Druid（准）实时分析统计数据库——列存储+高效压缩

Posted 2020-08-26 将者，智、信、仁、勇、严也。

Druid是一个开源的、分布式的、列存储系统，特别适用于大数据上的（准）实时分析统计。且具有较好的稳定性（Highly Available）。 其相对比较轻量级，文档非常完善，也比较容易上手。

Druid vs 其他系统

Druid vs Impala/Shark

Druid和Impala、Shark 的比较基本上可以归结为需要设计什么样的系统

Druid被设计用于：

1. 一直在线的服务
2. 获取实时数据
3. 处理slice-n-dice式的即时查询

查询速度不同：

• Druid是列存储方式，数据经过压缩加入到索引结构中，压缩增加了RAM中的数据存储能力，能够使RAM适应更多的数据快速存取。索引结构意味着，当添加过滤器来查询，Druid少做一些处理，将会查询的更快。
• Impala/Shark可以认为是HDFS之上的后台程序缓存层。 但是他们没有超越缓存功能，真正的提高查询速度。

数据的获取不同：

• Druid可以获取实时数据。
• Impala/Shark是基于HDFS或者其他后备存储，限制了数据获取的速度。

查询的形式不同：

• Druid支持时间序列和groupby样式的查询，但不支持join。
• Impala/Shark支持SQL样式的查询。

Druid vs Elasticsearch

Elasticsearch(ES) 是基于Apache Lucene的搜索服务器。它提供了全文搜索的模式，并提供了访问原始事件级数据。 Elasticsearch还提供了分析和汇总支持。根据研究，ES在数据获取和聚集用的资源比在Druid高。

Druid侧重于OLAP工作流程。Druid是高性能（快速聚集和获取）以较低的成本进行了优化，并支持广泛的分析操作。Druid提供了结构化的事件数据的一些基本的搜索支持。

 

Segment: Druid中有个重要的数据单位叫segment，其是Druid通过bitmap indexing从raw data生成的（batch or realtime）。segment保证了查询的速度。可以自己设置每个segment对应的数据粒度，这个应用中广告流量查询的最小粒度是天，所以每天的数据会被创建成一个segment。注意segment是不可修改的，如果需要修改，只能够修改raw data，重新创建segment了。

架构

Druid本身包含5个组成部分：Broker nodes, Historical nodes, Realtime nodes, Coordinator Nodes和indexing services. 分别的作用如下：

• Broker nodes: 负责响应外部的查询请求，通过查询Zookeeper将请求划分成segments分别转发给Historical和Real-time nodes，最终合并并返回查询结果给外部；
• Historial nodes: 负责’Historical’ segments的存储和查询。其会从deep storage中load segments，并响应Broder nodes的请求。Historical nodes通常会在本机同步deep storage上的部分segments，所以即使deep storage不可访问了，Historical nodes还是能serve其同步的segments的查询；
• Real-time nodes: 用于存储和查询热数据，会定期地将数据build成segments移到Historical nodes。一般会使用外部依赖kafka来提高realtime data ingestion的可用性。如果不需要实时ingest数据到cluter中，可以舍弃Real-time nodes，只定时地batch ingestion数据到deep storage；
• Coordinator nodes: 可以认为是Druid中的master，其通过Zookeeper管理Historical和Real-time nodes，且通过mysql中的metadata管理Segments
• Druid中通常还会起一些indexing services用于数据导入，batch data和streaming data都可以通过给indexing services发请求来导入数据。

Druid还包含3个外部依赖

• Mysql：存储Druid中的各种metadata（里面的数据都是Druid自身创建和插入的），包含3张表：”druid_config”（通常是空的）, “druid_rules”（coordinator nodes使用的一些规则信息，比如哪个segment从哪个node去load）和“druid_segments”（存储每个segment的metadata信息）；
• Deep storage: 存储segments，Druid目前已经支持本地磁盘，NFS挂载磁盘，HDFS，S3等。Deep Storage的数据有2个来源，一个是batch Ingestion, 另一个是real-time nodes；
• ZooKeeper: 被Druid用于管理当前cluster的状态，比如记录哪些segments从Real-time nodes移到了Historical nodes；

查询

Druid的查询是通过给Broker Nodes发送HTTP POST请求（也可以直接给Historical or Realtime Node），具体可见Druid官方文档。查询条件的描述是json文件，查询的response也是json格式。Druid的查询包含如下4种：

• Time Boundary Queries: 用于查询全部数据的时间跨度
• groupBy Queries: 是Druid的最典型查询方式，非常类似于Mysql的groupBy查询。query body中几个元素可以这么理解：
  • “aggregation”: 对应mysql”select XX from”部分，即你想查哪些列的聚合结果;
  • “dimensions”: 对应mysql”group by XX”，即你想基于哪些列做聚合;
  • “filter”: 对应mysql”where XX”条件，即过滤条件；
  • “granularity”: 数据聚合的粒度;
• Timeseries queries: 其统计满足filter条件的”rows”上某几列的聚合结果，相比”groupBy Queries”不指定基于哪几列进行聚合，效率更高;
• TopN queries: 用于查询某一列上按照某种metric排序的最常见的N个values;

本文小结

1. Druid是一个开源的，分布式的，列存储的，适用于实时数据分析的系统，文档详细，易于上手；
   • Druid在设计时充分考虑到了Highly Available，各种nodes挂掉都不会使得druid停止工作（但是状态会无法更新）；
   • Druid中的各个components之间耦合性低，如果不需要streaming data ingestion完全可以忽略realtime node；
   • Druid的数据单位Segment是不可修改的，我们的做法是生成新的segments替换现有的；
   • Druid使用Bitmap indexing加速column-store的查询速度，使用了一个叫做CONCISE的算法来对bitmap indexing进行压缩，使得生成的segments比原始文本文件小很多；
2. 在我们的应用场景下（一共10几台机器，数据大概100列，行数是亿级别），平均查询时间<2秒，是同样机器数目的Mysql cluter的1/100 ~ 1/10；
3. Druid的一些“局限”：
   • Segment的不可修改性简化了Druid的实现，但是如果你有修改数据的需求，必须重新创建segment，而bitmap indexing的过程是比较耗时的；
   • Druid能接受的数据的格式相对简单，比如不能处理嵌套结构的数据