数据湖三剑客 HudiDeltaIceberg 对比

Posted 2021-09-29 宝哥大数据

一、介绍

在构建数据湖时，也许没有比数据格式存储更具有意义的决定。其结果将对其性能、可用性和兼容性产生直接影响。

通过简单地改变数据的存储格式，我们就可以解锁新的功能，提高整个系统的性能，这很有启发意义。

Apache Hudi、Apache Iceberg 和 Delta Lake是目前为数据湖设计的最佳格式。这三种格式都解决了数据湖最迫切的一些问题。

1. 原子事务–保证对数据湖的更新或追加操作不会中途失败，产生脏数据。

2. 一致的更新–防止在写入过程中读取失败或返回不完整的结果。同时处理潜在的并发写入冲突。

3. 数据和元数据的可扩展性–当表增长到数千个分区和数十亿文件的大小时，避免对象存储API和相关元数据的瓶颈。

让我们仔细分析下每种格式在更新性能、并发性和与其他工具的兼容性方面的做法。最后，我们将就某种格式对你的数据湖建设提出最有意义的建议

二、平台兼容

2.1、Hudi

Hudi 最初是由 Uber 开源的，它被设计成支持通过列式数据格式进行增量更新。它支持从多个来源摄取数据，主要是Apache Spark 和 Apache Flink。它还提供了一个基于Spark的实用程序（DeltaStreamer）来读取外部资源，如Apache Kafka。

支持从 Apache Hive、Apache Impala 和 PrestoDB 读取数据。还有一个专门的工具（HiveSyncTool）可以将Hudi表模式同步到Hive Metastore 中。PS: Hudi 社区也支持 DLA

2.2、iceberg

Iceberg 最初由 Netflix 发布，旨在解决在 S3 上存储大型 Hive-Partitioned 数据集时出现的性能、可扩展性和可管理性挑战。

iceberg 支持 Apache Spark 的读和写，包括Spark的结构化流。Trino (PrestoSQL)也支持读取，但对删除的支持有限。同时支持Apache Flink 的读和写。最后，Iceberg 为 Apache Hive 提供了读支持。

2.3、Delta Lake

Delta Lake是由Databricks（Apache Spark的创建者）作为一个开源项目进行维护，并不奇怪，它与Spark在读写方面都进行了深度集成。

使用Hive的SymlinkTextInputFormat为Presto、AWS Athena、AWS Redshift Spectrum和Snowflake提供读取支持。尽管这需要为每个Delta表分区导出一个symlink.txt文件，而且正如你所说，对于较大的表来说，维护成本变得很高。

三、更新性能与吞吐

对大型、不可变对象的行级更新的支持可以通过几种方式来实现，每种方式都有其独特的关于性能和吞吐量的权衡。

让我们看看每种数据格式对UPSERT操作采用的策略。我们还将谈到与读取性能相关的额外优化。

3.1、Hudi

Hudi 表在处理 UPSERTS 时提供的性能权衡是灵活的（明确的）。两种不同类型的 Hudi 表之间的权衡是不同的。

Copy on Write Table

• 更新完全写在列式拼接文件中，创建新的对象。这增加了写的成本，但将读放大降低到零，使其成为读负载重的理想选择。

Merge on read Table

• 更新立即写入基于行的日志文件中，并定期合并到列式parquet中。有趣的是，查询可以包含最新的日志文件数据（快照视图），也可以不包含（读优化视图），为用户在数据延迟和查询效率之间提供不同的选择性

Hudi 通过利用关键索引进一步优化压缩，有效地跟踪哪些文件包含陈旧的记录。

3.2、Iceberg

随着去年夏天 Spark 3.0 的发布，Iceberg 通过 MERGE INTO 查询支持 upserts。它们使用直接的 Copy On Write 的方式工作，其中包含需要更新记录的文件会立即被重写。

Iceberg 的优势在于包含大量分区的表的读取性能。通过维护 manifest 文件，将对象映射到分区，并保持列级统计，Iceberg避免了昂贵的对象存储目录列表或需要从 Hive 获取分区数据。

此外，Iceberg 的清单允许一个文件同时分配到多个分区。这使得 Iceberg 表能高效地进行分区修剪，并改善了高选择性查询的延迟。

3.3、Delta Lake

在 MERGE 操作过程中，Delta 使用元数据信息的数据跳转，将文件分类为需要插入、更新或删除的数据。然后，它执行这些操作，并将它们作为 "提交 "记录在一个名为 Delta Log 的 JSON 日志文件中。这些日志文件每10次提交就会重写一次，作为Parquet 的 "检查点 "文件，保存整个表的状态，以防止昂贵的日志文件遍历。

为了保持性能，Delta 表需要定期进行压缩处理，将许多小的 Parquet 文件合并成较少的大文件（最佳情况下约1GB，但至少128MB大小）。Databricks 的专有版本 Delta Engine 支持自动压实，该过程会自动触发，并支持其他幕后写优化。

Delta Engine 通过使用 Bloom Filters 提供关键索引、Z-Ordering 以在读取时更好地修剪文件、本地缓存等，进一步提升了其开源版本的性能。

四、并发保证

允许数据表的 in-place 更新意味着要处理并发性问题。

如果有人在更新表的同时读取表，会发生什么？而当多个 writer 同时进行冲突的修改时，又会怎样？

通常数据库通过多版本并发控制（MVCC）来解决这个问题，这种方法利用一个逻辑事务日志，所有的更改都会被追加。

另一种称为优化并发控制（OCC）的方法允许同时发生多个写入，只在最后提交前检查冲突。如果检测到冲突，其中一个事务会被重试，直到成功。

4.1、Hudi

True to form，Hudi 提供 MVCC 和 OCC 并发控制。

Hudi 的 MVCC 意味着所有的写入必须在其中心日志中完全有序。为了提供这种保证，Hudi将写并发量限制为 1，这意味着在一个给定的时间点上，只能有一个writer对一个表进行写。

为了防止这种限制，Hudi 现在提供了 OCC。这个功能需要 Apache Zookeeper 或者 Hive Metastore 来锁定单个文件并提供隔离。

4.2、Iceberg

Iceberg 通过在更新过程中对元数据文件进行原子交换操作来支持优化并发（OCC）。

其工作方式：

• 每次写入都会创建一个新的表 “快照”。
• 然后，写入者会尝试对一个持有当前快照ID的特殊值进行比较和交换（CAS）操作。
  • 如果在提交过程中没有其他写入者替换快照，则操作成功。
  • 如果在此期间有另一个写入者进行提交，另一个写入者将不得不重试，直到成功。

在分布式文件系统上，如HDFS，这可以在本地完成。对于 S3，需要一个额外的组件来存储指针（目前只支持Hive Metastore）。

4.3、Delta Lake

据 Delta 文档解释，它使用Optimistic Control来处理并发性，因为大多数数据湖操作都会将数据追加到一个时间排序的分区，不会发生冲突。

在两个进程向Delta Log文件添加提交的情况下，Delta会 "默默地、无缝地 "检查文件变化是否重叠，如果可能的话，会让两个进程都成功。

不过这意味着，底层对象存储需要提供一种方式，当多个写入者开始覆盖对方的日志条目时，要么提供CAS操作，要么提供一种写入失败的方式。

与 Iceberg 类似，这个功能在 HDFS 上是可以开箱即用的，但S3不支持。因此，在 AWS 上的 Delta 不支持从多个Spark集群进行写入，且没有真正的事务性保证。

注意：专有的 Delta Engine 版本支持使用 Databricks 自己管理的外部同步服务器在 S3 上进行多集群写入。

五、如何选择合适的

如果你看到这里，我们已经了解了 Apache Hudi、Delta Lake 和 Apache Iceberg 之间的一些重要的相似之处和不同之处。

现在是时候决定哪种格式对你的用例最有意义了! 我的建议是取决那种情况最适用

5.1、Iceberg 的应用场景

你的主要痛点不是对现有记录的更改，而是在对象存储上管理巨大的表（超过10k个分区）的元数据负担。采用Iceberg将缓解与S3对象列表或Hive Metastore分区枚举相关的性能问题。

相反，对删除和变更的支持还是初步的，而且涉及到数据保留的操作开销。

5.2、Hudi 的应用场景

你使用各种查询引擎，并且需要灵活管理变更的数据集。请注意，支持工具和整体的开发者体验可能较差。尽管有可能，但为实际的大规模生产工作负载安装和调试Hudi也需要一定的操作开销。

如果你正在使用AWS管理服务，如Athena，Glue或EMR - Hudi已经预装和配置，并由AWS支持。

5.3、Delta Lake 的应用场景

你主要是一个Spark商店，并且期望相对较低的写入吞吐量。如果你也已经是Databricks的客户，Delta Engine为读写性能和并发量都带来了显著的改善，对他们的生态系统进行双重开发是很有意义的。

对于其他Apache Spark发行版来说，要明白Delta Lake虽然是开源的，但很可能会一直落后于Delta Engine，以起到产品差异化的作用。

5.4、Integration With lakeFS

如果你想知道 “我可以用 lakeFS 和这些数据格式一起使用吗？”…答案是肯定的。

lakeFS可以与Delta、Iceberg或Hudi中的任何一种共生，提供跨任何数量的表进行分支、合并、回滚等操作的能力。

由于这些格式都是在表级操作，所以对跨多个表的操作没有提供保证。通过 lakeFS，可以在一个孤立的分支上修改多个表，然后将这些修改原子地合并到一个主分支上，实现跨表的一致性

Further Reading

• ARTICLE: Diving Into Delta Lake: Unpacking the Transaction Log

• DOCS: Branching Recommendations: Cross Collection Consistency

• VIDEO: A Thorough Comparison of Delta Lake, Iceberg and Hudi

• ARTICLE: In-depth Comparison of Delta, Iceberg, and Hudi

• BLOG: Efficient Upserts into Data Lakes with Databricks Delta

• ARTICLE: Comparison of Big Data storage layers: Delta vs Apache Hudi vs Apache Iceberg

This article was contributed to by Paul Singman, Developer Advocate at lakeFS.

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