云上OLAP引擎查询性能评估框架：设计与实现

作者 | 南京大学顾荣、吴侗雨

1 背景

公有云是一种为用户提供经济方便的计算资源的平台。随着云计算技术的快速发展，以及大数据查询需求的日益增加，很多公有云的云计算应用市场中，出现了越来越多云上 OLAP 引擎服务。为了能够根据自己的业务需求选择合适的 OLAP 引擎，并通过合适的配置使引擎在最佳状态运行，用户需要对当前使用的查询引擎性能进行评估。

当前 OLAP 引擎性能评估框架在云上部署使用时面临三个主要挑战：

1、对云环境适应能力弱。传统性能评估框架诞生时，尚未具备云上特有的 PaaS、IaaS、SaaS 特性，也不具备对存算分离的适配支持。使用云上 OLAP 时，需要充分利用云计算特性分析 OLAP 引擎性能。

2、不具备复杂工作负载的复现能力。工作负载由数据集、查询集、查询序列组成。传统的性能评估框架通常采用固定的数据集和查询级，查询序列也主要以线性序列为主。现代 OLAP 查询场景的复杂化，对特定场景下的数据集和查询集的特征刻画、高并发复杂场景支持等，提出了更高的要求。

3、难以全面评估查询性能与上云成本。传统评估体系（如 TPC-H、TPC-DS）不体现成本因素，而在云上资源近乎无限的大环境里，不考虑成本的评估会造成很大的偏见，甚至得出错误的结论。云计算具备自定义租用服务器规模的特性，因此云上成本是可变、可设置的，其单价也随时间波动。用户既希望 OLAP 查询能以最快的速度被执行，又希望能尽可能节省成本，因此需要性能评估框架全面评估查询性能与上云成本，根据用户需求提供最具性价比的云服务器与 OLAP 引擎搭配方式。

针对上述问题，南京大学顾荣老师、吴侗雨博士等人与 Apache Kylin 社区团队联合研究，设计开发一套云上 OLAP 引擎查询性能评估框架，名为 Raven。

Raven 被设计来帮助用户回答一些 OLAP 引擎上云面临的实际而又重要的问题：

• 对于一份真实生产数据中的真实工作负载（数据载入 + 查询），哪个 OLAP 引擎在云上运行的 IT 成本更低？

• 给定一个查询速度的目标，在能达成的速度目标的前提下，哪个 OLAP 引擎在云上能给出更低的 IT 成本？

• 再加上考虑数据载入速度的因素，情况又会如何？

本文将介绍本团队在设计与实现 Raven 时遇到的问题、对应的解决方案、以及当前的初步研究成果。

2 适应云架构的性能评估框架设计

OLAP 引擎查询性能评估框架适配云架构时，实际上是在适配云上的 PaaS、IaaS、SaaS 特性。具体而言，云服务器的很多功能都以服务的方式呈现给用户，用户只需要调用对应服务的接口，即可实现不同的目的，如云服务器创建、文件操作、性能指标获取、应用程序执行等。在文件操作中，由于云服务器采用计算存储分离的架构，一些数据可能需要通过服务从远程的云存储服务上拉取。

图 1：基于公有云平台的 Raven 性能评估框架

结合上述需求，Raven 的框架如图 1 所示。其执行步骤如下：

1、用户输入性能测试配置信息，触发性能测试启动模块，该模块负责根据用户配置创建启动云上 OLAP 性能测试所需的云服务器和计算环境。

2、性能测试启动模块将工作负载、数据集、性能指标、引擎参数等信息传递给配置控制与分发模块，该模块负责将上述信息分发到对应的服务接口或模块上。

3、配置控制与分发模块触发工作负载执行模块，工作负载执行模块启动配置好的 OLAP 引擎，并根据工作负载设置随时间向 OLAP 引擎发送查询请求。

4、OLAP 引擎向本地存储或云存储拉取数据集，执行查询。查询执行过程中，工作负载执行模块记录查询开始和结束的时间戳，并启动资源管理服务，监控 OLAP 引擎查询期间的性能指标。查询结束时，工作负载执行模块将时间戳和性能指标信息输出到云存储中。

5、启动性能分析评分模块，从远程云存储中拉取时间戳和性能指标信息，导入用户自定义的评分模型，得到最终的性能评估结果。

上述设计的优点在于：

1、 充分利用可自定义的云服务器数量和配置，允许用户自定义其希望创建的集群环境。

2、支持向远程的云存储服务读写数据，适应云环境的存算分离架构。

3、使用云服务提供商的资源管理服务，得以获取大量系统资源使用状况的信息。

4、支持可插拔的引擎接口，用户可任意指定其所需测试的 OLAP 引擎及其配置。

实际使用时，用户的输入以一个.yaml 文件呈现，可仿照如下格式：

engine: kylinworkload: tpc-htest_plan: one-passmetrics: all

用户需要的云服务器数量、每台机器的配置、不同的引擎等，均可通过 JSON 文件配置。

3 基于事件和时间戳的工作负载设计

传统的 OLAP 查询引擎通常采用固定的数据集和查询集，并执行一系列的查询，查看 OLAP 引擎的查询性能。然而，当前很多行业的工作负载正更加复杂。

1、越来越多的企业意识到自身数据及业务具有鲜明特征，希望能够在给定的数据特征下获得最佳的 OLAP 查询方案。

2、除了传统的 OLAP 查询外，越来越多的预计算技术，如 ETL、索引、Kylin 的 Cube 等，亟待纳入到 OLAP 引擎性能的考察中。

3、数据量的快速增长使得高并发查询、QPS 可变查询的场景越来越多，传统的线性查询方法很难上述新场景进行准确评估。

Raven 使用了一种基于时间线的事件机制描述复杂的 OLAP 工作场景。该机制下，一个工作负载由多个阶段构成，一个阶段由多个事件构成。在时间线上，一个工作负载被描述为若干个阶段的顺序执行。每个阶段分为线上阶段和线下阶段两种：线上阶段执行实际的查询请求，线下阶段执行预计算等操作。事件是对工作负载中每一个原子执行单元的抽象，可以是查询请求、shell 命令，或用 Python 等编程语言编写的脚本。

图 2：Raven 工作负载的执行过程

Raven 的工作负载如图 2 所示。其执行步骤如下：

1、启动第一个阶段，加载工作负载配置、引擎配置等；

2、当事件的计时器被触发时，将时间事件生成控制器，读取该事件对应的查询语句或脚本内容，进入事件执行队列，等待执行。

3、出事件执行队列后，进入事件执行控制器，开启线程执行钩子函数，与 OLAP 引擎或命令行执行交互操作，并等待响应，得到响应后将事件插入到资源收集队列中。

4、出资源收集队列后，进入事件资源收集控制器，将操作的时间戳信息输出到云存储服务上。

5、当该阶段内所有时间完成后，启动下一个阶段，然后按顺序执行每个阶段，直到整个工作负载结束。

上述设计的优点在于：

1、支持自定义数据集和查询集，允许用户充分利用其业务特点进行性能评估。

2、支持预计算，允许用户评估预计算和实际查询的整体性能。

3、带时间戳的执行方法和线程管理策略，支持高并发查询，允许模拟 QPS 随时间波动的工作负载。

举个例子，可以使用如下的 .yaml 配置文件，在 AWS 上启动一主四从的 EC2 集群，并部署 Presto 引擎，指定数据集为 SSB（SF=100）且工作负载满足泊松分布（λ=3.0），工作负载持续时间为 600 秒：

Cloud:  Name: AWS  Description: Amazon Web Service.  Properties:    Region: ap-southeast-1    Ec2KeyName: key_raven    MasterInstaceCount: 1    MasterInstanceType: m5.xlarge    CoreInstanceCount: 4    CoreInstanceType: m5.4xlargeEngine:  Name: presto  Description: Presto.  Properties:    host: localhost    port: 8080    user: hive    catalog: hive    concurrency: 1Testplan:  Name: Timeline template.  Properties:    Type: Timeline    Path: config/testplan/template/timeline_template.yamlWorkload:  Name: SSB  Type: QPS  Parameters:    database: ssb_100    distribution: poisson    duration: 600    lam: 3.0

Raven 预置了一些常见工作负载供用户使用，如均匀分布、突发高并发分布等。

4 基于自定义多元函数的性能评估模型

在性能评估方面，云上机器的一个特点是大小、配置可自定义调节。因此，如果只考虑查询性能，理论上可以通过租用大量的高性能设备提升性能。但是，这样也会造成云上计算成本飙升。因此，需要一套机制实现性能和成本的平衡和综合考虑。

Raven 的性能评估方法是高度自定义的，允许用户根据可以获取的参数指标，使用函数表达式组合起来，得到一个评估分数。

Raven 中可获取的参数指标主要有以下几类：

1、查询质量指标：包括所有查询的总查询时间、平均查询时间、查询时间 95% 分位数、最大查询时间；

2、资源使用效率：内存和 CPU 的平均使用率、负载均衡、资源占用率超过 90% 的时间占总时间的比例；

3、云上金钱成本：可直接通过云服务商提供的应用服务获取，主要包含四个部分的开销：存储、计算、服务调用、网络传输。

Raven 给出的评分是相对的，只能在相同模型的评分之间进行比较。性能评估得分是云上成本和云上开销的乘积，评分越低，OLAP 引擎的性能越好。云上开销可使用线性模型，对上述参数赋予权重计算；也可使用非线性模型，将上述参数代入到一个函数表达式中。

5 实现与效果验证

我们在亚马逊 AWS 上实现了 Raven 的上述设计，并使用该性能评估框架执行 OLAP 引擎，查看不同引擎的查询效果。

图 3：不同引擎在不同评分模型下，运行均匀查询 10 分钟的性能评分

图 4：在 Presto 和 Kylin 上运行突发高并发分布的性能评分

从图 3 中可以看出，运行均匀查询时，Athena 和 Kylin 是较好的解决方案。但是，使用不同模型会得到不同的评估结论。当综合考虑查询速度的云上成本时，由于 Athena 直接通过调用服务执行查询，因此云上成本较低，评分也更低。但是，当优先考虑速度时，由于 Kylin 使用预计算技术实现了高速查询，因此使用速度优先模型时，Kylin 的评分更低。

从图 4 可以看出，运行突发高并发分布时，若采用查询阻塞模型，随着同时输入的查询数量增加，Presto 的性能评分随查询数量增加线性增长；但是，Kylin 并未受到查询数量增加的影响，性能评分保持稳定。这是因为 Kylin 的预计算技术提升了计算效率，当查询大量涌入时，Kylin 能以更高的效率处理这些查询，减少查询在队列中的阻塞，使性能评分更为出色。当然，如果用户集中的查询数量不大，Presto 的性能评分更有优势，因为其没有预计算的相关开销。

5 未来展望  

未来的研究主要考虑以下方面：

1、应用实现更多引擎，尝试兼容云原生引擎，以进行性能评估。

2、优化工作负载的表达形式，使用户可以根据自己的业务需求，更容易地开发出多样化、具代表性的工作负载。

3、形成更多标准化的评分模型，供不同工作负载之间的横向对比。

4、结合当前评分结果，进一步分析不同 OLAP 引擎的性能优劣。

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