Druid基本概念及架构介绍

2018-12-01 本文已影响52人 it_zzy

Druid基本概念及架构介绍

1.什么是Druid

Druid是一个专为大型数据集上的高性能切片和OLAP分析而设计的数据存储。Druid最常用作为GUI分析应用程序提供动力的数据存储，或者用作需要快速聚合的高度并发API的后端。Druid的常见应用领域包括：

点击流分析
网络流量分析
服务器指标存储
应用性能指标
数字营销分析
商业智能/OLAP

2.druid的主要特点

1.列式存储格式 Druid使用面向列的存储，这意味着它只需要加载特定查询所需的精确列。这为仅查看几列的查询提供了巨大的速度提升。此外，每列都针对其特定数据类型进行了优化，支持快速扫描和聚合。
2.高可用性与高可拓展性 Druid采用分布式、SN(share-nothing)架构，管理类节点可配置HA，工作节点功能单一，不相互依赖，这些特性都使得Druid集群在管理、容错、灾备、扩容等方面变得十分简单。Druid通常部署在数十到数百台服务器的集群中，并且可以提供数百万条记录/秒的摄取率，保留数万亿条记录，以及亚秒级到几秒钟的查询延迟。
3.大规模并行处理 Druid可以在整个集群中并行处理查询。
4.实时或批量摄取实时流数据分析。区别于传统分析型数据库采用的批量导入数据进行分析的方式，Druid提供了实时流数据分析，采用LSM(Long structure-merge)-Tree结构使Druid拥有极高的实时写入性能；同时实现了实时数据在亚秒级内的可视化。
5.自愈，自平衡，易于操作作为运营商，要将群集扩展或缩小，只需添加或删除服务器，群集将在后台自动重新平衡，无需任何停机时间。如果任何Druid服务器发生故障，系统将自动路由损坏，直到可以更换这些服务器。Druid旨在全天候运行，无需任何原因计划停机，包括配置更改和软件更新。
6.云原生，容错的架构，不会丢失数据一旦Druid摄取了您的数据，副本就会安全地存储在深层存储（通常是云存储，HDFS或共享文件系统）中。即使每个Druid服务器都出现故障，您的数据也可以从深层存储中恢复。对于仅影响少数Druid服务器的更有限的故障，复制可确保在系统恢复时仍可进行查询。
7.亚秒级的OLAP查询分析 Druid采用了列式存储、倒排索引、位图索引等关键技术，能够在亚秒级别内完成海量数据的过滤、聚合以及多维分析等操作。
8.近似算法 Druid包括用于近似计数 - 不同，近似排序以及近似直方图和分位数的计算的算法。这些算法提供有限的内存使用，并且通常比精确计算快得多。对于精确度比速度更重要的情况，Druid还提供精确计数 - 不同且精确的排名。
9.丰富的数据分析功能针对不同用户群体，Druid提供了友好的可视化界面、类SQL查询语言以及REST 查询接口。

3.为什么会有Druid

大数据时代，如何从海量数据中提取有价值的信息，是一个亟待解决的难题。针对这个问题，IT巨头们已经开发了大量的数据存储与分析类产品，比如IBM Netezza、HP Vertica、EMC GreenPlum等，但是他们大多是昂贵的商业付费类产品，业内使用者寥寥。

而受益于近年来高涨的开源精神，业内出现了众多优秀的开源项目，其中最有名的当属Apache Hadoop生态圈。时至今日，Hadoop已经成为了大数据的“标准”解决方案，但是，人们在享受Hadoop便捷数据分析的同时，也必须要忍受Hadoop在设计上的许多“痛点”，下面就罗列三方面的问题：

1.何时能进行数据查询？对于Hadoop使用的Map/Reduce批处理框架，数据何时能够查询没有性能保证。
2.随机IO问题。 Map/Reduce批处理框架所处理的数据需要存储在HDFS上，而HDFS是一个以集群硬盘作为存储资源池的分布式文件系统，那么在海量数据的处理过程中，必然会引起大量的读写操作，此时随机IO就成为了高并发场景下的性能瓶颈。
3.数据可视化问题。 HDFS是一个优秀的分布式文件系统，但是对于数据分析以及数据的即席查询，HDFS并不是最优的选择。

传统的大数据处理架构Hadoop更倾向于一种“后台批处理的数据仓库系统”，其作为海量历史数据保存、冷数据分析，确实是一个优秀的通用解决方案，但是如何保证高并发环境下海量数据的查询分析性能，以及如何实现海量实时数据的查询分析与可视化，Hadoop确实显得有些无能为力。

4.Druid直面的痛点

Druid的母公司MetaMarket在2011年以前也是Hadoop的拥趸者，但是在高并发环境下，Hadoop并不能对数据可用性以及查询性能给出产品级别的保证，使得MetaMarket必须去寻找新的解决方案，当尝试使用了各种关系型数据库以及NoSQL产品后，他们觉得这些已有的工具都不能解决他们的“痛点”，所以决定在2011年开始研发自己的“轮子”Druid，他们将Druid定义为“开源、分布式、面向列式存储的实时分析数据存储系统”，所要解决的“痛点”也是上文中反复提及的“在高并发环境下，保证海量数据查询分析性能，同时又提供海量实时数据的查询、分析与可视化功能”。

5.什么时候应该使用Druid

1.如果您的用例符合以下几个描述符，Druid可能是一个不错的选择：
- 插入率非常高，但更新不常见。
- 您的大多数查询都是聚合和报告查询（“分组依据”查询）。您可能还有搜索和扫描查询。
- 您将查询延迟定位为100毫秒到几秒钟。
- 您的数据有一个时间组件（Druid包括与时间特别相关的优化和设计选择）。
- 您可能有多个表，但每个查询只能访问一个大的分布式表。查询可能会触发多个较小的“查找”表。
- 您有高基数数据列（例如URL，用户ID），需要对它们进行快速计数和排名。
- 您希望从Kafka，HDFS，平面文件或对象存储（如Amazon S3）加载数据。

2.情况下，您可能会不希望使用Druid包括：
- 您需要使用主键对现有记录进行低延迟更新。Druid支持流式插入，但不支持流式更新（使用后台批处理作业进行更新）。
- 您正在构建一个脱机报告系统，其中查询延迟不是很重要。
- 你想做“大”连接（将一个大事实表连接到另一个大事实表）。

6.Druid架构

Druid拥有一个多进程，分布式架构，旨在实现云友好且易于操作。每个Druid流程类型都可以独立配置和扩展，为您的群集提供最大的灵活性。此设计还提供增强的容错能力：一个组件的中断不会立即影响其他组件。

Druid架构

Druid集群包含多种节点类型，分别是Historical Node、Coordinator Node、Broker Node、Indexing Service Node（包括Overlord、MiddleManager和Peon）以及Realtime Node（包括Firehose和Plumber）。

Druid将整个集群切分成上述角色，有两个目的：

第一，划分Historical Node和Realtime Node，是将历史数据的加载与实时流数据处理切割开来，因为二者都需要占用大量内存与CPU；
第二，划分Coordinator Node和Broker Node，将查询需求与数据如何在集群内分布的需求切割开来，确保用户的查询请求不会影响数据在集群内的分布情况，从而不会造成数据“冷热不均”，局部过热，影响查询性能的问题。

下图给出了Druid集群内部的实时/批量数据流以及查询请求过程。我们可以看到，实时数据到达Realtime Node，经过Indexing Service，在时间窗口内的数据会停留在Realtime Node内存中，而时间窗口外的数据会组织成Segment存储到Deep Storage中；批量数据经过Indexing Service也会被组织成Segment存储到DeepStorage中，同时Segment的元信息都会被注册到元信息库中，Coordinator Nodes会定期（默认为1分钟）去同步元信息库，感知新生成的Segment，并通知在线的Historical Node去加载Segment，Zookeeper也会更新整个集群内部数据分布拓扑图。

图-3.5-实时/批量数据流与查询过程

当用户需要查询信息时，会将请求提交给Broker Node，Broker Node会请求Zookeeper获取集群内数据分布拓扑图，从而知晓请求应该发给哪些Historical Node以及Realtime Node，汇总各节点的返回数据并将最终结果返回给用户。

7.Druid集群节点

7.1Historical Node

Historical Node的职责单一，就是负责加载Druid中非实时窗口内且满足加载规则的所有历史数据的Segment。每一个Historical Node只与Zookeeper保持同步，不与其他类型节点或者其他Historical Node进行通信。
Coordinator Nodes会定期（默认为1分钟）去同步元信息库，感知新生成的Segment，将待加载的Segment信息保存在Zookeeper中在线的Historical Nodes的load queue目录下，当Historical Node感知到需要加载新的Segment时，首先会去本地磁盘目录下查找该Segment是否已下载，如果没有，则会从Zookeeper中下载待加载Segment的元信息，此元信息包括Segment存储在何处、如何解压以及如何如理该Segment。Historical Node使用内存文件映射方式将index.zip中的XXXXX.smoosh文件加载到内存中，并在Zookeeper中本节点的served segments目录下声明该Segment已被加载，从而该Segment可以被查询。对于重新上线的Historical Node，在完成启动后，也会扫描本地存储路径，将所有扫描到的Segment加载如内存，使其能够被查询。

7.2Broker Node

Broker Node是整个集群查询的入口，作为查询路由角色，Broker Node感知Zookeeper上保存的集群内所有已发布的Segment的元信息，即每个Segment保存在哪些存储节点上，Broker Node为Zookeeper中每个dataSource创建一个timeline，timeline按照时间顺序描述了每个Segment的存放位置。我们知道，每个查询请求都会包含dataSource以及interval信息，Broker Node根据这两项信息去查找timeline中所有满足条件的Segment所对应的存储节点，并将查询请求发往对应的节点.
对于每个节点返回的数据，Broker Node默认使用LRU缓存策略；对于集群中存在多个Broker Node的情况，Druid使用memcached共享缓存。对于Historical Node返回的结果，Broker Node认为是“可信的”，会缓存下来，而Real-Time Node返回的实时窗口内的数据，Broker Node认为是可变的，“不可信的”，故不会缓存。所以对每个查询请求，Broker Node都会先查询本地缓存，如果不存在才会去查找timeline，再向相应节点发送查询请求。

7.3Coordinator Node

Coordinator Node主要负责Druid集群中Segment的管理与发布，包括加载新Segment、丢弃不符合规则的Segment、管理Segment副本以及Segment负载均衡等。如果集群中存在多个Coordinator Node，则通过选举算法产生Leader，其他Follower作为备份。
Coordinator会定期（默认一分钟）同步Zookeeper中整个集群的数据拓扑图、元信息库中所有有效的Segment信息以及规则库，从而决定下一步应该做什么。对于有效且未分配的Segment，Coordinator Node首先按照Historical Node的容量进行倒序排序，即最少容量拥有最高优先级，新的Segment会优先分配到高优先级的Historical Node上。由之前介绍我们知道，Coordinator Node不会直接与Historical Node打交道，而是在Zookeeper中Historical Node对应的load queue目录下创建待加载Segment的临时信息，等待Historical Node去加载该Segment。
Coordinator在每次启动后都会对比Zookeeper中保存的当前数据拓扑图以及元信息库中保存的数据信息，所有在集群中已被加载的、却在元信息库中标记为失效或者不存在的Segment会被Coordinator Node记录在remove list中，同一Segment对应的新旧version，旧version的Segments同样也会被放入到remove list中，最终被逻辑丢弃。
对于离线的Historical Node，Coordinator Node会默认该Historical Node上所有的Segment已失效，从而通知集群内的其他Historical Node去加载该Segment。但是，在生产环境中，我们会遇到机器临时下线，Historical Node在很短时间内恢复服务的情况，那么如此“简单粗暴”的策略势必会加重整个集群内的网络负载。对于这种场景，Coordinator会为集群内所有已丢弃的Segment保存一个生存时间(lifetime)，这个生存时间表示Coordinator Node在该Segment被标记为丢弃后，允许不被重新分配最长等待时间，如果该Historical Node在该时间内重新上线，则Segment会被重新置为有效，如果超过该时间则会按照加载规则重新分配到其他Historical Node上。
考虑一种最极端的情况，如果集群内所有的Coordinator Node都停止服务，整个集群对外依然有效，不过新Segment不会被加载，过期的Segment也不会被丢弃，即整个集群内的数据拓扑会一直保持不变，直到新的Coordinator Node服务上线。

7.4Indexing Service

Indexing Service是负责“生产”Segment的高可用、分布式、Master/Slave架构服务。主要由三类组件构成：负责运行索引任务(indexing task)的Peon，负责控制Peon的MiddleManager，负责任务分发给MiddleManager的Overlord；三者的关系可以解释为：Overlord是MiddleManager的Master，而MiddleManager又是Peon的Master。其中，Overlord和MiddleManager可以分布式部署，但是Peon和MiddleManager默认在同一台机器上。图-3.5给出了Indexing Service的整体架构。

图-3.6-indexing Service整体架构

Overlord
- Overlord负责接受任务、协调任务的分配、创建任务锁以及收集、返回任务运行状态给调用者。当集群中有多个Overlord时，则通过选举算法产生Leader，其他Follower作为备份。
- Overlord可以运行在local（默认）和remote两种模式下，如果运行在local模式下，则Overlord也负责Peon的创建与运行工作，当运行在remote模式下时，Overlord和MiddleManager各司其职，根据图3.6所示，Overlord接受实时/批量数据流产生的索引任务，将任务信息注册到Zookeeper的/task目录下所有在线的MiddleManager对应的目录中，由MiddleManager去感知产生的新任务，同时每个索引任务的状态又会由Peon定期同步到Zookeeper中/Status目录，供Overlord感知当前所有索引任务的运行状况。
- Overlord对外提供可视化界面，通过访问http://ip/console.html，我们可以观察到集群内目前正在运行的所有索引任务、可用的Peon以及近期Peon完成的所有成功或者失败的索引任务。
MiddleManager
- MiddleManager负责接收Overlord分配的索引任务，同时创建新的进程用于启动Peon来执行索引任务，每一个MiddleManager可以运行多个Peon实例。
- 在运行MiddleManager实例的机器上，我们可以在${ java.io.tmpdir}目录下观察到以XXX_index_XXX开头的目录，每一个目录都对应一个Peon实例；同时restore.json文件中保存着当前所有运行着的索引任务信息，一方面用于记录任务状态，另一方面如果MiddleManager崩溃，可以利用该文件重启索引任务。
Peon
- Peon是Indexing Service的最小工作单元，也是索引任务的具体执行者，所有当前正在运行的Peon任务都可以通过Overlord提供的web可视化界面进行访问。

7.5Real-Time Node

在流式处理领域，有两种数据处理模式，一种为Stream Push，另一种为Stream Pull。

Stream Pull 如果Druid以Stream Pull方式自主地从外部数据源拉取数据从而生成Indexing Service Tasks，我们则需要建立Real-Time Node。Real-Time Node主要包含两大“工厂”：一个是连接流式数据源、负责数据接入的Firehose（中文翻译为水管，很形象地描述了该组件的职责）；另一个是负责Segment发布与转移的Plumber（中文翻译为搬运工，同样也十分形象地描述了该组件的职责）。在Druid源代码中，这两个组件都是抽象工厂方法，使用者可以根据自己的需求创建不同类型的Firehose或者Plumber。Firehose和Plumber给我的感觉，更类似于Kafka_0.9.0版本后发布的Kafka Connect框架，Firehose类似于Kafka Connect Source，定义了数据的入口，但并不关心接入数据源的类型；而Plumber类似于Kafka Connect Sink，定义了数据的出口，也不关心最终输出到哪里。
Stream Push 如果采用Stream Push策略，我们需要建立一个“copy service”，负责从数据源中拉取数据并生成Indexing Service Tasks，从而将数据“推入”到Druid中，我们在druid_0.9.1版本之前一直使用的是这种模式，不过这种模式需要外部服务Tranquility，Tranquility组件可以连接多种流式数据源，比如Spark-Streaming、Storm以及Kafka等，所以也产生了Tranquility-Storm、Tranquility-Kafka等外部组件。

8.外部拓展

Druid集群依赖一些外部组件，与其说依赖，不如说正是由于Druid开放的架构，所以用户可以根据自己的需求，使用不同的外部组件。

Deep Storage Druid目前支持使用本地磁盘(单机模式)、NFS挂载磁盘、HDFS、Amazon S3等存储方式保存Segments以及索引任务日志。
Zookeeper Druid使用Zookeeper作为分布式集群内部的通信组件，各类节点通过Curator Framework将实例与服务注册到Zookeeper上，同时将集群内需要共享的信息也存储在Zookeeper目录下，从而简化集群内部自动连接管理、leader选举、分布式锁、path缓存以及分布式队列等复杂逻辑。
Metadata Storage Druid集群元信息使用MySQL 或者PostgreSQL存储，单机版使用derby。在Druid_0.9.1.1版本中，元信息库druid主要包含十张表，均以“druid_”开头，如图-3.7所示。

图-3.7-Druid元信息库中的十张表

(1) Load/Drop Segments规则表 druid_rules

图-3.8-Druid_ruleschema

图-3.9-Druid_rules样例数据

我们通过访问http://<coordinator>:<port>对不同datasource配置不同的Load/Drop规则，规则保存在表druid_rules中，由Coordinator定期获取，通知在线的HistoricalNode去加载或者丢弃相应的Segment。Load/Drop规则均有三类，分别是Forever Load/Drop Rule，IntervalLoad/Drop Rule以及Period Load/Drop Rule。图-3.9给出的是一条loadforever规则。
在生产环境中，我们建议大家，不要直接在表中操作规则，以免出现各种未知问题。

(2)规则审计表druid_audit。记录Load/Drop Segment规则的审计信息

图-3.10-Druid_audit schema

图-3.11-Druid_audit 样例数据

(3)Index Service配置表 druid_config

图-3.12-Druid_config schema

图-3.13-动态改变的worker工作配置

Overload作为Indexing Service的Master节点，可以动态改变Peon运行配置。举例说明，如图3.13所示。我们在使用Druid时，通过JSON over HTTP的方式向http://<overload ip>:<port>/druid/indexer/v1/worker变更Peon工作模式为"equalDistribution",表示MiddleManager在Remote模式下均匀分发任务给集群内所有Peon节点，使集群在高负载的情况下，不会出现问题。

(4)数据源表druid_dataSource

图-3.14-druid_dataSource

如果使用druid_0.9.1.1新特性Kafka IndexingService，如图3.14所示，那么该表会保存每个datasource对应的Kafka Topic信息，一级改Topic下所有Partitions已被消费的offset。

(5)Segment元信息表druid_segments

图-3.15-druid_segmentschema

该表中有一个used字段，是用来标识此segment是否被使用，如果某个datasource配置了规则，那么Druid只会采用逻辑删除，即应把对应的segment的used置为0，而不是物理删除。

(6)任务表druid_tasks。其中，图3.18是druid_0.9.1.1版本新增的kafka indexing service tasks。
(5)Segment元信息表druid_segments

图-3.18-druid_takssschema

图-3.19-druid_takssschema

(7)任务锁表druid_tasklocks

图-3.20-druid_taksblockssschema

(8)等待队列中的索引任务表druid_pendingSegments

图-3.22-druid_pendingSegmentsschema

(9)索引任务日志信息表druid_tasklogs

图-3.24-druid_tasklogsschema

(10)KafkaIndexingService对应supervise表 druid_supervisors

图-3.26-druid_superviseschema

9.加载数据

对于加载外部数据，Druid支持两种模式：实时流(real-time ingestion)和批量导入(batch ingestion)。

Real-Time Ingestion 实时流过程可以采用Apache Storm、Apache Spark Streaming等流式处理框架产生数据，再经过pipeline工具，比如Apache Kafka、ActiveMQ、RabbitMQ等消息总线类组件，使用Stream Pull 或者Stream Push模式生成Indexing Service Tasks，最终存储在Druid中。
Batch Ingestion 批量导入模式可以采用结构化信息作为数据源，比如JSON、Avro、Parquet格式的文本，Druid内部使用Map/Reduce批处理框架导入数据。

10.高可用性

Druid高可用性可以总结以下几点：

Historical Node 如前所述，如果某个Historical Node离线时长超过一定阈值，Coordinator Node会将该节点上已加载的Segments重新分配到其他在线的Historical Nodes上，保证满足加载规则的所有Segments不丢失且可查询。
Coordinator Node 集群可配置多个Coordinator Node实例，工作模式为主从同步，采用选举算法产生Leader，其他Follower作为备份。当Leader宕机时，其他Follower能够迅速failover。
即使当所有Coordinator Node均失效，整个集群对外依然有效，不过新Segments不会被加载，过期的Segments也不会被丢弃，即整个集群内的数据拓扑会一直保持不变，直到新的Coordinator Node服务上线。
Broker Node Broker Node与Coordinator Node在HA部署方面一致。
Indexing Service Druid可以为同一个Segment配置多个Indexing Service Tasks副本保证数据完整性。
Real-Time Real-Time过程的数据完整性主要由接入的实时流语义(semantics)决定。我们在0.9.1.1版本前使用Tranquility-Kafka组件接入实时数据，由于存在时间窗口，即在时间窗口内的数据会被提交给Firehose，时间窗口外的数据则会被丢弃；如果Tranquility-Kafka临时下线，会导致Kafka中数据“过期”从而被丢弃，无法保证数据完整性，同时这种“copy service”的使用模式不仅占用大量CPU与内存，又不满足原子操作，所以在0.9.1.1版本后，我们使用Druid的新特性Kafka Indexing Service，Druid内部使用Kafka高级Consumer API保证exactly-once semantics，尽最大可能保证数据完整性。不过我们在使用中，依然发现有数据丢失问题。
Metadata Storage 如果Metadata Storage失效，Coordinator则无法感知新Segment的生成，整个集群中数据拓扑亦不会改变，不过不会影响老数据的访问。
Zookeeper 如果Zookeeper失效，整个集群的数据拓扑不会改变，由于Broker Node缓存的存在，所以在缓存中的数据依然可以被查询。