克服 ClickHouse 运维难题：ByteHouse 水平扩容功能上线

前言

对于分析型数据库产品，通过增加服务节点实现集群水平扩容，并提升集群性能和容量，是运维的必要手段。
但是对于熟悉 ClickHouse 的工程师而言，听到“扩容”二字一定会头疼不已。开源 ClickHouse 的 MPP 架构导致扩容成本高，已是 ClickHouse 运维的核心痛点。

主要体现在：
·流程全手动，无数据可靠性保证。
·扩容期间性能开销大，通常需要暂停服务。

基于字节跳动内广泛的使用场景，ByteHouse 企业版基于开源社区 ClickHouse 进行了诸多优化，现已正式公测“水平扩容”功能。
如果将“ClickHouse”比作一辆汽车，那么此次ByteHouse升级则实现了扩容“手动挡”变“自动挡”，同时“自动档"过程中还能省油加速，使得扩容整体操作更顺滑流畅。

开源社区的实现方案
在 开源社区文档 中，社区工程师通常推荐使用“数据重分布”思路来解决扩容问题，但存在以下问题：
1.新增节点后，手动提升新节点的导入权重，或暂时停止旧节点的数据导入，直至数据均衡。这种配置要求 Distributed 表的分片键（Sharding-key）设置为 random，对于设定了指定的 sharding-key 的表，无法采用这种模式。此外，如果存量数据很大，通过该方式实现均衡非常缓慢，可能花费数天乃至数个月才能追平。
2.手动在节点之间移动分区，使节点间均衡。该方式需要大表均已设置比较合理的分区键（Partition Key），并且分片键也只能为 Random，并且需要手动计算分区的移动目标节点。
3.使用 ClickHouse Copier或 Insert Into Select 方式，将现存表全部重新插入实现均衡。该方式开销非常高，将占用大量的 CPU / 存储 IO / 网络 IO 资源。
此外，不管是哪种方式，都需要用户手动在新节点复制元数据、校验数据，拼装各环节流程，因此被称为“手动挡”。

ByteHouse 的优化方案

在字节跳动内部，业务的快速增长带来集群规划性能不足、亟需扩容的问题。ByteHouse 对内主要支撑数据看板、用户行为分析性等业务模块，因此对服务持续在线、性能迅速提升要求高，并且用户表的表结构也异常丰富。因此，社区提供的方案均不能满足字节内部业务诉求。
基于以上背景，ByteHouse 自研集群扩容能力，解决自动化流程的问题，也为用户提供了性能开销更低的扩容方式。
具体我们通过数据库引擎优化和操作界面优化两方面来实现。
**数据库引擎优化
ByteHouse 的数据库引擎自研 Alter Table...Resharding命令，将一张表以分区的粒度进行重分布到另一张表。该命令支持两种方式：
·重分布到其他集群的另一张表
·重分布到本集群的另一张表
命令格式如下：
alter table .

resharding partition with to shard [shard_list]
通过该命令，可以实现提交从源表扩容到目标表的任务，该任务将实现 Split - Fetch，在原表拆分 Part，目标表拉取 Part，实现扩容。
克服 ClickHouse 运维难题：ByteHouse 水平扩容功能上线_第1张图片
具体操作步骤如下：
1.对于要扩容的表 table，新建目标表，如 table1_new；
2.提交 Alter Table table1 Resharding Partition with to table [table1_new_list]；的任务会被存储到 ZooKeeper 上，后台线程负责调度执行；
3.所有提交的任务逐个开始执行。每个任务首先执行 Part 拆分，将一个 Part 根据 Sharding-key 拆分为 N 份（N 为扩容后的分片数）；
4.Part 拆分结束后，将 Part 信息发布到对应的分片上，对应不同分片上的目标表 table1_new 会进入 FETCHING 状态，开始拉取 Part；
5.等待这些 Part 被拉取完成，然后开始执行下一个任务，直至一张表的所有 Part 都被重分布完成在一张表完成后，可以进行校验数据，删除旧表（table1），重命名新表（table1_new -> table1）。实现了一张表的扩容。
扩容全程可以通过系统表 system.reshard_partition追踪进度，取得状态。
这种扩容方式相比社区推荐的方式，有以下优势：
1.扩容的适应性好，对于是否设置分片键、分区键，均无硬性要求，都可以进行扩容。
2.性能损耗小。整个重分布过程为一个旁路计算任务，开销远低于insert into select 全局数据重新插入的方式。
3.执行过程中，数据保持可查询，下游数据看板、数据分析等服务不用暂停。目前在扩容过程中，ByteHouse暂时不支持写入。但就原理而言，扩容进度90%前都可写入，只需要最后阶段一次性 Resharding 在扩容任务执行过程中新写入的 Part 即可。因此，ByteHouse未来功能也有继续提升的空间。

操作界面优化
ByteHouse 数据库实现了 SQL 的底层能力进行数据重分布，实现了开销更低、适应性更强的重分布能力，但对于普通用户而言仍有使用门槛。
因此 ByteHouse 在控制台也支持水平扩容功能，组装底层能力，实现产品化。
通过 ByteHouse 控制台，可通过以下步骤完成集群的水平扩容：
1.在集群列表/详情页选择“更改配置”，选择“水平更配”。
克服 ClickHouse 运维难题：ByteHouse 水平扩容功能上线_第2张图片
2.用户选择集群更配后节点数，支持增加节点（水平扩容），也支持减少节点（水平缩容）；
3.可在扩容前勾选“完成后自动重分布”，也可不勾选，在扩容后再手动重分布；如果勾选“自动重分布”，则需要选择需要在扩容后立即重分布的表。
4.界面会给出预估扩容时间。用户可以根据实际情况，对下游业务发出扩容公告。
5.提交扩容任务，集群进入“运维任务中”状态。后台执行两阶段任务：

a.阶段1，新增节点。实际在进行新节点的初始化，并在新节点上新建元数据；
b.阶段2，集群节点完成增加后，则开始重分布，可以查看每张表的重分布进度。

6.上述步骤完成，集群恢复“运行中”状态。
通过界面化操作，ByteHouse 给用户的扩容流程带来了全新的便利：
·全流程自动化，不再需要自行编写脚本。
·也开放一小部分手动空间。例如，在扩容前可选立即重分布的表，对于剩余的表，可在扩容后再选择时间重分布任务，适应一些希望在业务低峰时扩容大表，进一步降低大表只读带来的影响。
·包含容错处理，自动校验数据，流程便利可靠。
总结
ByteHouse 团队通过自研“水平扩容”能力，实现了数据库底层与界面支持数据重分布。相比于开源社区的方式，ByteHouse 的数据重分布有以下优势：
·低 CPU / IO 开销，数据重分布期间可读；
·全程自动化，界面化；
·不依赖其他外置工具，在 ByteHouse 产品内闭环；
目前，水平扩容功能现已在 ByteHouse 企业版公测上线，同时支持私有化部署与火山引擎版本，欢迎体验。

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