几列作为指标列,然后对全表或某一个较大范围内的数据做聚合计算。这个过程会扫描大量的行数据,但是只用到了其中的少数列。而聚合计算的结果集相比于动辄数十亿的原始数据,也明显小得多。
OLTP类业务对于延时(Latency)要求更高,要避免让客户等待造成业务损失;而OLAP类业务,由于数据量非常大,通常更加关注写入吞吐(Throughput),要求海量数据能够尽快导入完成。一旦导入完成,历史数据往往作为存档,不会再做更新、删除操作。
OLAP类业务对于事务需求较少,通常是导入历史日志数据,或搭配一款事务型数据库并实时从事务型数据库中进行数据同步。多数OLAP系统都支持最终一致性。
分析场景下,随着业务变化要及时调整分析维度、挖掘方法,以尽快发现数据价值、更新业务指标。而数据仓库中通常存储着海量的历史数据,调整代价十分高昂。预先建模技术虽然可以在特定场景中加速计算,但是无法满足业务灵活多变的发展需求,维护成本过高。
ClickHouse从OLAP场景需求出发,定制开发了一套全新的高效列式存储引擎,并且实现了数据有序存储、主键索引、稀疏索引、数据Sharding、数据Partitioning、TTL、主备复制等丰富功能。以上功能共同为ClickHouse极速的分析性能奠定了基础。
与行存将每一行的数据连续存储不同,列存将每一列的数据连续存储。示例图如下:
相比于行式存储,列式存储在分析场景下有着许多优良的特性。
1)如前所述,分析场景中往往需要读大量行但是少数几个列。在行存模式下,数据按行连续存储,所有列的数据都存储在一个block中,不参与计算的列在IO时也要全部读出,读取操作被严重放大。而列存模式下,只需要读取参与计算的列即可,极大的减低了IO cost,加速了查询。
2)同一列中的数据属于同一类型,压缩效果显著。列存往往有着高达十倍甚至更高的压缩比,节省了大量的存储空间,降低了存储成本。
3)更高的压缩比意味着更小的data size,从磁盘中读取相应数据耗时更短。
4)自由的压缩算法选择。不同列的数据具有不同的数据类型,适用的压缩算法也就不尽相同。可以针对不同列类型,选择最合适的压缩算法。
5)高压缩比,意味着同等大小的内存能够存放更多数据,系统cache效果更好。
官方数据显示,通过使用列存,在某些分析场景下,能够获得100倍甚至更高的加速效应。
ClickHouse支持在建表时,指定将数据按照某些列进行sort by。
排序后,保证了相同sort key的数据在磁盘上连续存储,且有序摆放。在进行等值、范围查询时,where条件命中的数据都紧密存储在一个或若干个连续的Block中,而不是分散的存储在任意多个Block, 大幅减少需要IO的block数量。另外,连续IO也能够充分利用操作系统page cache的预取能力,减少page fault。
ClickHouse支持主键索引,它将每列数据按照index granularity(默认8192行)进行划分,每个index granularity的开头第一行被称为一个mark行。主键索引存储该mark行对应的primary key的值。
对于where条件中含有primary key的查询,通过对主键索引进行二分查找,能够直接定位到对应的index granularity,避免了全表扫描从而加速查询。
但是值得注意的是:ClickHouse的主键索引与MySQL等数据库不同,它并不用于去重,即便primary key相同的行,也可以同时存在于数据库中。要想实现去重效果,需要结合具体的表引擎ReplacingMergeTree、CollapsingMergeTree、VersionedCollapsingMergeTree实现,我们会在未来的文章系列中再进行详细解读。
ClickHouse支持对任意列创建任意数量的稀疏索引。其中被索引的value可以是任意的合法SQL Expression,并不仅仅局限于对column value本身进行索引。之所以叫稀疏索引,是因为它本质上是对一个完整index granularity(默认8192行)的统计信息,并不会具体记录每一行在文件中的位置。目前支持的稀疏索引类型包括:
ClickHouse支持单机模式,也支持分布式集群模式。在分布式模式下,ClickHouse会将数据分为多个分片,并且分布到不同节点上。不同的分片策略在应对不同的SQL Pattern时,各有优势。ClickHouse提供了丰富的sharding策略,让业务可以根据实际需求选用。
1) random随机分片:写入数据会被随机分发到分布式集群中的某个节点上。
2) constant固定分片:写入数据会被分发到固定一个节点上。
3)column value分片:按照某一列的值进行hash分片。
4)自定义表达式分片:指定任意合法表达式,根据表达式被计算后的值进行hash分片。
数据分片,让ClickHouse可以充分利用整个集群的大规模并行计算能力,快速返回查询结果。
更重要的是,多样化的分片功能,为业务优化打开了想象空间。比如在hash sharding的情况下,JOIN计算能够避免数据shuffle,直接在本地进行local join; 支持自定义sharding,可以为不同业务和SQL Pattern定制最适合的分片策略;利用自定义sharding功能,通过设置合理的sharding expression可以解决分片间数据倾斜问题等。
另外,sharding机制使得ClickHouse可以横向线性拓展,构建大规模分布式集群,从而具备处理海量数据的能力。
ClickHouse支持PARTITION BY子句,在建表时可以指定按照任意合法表达式进行数据分区操作,比如通过toYYYYMM()将数据按月进行分区、toMonday()将数据按照周几进行分区、对Enum类型的列直接每种取值作为一个分区等。
数据Partition在ClickHouse中主要有两方面应用:
在分析场景中,数据的价值随着时间流逝而不断降低,多数业务出于成本考虑只会保留最近几个月的数据,ClickHouse通过TTL提供了数据生命周期管理的能力。
ClickHouse支持几种不同粒度的TTL:
1) 列级别TTL:当一列中的部分数据过期后,会被替换成默认值;当全列数据都过期后,会删除该列。
2)行级别TTL:当某一行过期后,会直接删除该行。
3)分区级别TTL:当分区过期后,会直接删除该分区。
ClickHouse采用类LSM Tree的结构,数据写入后定期在后台Compaction。通过类LSM tree的结构,ClickHouse在数据导入时全部是顺序append写,写入后数据段不可更改,在后台compaction时也是多个段merge sort后顺序写回磁盘。顺序写的特性,充分利用了磁盘的吞吐能力,即便在HDD上也有着优异的写入性能。
官方公开benchmark测试显示能够达到50MB-200MB/s的写入吞吐能力,按照每行100Byte估算,大约相当于50W-200W条/s的写入速度。
在分析场景中,删除、更新操作并不是核心需求。ClickHouse没有直接支持delete、update操作,而是变相支持了mutation操作,语法为alter table delete where filter_expr
,alter table update col=val where filter_expr
。
目前主要限制为删除、更新操作为异步操作,需要后台compation之后才能生效。
ClickHouse通过主备复制提供了高可用能力,主备架构下支持无缝升级等运维操作。而且相比于其他系统它的实现有着自己的特色:
1)默认配置下,任何副本都处于active模式,可以对外提供查询服务;
2)可以任意配置副本个数,副本数量可以从0个到任意多个;
3)不同shard可以配置不提供副本个数,用于解决单个shard的查询热点问题;
ClickHouse在计算层做了非常细致的工作,竭尽所能榨干硬件能力,提升查询速度。它实现了单机多核并行、分布式计算、向量化执行与SIMD指令、代码生成等多种重要技术。
ClickHouse将数据划分为多个partition,每个partition再进一步划分为多个index granularity,然后通过多个CPU核心分别处理其中的一部分来实现并行数据处理。
在这种设计下,单条Query就能利用整机所有CPU。极致的并行处理能力,极大的降低了查询延时。
除了优秀的单机并行处理能力,ClickHouse还提供了可线性拓展的分布式计算能力。ClickHouse会自动将查询拆解为多个task下发到集群中,然后进行多机并行处理,最后把结果汇聚到一起。
在存在多副本的情况下,ClickHouse提供了多种query下发策略:
ClickHouse不仅将数据按列存储,而且按列进行计算。传统OLTP数据库通常采用按行计算,原因是事务处理中以点查为主,SQL计算量小,实现这些技术的收益不够明显。但是在分析场景下,单个SQL所涉及计算量可能极大,将每行作为一个基本单元进行处理会带来严重的性能损耗:
1)对每一行数据都要调用相应的函数,函数调用开销占比高;
2)存储层按列存储数据,在内存中也按列组织,但是计算层按行处理,无法充分利用CPU cache的预读能力,造成CPU Cache miss严重;
3)按行处理,无法利用高效的SIMD指令;
ClickHouse实现了向量执行引擎(Vectorized execution engine),对内存中的列式数据,一个batch调用一次SIMD指令(而非每一行调用一次),不仅减少了函数调用次数、降低了cache miss,而且可以充分发挥SIMD指令的并行能力,大幅缩短了计算耗时。向量执行引擎,通常能够带来数倍的性能提升。
在经典的数据库实现中,通常对表达式计算采用火山模型,也即将查询转换成一个个operator,比如HashJoin、Scan、IndexScan、Aggregation等。为了连接不同算子,operator之间采用统一的接口,比如open/next/close。在每个算子内部都实现了父类的这些虚函数,在分析场景中单条SQL要处理数据通常高达数亿行,虚函数的调用开销不再可以忽略不计。另外,在每个算子内部都要考虑多种变量,比如列类型、列的size、列的个数等,存在着大量的if-else分支判断导致CPU分支预测失效。
ClickHouse实现了Expression级别的runtime codegen,动态地根据当前SQL直接生成代码,然后编译执行。如下图例子所示,对于Expression直接生成代码,不仅消除了大量的虚函数调用(即图中多个function pointer的调用),而且由于在运行时表达式的参数类型、个数等都是已知的,也消除了不必要的if-else分支判断。
近似计算以损失一定结果精度为代价,极大地提升查询性能。在海量数据处理中,近似计算价值更加明显。
ClickHouse实现了多种近似计算功能:
ClickHouse还提供了array、json、tuple、set等复合数据类型,支持业务schema的灵活变更。
近年来ClickHouse发展趋势迅猛,社区和大厂都纷纷跟进使用。本文尝试从OLAP场景的需求出发,介绍了ClickHouse存储层、计算层的主要设计。ClickHouse实现了大多数当前主流的数据分析技术,具有明显的技术优势:
相比于开源社区的其他几项分析型技术,如Druid、Presto、Impala、Kylin、ElasticSearch等,ClickHouse更是一整套完善的解决方案,它自包含了存储和计算能力(无需额外依赖其他存储组件),完全自主实现了高可用,而且支持完整的SQL语法包括JOIN等,技术上有着明显优势。相比于hadoop体系,以数据库的方式来做大数据处理更加简单易用,学习成本低且灵活度高。当前社区仍旧在迅猛发展中,相信后续会有越来越多好用的功能出现。
阿里云已经率先推出了ClickHouse的云托管产品,产品首页地址:云数据库ClickHouse,目前正在免费公测中,欢迎大家点击链接申请免费试用。
分布式文档存储 | Elasticsearch: 权威指南 | Elastic
Elasticsearch 是一个分布式可扩展的实时搜索和分析引擎,一个建立在全文搜索引擎 Apache Lucene(TM) 基础上的搜索引擎.当然 Elasticsearch 并不仅仅是 Lucene 那么简单,它不仅包括了全文搜索功能,还可以进行以下工作:
分布式实时文件存储,并将每一个字段都编入索引,使其可以被搜索。
实时分析的分布式搜索引擎。
可以扩展到上百台服务器,处理 PB 级别的结构化或非结构化数据。
Elasticsearch是一个基于Lucene的搜索服务器。它提供了一个分布式多用户能力的全文搜索引擎,基于RESTful web接口。Elasticsearch是用Java语言开发的,并作为Apache许可条款下的开放源码发布,是一种流行的企业级搜索引擎。Elasticsearch用于云计算中,能够达到实时搜索,稳定,可靠,快速,安装使用方便。
Elasticsearch 是一个分布式、高扩展、高实时的搜索与数据分析引擎。它能很方便的使大量数据具有搜索、分析和探索的能力。充分利用Elasticsearch的水平伸缩性,能使数据在生产环境变得更有价值。
Elasticsearch 的实现原理主要分为以下几个步骤,首先用户将数据提交到Elasticsearch 数据库中,再通过分词控制器去将对应的语句分词,将其权重和分词结果一并存入数据,当用户搜索数据时候,再根据权重将结果排名,打分,再将返回结果呈现给用户。
Elasticsearch可以用于搜索各种文档。它提供可扩展的搜索,具有接近实时的搜索,并支持多租户。”Elasticsearch是分布式的,这意味着索引可以被分成分片,每个分片可以有0个或多个副本。每个节点托管一个或多个分片,并充当协调器将操作委托给正确的分片。再平衡和路由是自动完成的。“相关数据通常存储在同一个索引中,该索引由一个或多个主分片和零个或多个复制分片组成。一旦创建了索引,就不能更改主分片的数量。
Elasticsearch使用Lucene,并试图通过JSON和Java API提供其所有特性。它支持facetting和percolating,如果新文档与注册查询匹配,这对于通知非常有用。另一个特性称为“网关”,处理索引的长期持久性;例如,在服务器崩溃的情况下,可以从网关恢复索引。Elasticsearch支持实时GET请求,适合作为NoSQL数据存储,但缺少分布式事务。
lucene的库可以方便的建立倒排索引。elasticsearch将搜索引擎的操作都封装成了restful的api,通过http请求就能对他进行操作。同时他还实现了分布式可以存储海量数据的分布式搜索引擎。但是他不是基于hafs的,他和Hadoop是两个物种
elasticsearch中的索引是存放数据的地方,相当于一个数据库。
elasticsearch中的类型是用来定义数据结构的,相当于MySQL中的一张表。
elasticsearch中的文档是最终得到的数据,一个文档相当于一条记录,相当于MySQL中的行
那么一个数据是怎么存储到elasticsearch中的呢?比如一首诗,有诗题、作者、朝代、字数、诗内容等字段,那么首先,我们可以建立一个名叫 Poems 的索引,然后创建一个名叫 Poem 的类型,类型是通过 Mapping 来定义每个字段的类型。比如诗题、作者、朝代都是 Keyword 类型,诗内容是 Text 类型,而字数是 Integer 类型,把数据组织成Json格式存放进去。
一、什么是Apache Ranger
Apache Ranger来源于2013年成立于美国加利福尼亚的XA Secure公司,它是一个Hadoop安全相关的开源组件。在2014年,Hortonworks收购了XA Secure公司,将其贡献给了Apache软件基金会,目前是Apache的顶级开源项目。
二、 Apache Ranger的特点
Apache Ranger是基于访问策略的权限控制模型,通过对库表配置不同的访问策略,再赋权给用户,达到数据隔离的目的。
Apache Ranger提供了基于行列级别的权限控制,粒度更细,同时在数据查询中,可以对行级数据做脱敏和Masking操作。
Apache Ranger目前集成了Hadoop生态中众多不同的系统,目前已经覆盖了Hive、HDFS、Yarn、HBase、Kafka、Kudu、Solr等17类。
Apache Ranger支持审计日志,可以记录各种操作的审计日志,提供统一的查询接口和界面,但目前审计日志只支持存放在Solr中。
三、Apache Ranger架构
Apache Ranger属于C/S架构。Ranger-Admin属于Server端,用来提供授权策略的管理服务,可以通过Web UI对用户、角色、组、授权策略进行变更,这些管理能力也会通过REST API对外暴露。各种Plugins插件就是Client端,通过REST API与Ranger-Admin进行交互,定时拉取最新的权限策略并更新到plugin的缓存仓储中。每个插件实现了对应系统的访问控制相关的扩展接口,在特定的逻辑处理和模型转换之后,最终会对plugin通用common层的服务进行调用,包括权限管理、用户管理、角色管理、组管理、鉴权等。其中鉴权时,会对缓存仓储中的策略进行匹配。
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目前Ranger-admin可以将权限策略存储在Mysql,Oracle,postgres等。
支持多种存储系统,各种的存储系统的plugins属于可插拔的插件,灵活部署,方便管理 。
四、Apache Ranger与Hive集成
Apache Ranger是一个可插拔式的权限控制组件,用户需要对那些存储系统做权限管理时,只需要配置安装对应的plugin即可,但Ranger-admin作为Service端,是必须安装的。本次以Apache Ranger权限控制Hive为例,如下图所示:
4.1 安装目录
Ranger-admin:是service端,负责与plugin和权限策略存储系统交互,必须安装;
Ranger-hive-plugin :是Client端,具体实现hive的连接与特定逻辑处理(包括获取库名,表名,同步策略等);
Ranger-usersync:同步Ranger的外部用户(linux用户)。
4.2 安装成功后的WEB UI
安装成功之后Ranger 的WEB UI界面,同时绑定hive数据源(目前只支持JDBC的连接方式)。
4.3 策略页面
1:策略与用户的配置信息;2:数据加密配置;3:数据行级过滤;4:添加新策略;
4.4 策略配置具体页
1:策略名,不重复即可;2:数据库名;3:表名;4:列名;5:用户;6:权限。
下图的具体含义为: 用户user0001和test0003对hive中test1库的t_user_test01表中的user_name和user_code字段有查询权限,策略名叫Policy_test1;
下图的具体含义为:用户test0004只能对hive中test1库中的t_user表中user_code ='2222’的用户有查询权限。
4.5用户,组,角色添加
五、Apache Sentry和Apache Ranger对比
5.1权限控制方式及粒度的差异
Apache Sentry 主要是基于角色来控制访问权限的,可以达到行列级别(但通过测试来看,好像只支
持列级别);
Apache Ranger是基于策略来控制访问权限,可以达到行列级别,同时可以将策略赋权给用户,用户
组和角色。
5.2 支持的组件数量差异
Apache Sentry 目前能够支持5-7种系统,但 Apache Ranger能够支持十几种系统。
5.3 可视化页面差异
Apache Sentry 的可视化权限管理界面需要基于Hue协调框架,Apache Ranger提供自身携带的权
限管理WEB UI界面。
5.4 审计差异
Apache Sentry 不支持审计操作,Apache Ranger 支持审计,可以将审计日志存放至Solr中。
5.5 二次开发差异
Apache Ranger提供了二次开发接口,集成额外的系统,只需要为其实现相应的plugin即可。