NetworkX和Graphscope哪个运算速度更快？

Posted 2023-04-16

近年来，全球大数据进入加速发展时期，数据量呈现指数级爆发式增长，而这些大量数据中不同个体间交互产生的数据以图的形式表现，如何高效地处理这些图数据成为了业界及其关心的问题。很过用普通关系数据无法跑出来的结果，用图数据进行关联分析会显得异常高效。

提到处理图数据，我们首先想到NetworkX，这是网络计算上常用的Python包，可提供灵活的图构建、分析功能。但是我们使用NetworkX跑大规模图数据时，不仅经常碰到内存不足的问题，而且分析速度很慢，究其原因，是NetworkX只支持单机运行。通过网上搜索，新发现了一个名为GraphScope的系统不仅号称兼容NetworkX的API，而且支持分布式部署运行，性能更优。针对GraphScope和NetworkX的处理能力，我们参考图计算中常用的测试框架LDBC，通过一组实验来对比下二者的性能。

一、实验介绍

为了比较两者的计算效率，先用阿里云拉起了配置为8核CPU，32GB内存的四台ECS，设计了三组比较实验，分别是NetworkX单机下的计算性能，GraphScope单机多worker的计算性能以及GraphScope分布式多机多worer的计算性能。

数据上，我们选取了SNAP开源的图数据集twitter，来自 LDBC数据集的datagen-7_5-fb,datagen-7_7-zf和datagen-8_0-fb作为实验数据，以下是数据集的基本信息：

· Twitter: 81,307个顶点，1,768,135条边

· Datagen-7_5-fb： 633,432个顶点，34,185,747条边，稠密图

· Datagen-7_7-zf： 13,180,508个顶点，32,791,267条边，稀疏图

· Datagen-8_0-fb： 1,706,561个顶点，107,507,376条边，这个数据集主要测试两个系统可处理的图规模能力

实验设计上我选择常用的SSSP、BFS、PageRank、WCC算法，以及较高复杂度的All Pair shortest Path length算法，以载图时间，内存占用和计算时间这三个指标为依据，对两个系统进行计算性能的比较。

NetworkX是一个单机系统，在实验中只考虑NetworkX在单机环境下的运行时间；GraphScope支持分布式运行，故进行两个配置，一个是单机4worker，另外一个配置是4台机器，每台机器4个worker。

二、实验结果

首先，GraphScope的载图速度比NetworkX显著提升。

在前三个图数据集中，无论是GraphScope的单机多worker模式，还是GraphScope的分布式模式，载图速度都比NetworkX快：

GraphScope单机模式载图速度平均比NetworkX快5倍，最高纪录——在datagen-7_5-fb上比NetworkX快了6倍。

分布式模式下GraphScope的载图时间比NetworkX平均快了27倍，最高纪录——在datagen-7_7-zf数据集上比NetworkX快了63倍。

在datagen-8_0-fb数据集上，NetworkX因内存溢出无法载图，GraphScope单机多worker和GraphScope分布式载图时间分别为142秒和13.6秒。

表一：载图时间对比

载图时间

NetworkX

GraphScope单机

GraphScope分布式

twitter

11.2

3.1

1.8

datagen-7_5-fb

256

45.6

36.6

datagen-7_7-zf

316

71.3

50

datagen-8_0-fb

OOM

142

13.6

其次，GraphScope的内存使用效率比NetworkX显著提升。

在datagen-8_0-fb数据集上，NetworkX在32G的内存上无法载完图，而GraphScope仅需要24G的内存即可载入在datagen-8_0-fb数据集。

表二：内存占用对比

内存占用

NetworkX

GraphScope

datagen-7_5-fb

14G

6G

datagen-7_7-zf

28G

18G

datagen-8_0-fb

OOM

24G

再次，GraphScope的计算速度比NetworkX显著提升。

SSSP算法上，GraphScope单机多worker模式平均要比NetworkX快22倍，最快在datagen-7_7-zf数据集上快了32倍。GraphScope分布式模式下平均要比NetworkX快103倍，最快datagen-7_5-fb数据集上快了182倍。

表三： SSSP计算时间对比（单位：秒）

SSSP

NetworkX

GraphScope单机

GraphScope分布式

twitter

2.45

1.32

0.28

datagen-7_5-fb

37.9

1.21

0.31

datagen-7_7-zf

5.84

0.18

0.03

datagen-8_0-fb

OOM

2.76

0.82

BFS算法上，GraphScope单机多worker模式平均要比NetworkX快13倍，最快datagen-7_5-fb数据集上快了22倍。GraphScope分布式模式下平均要比NetworkX快16倍，最快在datagen-7_5-fb数据集上快了28倍。

表四： BFS计算时间对比（单位：秒）

BFS

NetworkX

GraphScope单机

GraphScope分布式

twitter

1.53

0.16

0.17

datagen-7_5-fb

44.68

2.52

1.56

datagen-7_7-zf

7.98

0.75

0.72

datagen-8_0-fb

OOM

11.02

5.73

PageRank算法上，GraphScope单机多worker模式平均要比NetworkX快62倍，最快twitter数据集上快了80倍。GraphScope分布式模式下平均要比NetworkX快65倍，最快在twitter数据集上快了71倍。

另外，PageRank计算过程中，NetworkX在datagen-7_7-zf上内存溢出，没有完成计算，GraphScope单机多worker模式和分布式模式计算时间分别为25秒和22秒；

表五：PageRank计算时间对比（单位：秒）

PageRank

NetworkX

GraphScope单机

GraphScope分布式

twitter

24.01

0.37

0.33

datagen-7_5-fb

300

6.73

5.17

datagen-7_7-zf

OOM

19.31

7.79

datagen-8_0-fb

OOM

24.96

21.88

WCC算法上，GraphScope单机多worker模式平均要比NetworkX快44倍，最快在datagen-7_7-zf数据集上快了104倍。GraphScope分布式模式下平均要比NetworkX快76倍，最快datagen-7_5-fb数据集上快了194倍。

表六： WCC计算时间对比（单位：秒）

WCC

NetworkX

GraphScope单机

GraphScope分布式

twitter

0.6392

0.0296

0.0233

datagen-7_5-fb

26.03

0.25

0.13

datagen-7_7-zf

83.19

14.57

12.98

datagen-8_0-fb

OOM

0.34

0.4991

在复杂度极高的All pair shortest path length算法上，NetworkX在twitter图上即内存溢出，无法计算。GraphScope在分布式模式下完成了twitter图的All pair shortest path length计算，耗时76分钟。

表七： All Pair Shortest Path Length（单位：秒）

APSP

NetworkX

GraphScope单机

GraphScope分布式

twitter

OOM

OOM

4575.87

三、总结

从实验结果可以看到，在同等条件下，无论在载图时间、内存占用和计算时间上，GraphScope都要大大优于NetworkX，性能优化可以达到几十倍甚至上百倍。

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提到处理图数据，我们首先想到NetworkX，这是网络计算上常用的Python包，可提供灵活的图构建、分析功能。但是我们使用NetworkX跑大规模图数据时，不仅经常碰到内存不足的问题，而且分析速度很慢，究其原因，是NetworkX只支持单机运行。通过网上搜索，新发现了一个名为GraphScope的系统不仅号称兼容NetworkX的API，而且支持分布式部署运行，性能更优。针对GraphScope和NetworkX的处理能力，我们参考图计算中常用的测试框架LDBC，通过一组实验来对比下二者的性能。

一、实验介绍

为了比较两者的计算效率，先用阿里云拉起了配置为8核CPU，32GB内存的四台ECS，设计了三组比较实验，分别是NetworkX单机下的计算性能，GraphScope单机多worker的计算性能以及GraphScope分布式多机多worer的计算性能。

数据上，我们选取了SNAP开源的图数据集twitter，来自 LDBC数据集的datagen-7_5-fb,datagen-7_7-zf和datagen-8_0-fb作为实验数据，以下是数据集的基本信息：

· Twitter: 81,307个顶点，1,768,135条边

· Datagen-7_5-fb： 633,432个顶点，34,185,747条边，稠密图

· Datagen-7_7-zf： 13,180,508个顶点，32,791,267条边，稀疏图

· Datagen-8_0-fb： 1,706,561个顶点，107,507,376条边，这个数据集主要测试两个系统可处理的图规模能力

实验设计上我选择常用的SSSP、BFS、PageRank、WCC算法，以及较高复杂度的All Pair shortest Path length算法，以载图时间，内存占用和计算时间这三个指标为依据，对两个系统进行计算性能的比较。

NetworkX是一个单机系统，在实验中只考虑NetworkX在单机环境下的运行时间；GraphScope支持分布式运行，故进行两个配置，一个是单机4worker，另外一个配置是4台机器，每台机器4个worker。

二、实验结果

首先，GraphScope的载图速度比NetworkX显著提升。

在前三个图数据集中，无论是GraphScope的单机多worker模式，还是GraphScope的分布式模式，载图速度都比NetworkX快：

GraphScope单机模式载图速度平均比NetworkX快5倍，最高纪录——在datagen-7_5-fb上比NetworkX快了6倍。

分布式模式下GraphScope的载图时间比NetworkX平均快了27倍，最高纪录——在datagen-7_7-zf数据集上比NetworkX快了63倍。

在datagen-8_0-fb数据集上，NetworkX因内存溢出无法载图，GraphScope单机多worker和GraphScope分布式载图时间分别为142秒和13.6秒。
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使用 python 和 networkx 进行大图可视化

【中文标题】使用 python 和 networkx 进行大图可视化

【英文标题】：large graph visualization with python and networkx

【发布时间】：2013-06-27 04:32:18

【问题描述】：

我在 python 和 networkx 中的大型图形可视化方面遇到了问题。该图希望可视化是有向的，并且边缘和顶点集大小为 215,000 从文档（链接在首页）很明显 networkx 支持使用matplotlib 和 GraphViz 进行绘图。在matplotlib和networkx中绘制如下：

import 
networkx as nx
import matplotlib.pyplot as plt
#Let g be a graph that I created
nx.draw(g)

nx.draw(g) 之后出现内存错误，之后您通常会执行plt.show() 或 plt.[some_function] 以将文件保存为高效格式等。

接下来我尝试了 GraphViz。从wikipedia page dot 格式用于有向图，我创建了一个点文件：

nx.write_dot(g, "g.dot")

这很好，我在当前目录中有一个 12 兆字节的点文件。接下来我运行了dot 程序（graphviz 的一部分，用于创建后记文件）：

dot -Tps g.dot -o g.ps

这会降低我的计算机速度，运行几分钟，然后在终端中显示 Killed。所以它永远无法执行......在阅读 graphviz 的文档时，似乎只支持无向图用于大型图形可视化。

问题： 通过这两次不成功的尝试，谁能告诉我如何使用 python 和 networkx 来可视化我的大图，其中包含大约 215,000 个顶点和 215,000 个边？我怀疑与 Graphviz 一样，我将不得不输出为中间格式（尽管这不应该那么难，它不会像内置函数那样简单），然后使用另一个工具来读取中间格式，然后输出可视化.

所以，我正在寻找以下内容：

从 networkx 输出图形到中间格式 使用新的包/软件/工具（最好是 python-interactive）读取中间格式并可视化大图

如果您需要更多信息，请告诉我！

【问题讨论】：

想象一下，您成功地创建了这张大图的 PostScript 图像。你会用它做什么？假设您花了 10 秒时间查看每个节点。检查整个图表需要将近 25 天的时间。在我看来，您需要某种方法来“放大”感兴趣的子图，而不是显示整个事物（作为一个 PostScript 图像）。

我想知道我的图表是什么样子的。在我有了一个想法之后，我将专注于子图、集团、社区......

【参考方案1】：

 from matplotlib import pylab
 import networkx as nx

 def save_graph(graph,file_name):
    #initialze Figure
    plt.figure(num=None, figsize=(20, 20), dpi=80)
    plt.axis('off')
    fig = plt.figure(1)
    pos = nx.spring_layout(graph)
    nx.draw_networkx_nodes(graph,pos)
    nx.draw_networkx_edges(graph,pos)
    nx.draw_networkx_labels(graph,pos)

    cut = 1.00
    xmax = cut * max(xx for xx, yy in pos.values())
    ymax = cut * max(yy for xx, yy in pos.values())
    plt.xlim(0, xmax)
    plt.ylim(0, ymax)

    plt.savefig(file_name,bbox_inches="tight")
    pylab.close()
    del fig

#Assuming that the graph g has nodes and edges entered
save_graph(g,"my_graph.pdf")

#it can also be saved in .svg, .png. or .ps formats

这回答了您的第一个问题。 Networkx 没有放大节点的功能。使用 Gephi 来实现这个功能。 Gephi 接受 CSV 格式的边缘列表并生成可视化，其中可以交互地进行缩放。

【讨论】：

我刚刚使用 networkx 函数将图形保存为边缘列表格式，并且能够将其读入 Gephi！