论文分享：利用对象存储进行高性能数据分析

GreptimeDB 2024-01-31

本次分享的是慕尼黑工业大学（TUM） Dominik Durner，Viktor Leis，和 Thomas Neumann 于 2023 年 7 月发表在 PVLDB（Volume 16 No.11) 的论文：

Exploiting Cloud Object Storage for High-Performance Analytics。

DB：https://umbra-db.com/

论文地址：

https://www.vldb.org/pvldb/vol16/p2769-durner.pdf

概述：

🌟 ...Our experiments show that even without caching, Umbra with integrated AnyBlob achieves similar performance to state-of-the-art cloud data warehouses that cache data on local SSDs while improving resource elasticity...

我们的云原生时序分析型数据库研发团队在这篇文章上受益匪浅，论文主要聚焦于如何在对象存储上进行高性能数据分析，其中一些结论为我们的工程实践提供了明确的指导方向。

AWS S3 背景介绍

AWS S3 每 TB 存储成本为 23 美元每月，同时可以实现 11 个 9 的可用性。需要注意的是，最终费用还取决于调用的 API 次数以及跨 Region 的流量费用；
访问 S3 的带宽可达到 200 Gbps，这取决于实例的带宽。在原文的 Introduce section 中为 100 Gbps，但后文提到在 AWS C7 系列机型上，这一带宽可以跑满 200 Gbps。

论文中提到 AWS S3 面临以下挑战：

挑战 1：无法充分利用带宽；

挑战 2：存在网络 CPU 额外开销（主要是 One-to-one thread mapping 带来的一些问题）；

挑战 3：缺少多云支持。

🌟 这三个挑战重要程度刚好也是 1 > 2 > 3

云存储（对象存储）特征

云存储（对象存储）通常提供相对较低的延迟（根据负载大小在若干毫秒至数百毫秒之间）和较高的吞吐量（上限取决于 EC2 带宽，EC2 第 7 代机型上可高达 200 Gbps），适用于大规模数据的读取和写入。相比之下，Amazon Elastic Block Store（EBS）通常提供更低的延迟（个位毫秒级），但其吞吐量则低于云存储，通常相差一到两个数量级。

2.1 延迟

在小请求中，首字节延迟（First byte latency）是决定性的影响因素；
对于大请求，从 8 MiB 到 32 MiB 的实验显示，延迟随着文件大小呈线性增长，最终达到了单个请求的带宽限制；
在热数据方面，我们使用第一次请求和第二十次请求分别代表请求冷热数据的场景。在请求热数据的情境中，延迟通常更低。

🌟 对应到我们读取文件的场景中：

1. 读取平均大小小于 1 KiB 的 Manifest Files 的操作，可能需要约 30 ms（p50， Cold）/约 60 ms（p99，Cold）。

2. 读取 8 MiB 的 Parquet 文件，则需要约 240 ms（p50，Cold）/约 370 ms（p99，Cold）。

2.1.1 吵闹的邻居（Noisy neighbors）

实验方法：单个请求 16 MiB

带宽（Bandwidth）的计算方式：总字节数/持续时间

对象带宽存在较大的变化，范围从约 25 到 95 MiB/s 不等。
有相当数量的数据点（15%）位于最大值（～95 MiB/s）
中位数性能稳定在 55-60 MiB/s。
周末性能较高

2.1.2 不同云厂家的延迟

实验方法：单个文件 16 MiB，每次请求间隔 12 小时（以降低缓存对测试的影响）

1. S3 延迟最大；

2. S3 有“最小延迟”，即所有数据都比该数值高；

3. 与 AWS 相比，在低延迟范围内的异常值表明其他供应商不隐藏缓存效果。

我认为这和 S3 底层硬件和实现或许也有关系，整体硬件更老旧或者不同的缓存方案都会导致 2，3 两个情况。

2.2 吞吐量

单个文件 16 MiB，256 个并行请求，达到最大吞吐量（100 Gbps）
随地域（Region）波动
AWS 75 Gbps （以下均为中位数）
Cloud X 40Gbps
Cloud Y 50Gbps
冷热数据差别不大

2.3 最佳请求大小

通过上图可以看出，最佳请求大小通常在 8-16 MiB。尽管 32 MiB 的价格更低一些，但在相同带宽下，其下载用时会比 16 MiB 高一倍，相比于 8-16 MiB 而言优势并不明显。

2.4 加密

作者到目前为止所有的实验都是基于非安全链接 HTTP 测得的。在这一节中，作者比较了开启 AES 和启用 HTTPS 后的吞吐量表现。

HTTPS 需要 HTTP 2 倍 CPU 资源
AES 只需要增加 30% CPU 资源

在 AWS，所有区域之间的流量，甚至在可用区之间的所有流量都由网络基础设施自动加密。在同一个位置（Location）内，由于 VPC 的隔离，没有其他用户能够拦截 EC2 实例和 S3 网关之间的流量，因此使用 HTTPS 是多余的。

2.5 慢请求

在实验中，我们观察到一些请求具有相当大的尾部延迟，甚至有些请求在没有任何通知的情况下丢失。为了应对这种情况，云供应商建议采用重新请求无响应的请求（request hedging）策略。

作者得到了一些慢请求的经验值，对于 16 MiB 大小的文件：

在经过 600 毫秒后，只有不到 5% 的对象尚未被成功下载；
第一个字节的延迟超过 200 毫秒的对象也不到 5%。

基于上述经验值，可以考虑对那些超过一定延迟阈值的请求进行重新下载的尝试。

🌟 Amazon Performance Guidelines for Amazon S3.

https://docs.aws.amazon.com/AmazonS3/latest/userguide/optimizing-performance-guidelines.html

2.6 云存储数据请求模型

在研究中，作者注意到单个请求的带宽类似于访问 HDD 上的数据。为了充分利用网络带宽，需要大量并发请求。对于分析型工作负载而言，8-16 MiB 范围内的请求是具有成本效益的。他们设计了一个模型，用于预测达到给定吞吐目标所需的请求数量。

实验使用的计算实例（Instance）总带宽：100 Gbps，图中 Model（Hot）为之前实验中 25 分位（p25）延迟。

baseLatency 的中位数约为 30 ms （Figure 2：1 KiB 试验得出）；
dataLatency 的中位数约为 20 ms/MiB，Cloud X 和 Cloud Y 更低 (12–15 ms/MiB) （Figure 2：16 MiB 中位数 - 基本延迟）；
S3 跑满 100 Gbps 需要 200-250 个并发请求；
数十几毫秒的访问延迟和单个对象的带宽约为 50 MiB/s，对象存储应该是基于 HDD 的（意味着以 ∼80 Gbps 从 S3 读取相当于同时访问约 100 个 HDD）。

AnyBlob

AnyBlob 是作者自行设计的通用对象存储库，支持访问不同云服务商的对象存储服务。与现有的 C++ S3 库相比，AnyBlob 采用了 io_uring 接口，并去除了一对一线程映射的限制。最终结果显示 AnyBlob 有着更高的性能并且 CPU 使用有所降低。然而，我认为主要原因可能就是现有 C++ S3 库质量太差了，说不定是实习生糊的。

域名解析策略

除此之外，AnyBlob 中还有一些可圈可点的地方。作者观察到，系统为每个请求解析域名会带来相当大的延迟开销。

1. 缓存多个 Endpoint 的 IPs：将多个 Endpoint 的 IP 地址缓存，并通过调度请求到这些 IPs，基于统计信息更换那些性能明显下降的端点。

2. 基于 MTU：不同 S3 节点具有不同的最大传输单元（MTU）。其中，一些 S3 节点支持使用最大 9001 字节的巨型帧（Jumbo frames），这可以显著降低 CPU 开销。

3. MTU 发现策略：通过对目标节点 IP 进行 ping，并设置 Payload 数据大于 1500 字节且 DNF（do not fragment），以确定是否支持更大的 MTU。

集成云存储

在这一部分，作者介绍了他们是如何集成云存储的。总体而言，这些想法实际上都是趋同的，具体的实现细节还是要看各家工程实践的。

自适应

如果处理请求数据速度较慢，则减少下载线程（及任务）数量并增加请求线程（及任务）数量。

性能评估

5.1 数据下载性能

（实验参数：TPC-H scale factor 500（～500GiB 数据））

作者将查询分为了两类，检索密集型（retrieval-heavy）和计算密集型：

1. 检索密集型的代表：Q 1, 6, 19 ，其特点是 In-Memory 和 Remote 之间的性能差异是一个常数倍数。

2. 计算密集型的代表：Q 9, 18，其特点是 In-Memory 和 Remote 之间的性能差异非常小。

5.2 不同存储的对比

EBS 性能最差（这里应该是买了 gp2/3 丐版，1 Gib 左右带宽）。

5.3 扩展性

1. 检索密集型（Q1），瓶颈出现在网络带宽

2. 计算密集型（Q9），性能随着核心数量的增加而提高，远程 Umbra 版本的吞吐量几乎与内存版本相同。

5.4 End-To-End Study with Compression & AES

实验参数：比例因子（SF）为 100（∼100 GiB）和 1,000（∼1 TiB 的数据）

实验中用到的 Snowflake 为 large size，而 Umbra 使用了 EC2 的 c5d.18xlarge 实例，并且没有启用缓存。

总的来说，这个对比可能存在一些不够严谨的地方，比如没有提供 Snowflake 组更多的信息：

对于 L size Snowflake，可能存在超售限流的情况；
Snowflake 组购买的可能是 Standard 丐版，这也可能影响实验结果。

不过另一个侧面也说明了：Benchmark marketing 的核心技术可能是统计学魔法 🧙（把没有击中缓存的那次查询藏到 p99 之后）。换句话说，单个查询跑 10 遍和跑 100 遍的 Benchmarking 优化工作量或许不在一个数量级🥹。

https://instances.vantage.sh/aws/ec2/c5d.18xlarge
https://www.snowflake.com/legal-files/CreditConsumptionTable.pdf

总结

总的来说，这篇文章在以下方面提供了不少数据支持和一些启发：

对象存储的一些特征
最佳文件大小
是否开启 HTTPS
云存储数据请求模型
基于统计信息调度查询和下载线程和任务
慢请求的经验值
MTU 巨型帧

在即将推出的下一个版本 GreptimeDB 0.7.0 中，我们对查询进行了大量的优化，其中也包括了在对象存储上的查询优化。在部分场景下，查询耗时已经接近于本地存储的水平。敬请期待试用，并欢迎提出任何形式的建议和讨论。

如果你有任何疑问或建议，欢迎扫描下方小助手微信私聊我们～

关于 Greptime

Greptime 格睿科技于 2022 年创立，目前正在完善和打造时序数据库 GreptimeDB，格睿云 GreptimeCloud 和可观测工具 GreptimeAI 这三款产品。

GreptimeDB 是一款用 Rust 语言编写的时序数据库，具有分布式、开源、云原生、兼容性强等特点，帮助企业实时读写、处理和分析时序数据的同时，降低长期存储的成本。

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GreptimeAI 是为 LLM 应用量身定制的可观测性解决方案，开发者可以通过该方案全面、深入地了解应用的成本、性能、流量和安全情况，在保证低成本和高性能的同时提供高效可靠的分析能力，同时保留了时序数据库的灵活性。

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