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基于ES的开源分布式SQL数据库，CrateDB适用于哪些场景？

本文根据许鹏老师在〖deeplus直播：开源分布式数据库CrateDB在携程的最佳实践〗线上分享演讲内容整理而成。（文末有回放的方式，不要错过）

今天的分享主要包含以下几个方面的内容：

• CrateDB介绍

• CrateDB在携程的实践

• CrateDB在携程的优化

一、CrateDB介绍

1、CrateDB

CrateDB是一款基于ElasticSearch的分布式数据库，它与ElasticSearch最大的区别是提供了ANSI SQL查询访问接口。ElasticSearch在6.X版本以后，也开始提供SQL的查询，但CrateDB与ElasticSearch相比，能够支持多索引之间的关联查询，针对某些聚合函数，它返回的是精确的查询结果，而ElasticSearch返回的是近似值。

2、CrateDB的特性

• 适用于海量时序数据存储

CrateDB适用于海量时序数据存储，需要频繁更改的数据使用CrateDB存储效果较差。因为CrateDB基于ElasticSearch，频繁的删改操作会使它的性能大大受损。

• 高可靠水平可扩

CrateDB继承了ElasticSearch设计中高可靠的优点，集群较方便实现扩容，对于一些点查询或复杂度中等的查询均能够较为实时地返回结果。

• 支持Dynamic Schema

CrateDB支持Dynamic Schema，其最新版本能够支持json数据格式，写入数据更加方便。

我认为CrateDB的初衷是用SQL的方式查询访问基于ElasticSearch存储的数据。基于这一概念，我们可以看到它大概的分层（如上图所示），从外部访问从下到上依次到达最终的存储，其最外一层提供了PostgresSQL兼容的访问协议和REST API的访问协议，接下来对语句进行解析，然后执行，获取存储在各个节点上的数据。

3、海量数据存储对比

因为类似技术较多，这里只对比几个典型的技术，CrateDB、ElasticSearch以及MongoDB，这三者都可以归类于Nosql。下文将从7个维度对三者进行对比。

1）Schema支持类型

这三个数据库均支持Dynamic Schema。但在现实的生产环境下，我们推荐采用Struct Schema，因为Dynamic Schema可能会带来种种问题。

仅代表个人观点，并非适用于所有场景。

2）是否支持SQL访问

SQL诞生四十多年，已成为非常成熟的语言，具有极强的表达能力。同时SQL具有通用性，被大家普遍接受。CrateDB基于SQL的通用性不断发展，其支持ANSI SQL，并且采用了PostgreSQL协议。

ElasticSearch起初只支持类json格式的查询语法，之后开始提供针对单索引的一些SQL语句支持函数，并不断丰富。MongoDB据我所知并未直接支持SQL，如果写入SQL语句，需要通过第三方插件才能够被MongoDB识别，这在一定程度上会影响查询性能。

3）可扩展性

从可扩展性角度出发，CrateDB和ElasticSearch采用gossip协议组建集群，简单来说节点之间相应对等。在一个ElasticSearch集群中，节点可分Master、Coordinator，以及承载数据的Data，一个节点可以同时扮演三个不同的角色，因此它们是对等的。

MongoDB则不同，如果用它来构建一个分布式集群，最起码有三个不同的Host，分别是Config Server、Mongos以及Data，为了实现高可靠，一个分片还需要分成相应的Master或Slave。

综上所述，从可扩展角度来看，ElasticSearch和CrateDB更好。

4）对于关联分析的支持程度

CrateDB支持跨索引之间的关联分析，而ElasticSearch则使用一些变通的方式支持此类关联查询，这意味着在写入数据时需要做相应变更。MongoDB在4.X版本时不支持关联查询，之后的版本未及时关注，如描述有误，欢迎大家指正。

5）聚合准确度

CrateDB和MongoDB返回精确值，ElasticSearch则是返回近似值，虽然返回近似值执行速度快，但其计算的准确度会受到一定影响。

6）性能

在查询性能方面， CrateDB和ElasticSearch都能够较好地返回查询结果，上图中列出的耗时为100毫秒。对于较为简单的查询，100毫秒算是较高的消耗，事实上可以在更短的时间内返回结果。后文中会提到我们自己质量环境下的实际耗时。

7）运维

引入一项新技术后，其带来的运维复杂度十分关键。CrateDB和ElasticSearch相较于MongoDB运维复杂度更低。

4、CrateDB系统架构及节点类型

上文中提到在CrateDB和ElasticSearch中节点之间相互对等。以ElasticSearch举例，由5个节点构成的ElasticSearch集群中起码有两个不同的角色。

• Master

该角色需要负责两个方面的工作，分别是管理节点和管理索引。节点加入集群，在集群中创建了多少个不同的索引，这些索引的分片分布在哪些机器上，这些信息都由 Master来管理。

• 数据节点

我们创建好的索引，数据最终要落到一个具体的ElasticSearch节点上，这些最终承载数据的就是数据节点。

上图右半部分所示为在生产上部署一个CrateDB或ElasticSearch集群。最上方的负载均衡部分可有可无。除上文提到的两种节点类型外，还有一种叫做Coordinator的节点类型，它既不承载具体的数据，也不扮演Master的角色，只接受外部的请求，并将外部请求路由到数据节点上做具体查询，然后在Coordinator节点做一些汇总，最后返回给应用程序。除此之外，ElasticSearch中可能还会有一个叫Ingest的节点类型，这里不进行过多阐述。

综上所述，一个CrateDB的表类似于一个ElasticSearch的索引，ElasticSearch中索引由多个不同的分片组成，每一个分片可能会落到某一个数据节点上。为了实现高可靠，一个分片又分成主分片和副本分片，即图中列出的Primary和Secondary。

5、CrateDB具体操作

1）表创建

这个操作和我们平时用PostgreSQL或MySQL创建一张表并无很大差别。

创建一张职工的表（如上图所示），其中包括姓名、年龄、性别以及住址。这张表根据姓名来进行哈希，哈希的结果分到4个不同的分片中，with后面跟着一些针对索引层面的配置，它的配置项多达几十项。我们最主要关注以下几点：

• 分片的副本数

如果只有主分片，replica数为0。如果在主分片之外，还有别的副本分片，增加相应的replica数即可。

• refresh_interval

ElasticSearch进行刷新数据会从内存刷新到磁盘，不断刷新会降低性能。为了保证更多数据留在内存中，减少刷新的次数，我们可以调节刷新间隔，具体调整根据对数据的新鲜度要求而定。数据只有被刷新后才能被搜索到。

• translog.sync_interval

ElasticSearch采用的是write ahead log的方式，这意味着有大量的translog。translog同样将数据从内存写到磁盘，这当中有一个sync的间隔，如果调高这一间隔，可能会加快写入速度，但也有可能带来容错方面的问题。

2）乐观并发控制

CrateDB是基于ElasticSearch的数据库，其在ElasticSearch基础上进行了叫做乐观并发控制的演变。我们将数据写入到某一张表时，有两个隐藏的列，一个是sequence_number，即这一列的版本号，另一个为primary_term，二者联合使用可以实现某一版本的数据只更新一次，避免频繁更新。

以上图中的语句为例，对sequence_number等于0进行更新，当这条语句执行成功后，它的sequence_number会自动跳到1，每更新一次，这个值就会递增。如果有两个不同的进程或两个不同的外部访问，试图来更新同一条语句，那么只有一条会被执行成功，这就做到了乐观并发控制。

3）Partitioned Table

CrateDB与ElasticSearch不同，它引入了Partitioned Table的概念，即所谓的分区表。

上文中讲到一个表存在多个分片承载数据，即ElasticSearch的一个索引有多个不同的分片，对应到CrateDB中是分区，CrateDB中的分区可以与ElasticSearch中的别名相对应。

如果我们要查询或写入表的数据量达几十亿或上百亿，将这些表都放到同样一个索引当中，可能会导致查询与写入的速度变慢，我们其实可以把这些数据分成多个不同的分区。

在我们实际的生产中有这样一种情况，一些坐过飞机的用户可能希望查看自己的飞行足迹，如果将所有用户的历史数据都放在同一个索引中，经过查询最后在前端展现的话，速度可能会较慢，因为这一操作对接口的要求较高。

例如要求在50毫秒内返回结果，如果不把这些数据做分区的话，查询会很慢。此处的慢是99%line的情况，在此情况下，我们要达到满足性能指标，其中一个变通方法就是把它拆成多个不同的分区，每个uid进入后只需要到对应的分区表查询即可。

在做分区的时候有一点需要注意，如果表已经创建了组件，分区的字段必须都属于组件字段的列表，因为这个组件可以由一个列或多个列组成，也可能是一种复合的组件，分区的字段必须在组件的字段列表当中。

二、CrateDB在携程的实践

1、实时聚合分析

上图是我们使用CrateDB之后进行的比较，图中只比较了CrateDB和Presto，我们当时的场景如下。

我们有不少的表，每张表的数据量都有几千万条，有的甚至上亿条，需要对数据做比较复杂的聚合。原来是用Presto查询，因为它是一个看板，每次刷新的间隔延迟较大，为了解决这个问题，我们尝试了一些方法，后来发现用CrateDB效果较好，右侧是性能对比，收益十分明显。

1）具体分析场景

• 国内产品/业务/收益数据分析；

• 主要对常用产量收益(多维度)进行监控；

• 进行拆分下钻分析；

• 进行了sum、between、groupby、case when、left join、union all等操作。

在性能对比方面，采用CrateDB后，我们基本上能够在1~2秒之内返回结果。

2、海量数据存储以及实时查询

在我们实际的生产中有不少实时数据聚合分析的调用。

起初，我们是将数据放入Redis中，每收到一次取数请求，我们都会进行相应的代码开发，把取出的数据进行相应解析，处理之后返回给调用方。这个需求虽然不复杂，但是因为我们没有办法注入数据分析的逻辑，所以不得不进行代码工作。

引入CrateDB后，我们可以将分析工作采用SQL的方式来实现，对于那些用SQL分析不能完全解决掉的剩余部分，则联合一些Groovy脚本完成。

基于这样的理念，我们开发了一个模板，我们将SQL写入模板中，指定从哪个表中取数，如何分析，决定取完数后是否需要进行定制的后续处理，如果需要，则执行相应的Groovy的脚本，最后返回结果。这一套流程大大节省了开发的周期，提升了开发的效率。

除开发周期对比外，存储方面的对比也十分显著。例如数据放入到Redis中，需要200g内存，用CrateDB来存，可能只需要50g，这不仅是数据量上的减少，同时意味着成本的大大缩减。在携程，有基于RocksDB的存储，它开发有Redis兼容协议，可以做到把数据存储到磁盘上，同时可以用Redis的接口访问。

我们将数据存入了磁盘，分别从均线、95%line、99%line三方面对比性能。均线方面还在可以忍受的范围内，当然CrateDB不可能比Redis更快。从上图中可以看出，除99.9%line的时候差距大一点，其他均在可接受的范围内。在数据导入耗时方面，我们运用Spark将数据导入CrateDB，两者差距不是特别大。

三、CrateDB在携程的优化

1、落地时的调优

当我们将CrateDB引入整体的技术方案中时，还需要进行一些调优。

1）磁盘空间调优

为了避免大量磁盘空间的消耗，需要对索引层面进行优化。除此之外，还可以进行聚合优化，关闭列存储。

2）update操作优化

为了提升 update操作的性能，我们建议先insert，然后再删除已有的数据。为了达到目的，可以加上相应的版本号，每次只取最新版本的数据。对于在线更新的需求需要做转换，这也意味着采用CrateDB所能够支持的场景是有受限的,对于严格要求一致，或更新频繁的场景，CrateDB不是很好的选择。

3）查询优化

上文中提到采用分区加多个分片的方式优化表结构的存储，使得每一次查询只需要去查尽可能少的分区或分片，查的数据越少、越精准，时间消耗就越短。

4）过期数据删除优化

2、Spark数据导入

在数据导入CrateDB时，我们可能会用 Spark进行操作，此处向大家分享这一过程中的一个细节点。

此处用分区举例，如果有一个十几亿或几亿的用户ID，还有一些关联数据，要把它均匀地落到每个分区上，有一种比较简单的方法。我们把 uid（一串字符）进行相应的MD5，MD5之后，取前两位或后两位，就可以得到256个分片。256分片显然太多了，可以再除以一个系数，减少分片数，就可以让这些数据均匀分布，这样可以做到分片上承载的数据量是差不多的。

这样做的挑战是在写Spark程序时，怎样让每一个partition当中的数据都是落入同一个分片的内容，大家可能会想到repartition函数，但repetition是对某个字段进行哈希，并不能保证落到同一个 partition的数据，这时我们就需要去制定 partition。上图右侧写出了一些伪码，我们在spark中定义一个repartition，然后重载，显示这里可能会有多少个不同的分片。

假设我们刚才取前两位或取后两位，然后除以4得到64个分片的话，那么我们把传进来的数字跟64取模就对应到某一个具体的partition的位置。在Spark中有partitionBy，partitionBy只支持rdd算子，DataFrame中没有partitionBy的算子，所以我们需要先把DataFrame或者DataSet转成rdd，通过组成一个 key键值对的方式进行partitionBy操作。之后还需要将相应的rdd转换回DataFrame，这样就可以得到一个分布很均匀的 DataFrame，再将其写入CrateDB中，就能达到很快的写入速度。

3、运维自动化尝试

我当时是用 Rancher、OpenEBS，以及Nginx Ingress实现了一个在K8S上的CrateDB集群，这使得我们在云环境去部署CrateDB成为一种可能，部署到云上，即便是私有云上，也可以提高硬件使用率，这也是我的初衷。

4、CrateDB admin UI

CrateDB安装完成后，会打开上图所示的操作界面，我们能够直接写入查询语句，也可以方便地观测到整个集群的状况。

四、总结

1、CrateDB的适用场景

• 写入少，查询多

• 时序数据存储

• 全文本查询

2、CrateDB的不足

• Upsert性能较低

• 仅支持NRT查询

• 高阶SQL函数有待实现

• 不支持事务

Q&A

Q1：CrateDB有解决ES字段类型无法修改、写入性能较低和高硬件资源消耗等痛点吗？

A1：首先，CrateDB支持修改字段类型，这个字段类型的修改和PostgreSQL中相同，可以将varchar改成text，但将varchar类型直接改成time stamp可能就会有问题，这时就不得不从重写或者是进行转换。其次，写入性能高低分场景，如果只是单独insert的话，它的性能还是很高的，如果是upsert，或delete与insert掺杂在一起的话，这种混杂这种模式的话，写入性能就会有一些问题，需要进行相应的变通。变通的方式有两种，第一种是先把新数据insert，再把老数据delete。第二种方式是新数据较小的话，可以写入一张另外的临时表中，临时表和新的表进行关联，再做相应的update。

Q2：CrateDB 相比于 Elasticsearch 和 MongoDB ，备份和恢复能力如何？

A2：CrateDB和Elasticsearch在备份和恢复能力层面一样，但是和MongoDB相比，可能更加直观和容易，这是我个人的理解。恢复方面，如果你要求写入时所有数据都吐到磁盘之后才返回，那么所有数据应该都是全部无丢失的。

Q3：CrateDB运行一段时间性能会明显降低，除了重启还有什么方案？

A3：CrateDB在实际运维中确实会碰到一些问题，但是我没有碰到性能明显下降的情况。如果有的话，你可以进行索引级别的重建，而不是整个集群的重启，因为集群重启带来的成本较高。

Q4：CrateDB日志分析能力如何，有继承ES的ELK能力吗？

A4：在与Logstash和Kibana搭配这一层面，还是ES能力更强。从整个生态圈的角度来看，CrateDB还是不能和Elasticsearch相比的，因为Elasticsearch的发展时间久，然后有Logstash和Kibana的加持，在数据的可视化还有分析展现层面确实很强，但是CrateDB可以和另外几个开源的产品搭配使用，比如说Apache Superset但是肯定没有Kibana那种原生定制的强大。

Q5：如果把CrateDB部署在k8s上，数据存储应该怎么存放，是分布存储，本地存储，还是集中存储？

A5：上文中提到需要和OpenEBS或Rancher结合，它是分布式处理的，你的节点要附着于相应的存储机器上面，即使Docker挂了，数据是不会丢失掉的。

Q6：CrateDB贵司用在TP场景多还是AP场景多？

A6：我们用到的是 AP场景，实时数据的聚合返回结果的，当然每一次查询所命中的数据集并不是特别大，我们要查询的数据集可能是很大的，但是真正被查询条件所命中的还是比较少的，可能是几十万。

Q7：CrateDB 的对标竞品是什么，和大数据生态圈比如hadoop有互补吗 ？

A7：CrateDB不是跟Hadoop相竞争，它们两个应该在不同的层面，因为Hadoop是进行离线数据存储的，而CrateDB是做数据分析的。如果要寻找对标竞品的话，我个人认为TimescaleDB是一个很强的竞品，因为它们都号称是时序数据库，同时也提供ANSI SQL的查询标准。从现在的态势来看，可能TimescaleDB获得的用户群更多一点。

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