MPP数据架构设计的缺点

一、MPP架构

二、批处理架构和MPP架构

三、MPP架构的OLAP引擎

一、MPP架构

随着分布式、并行化技术成熟应用，MPP引擎逐渐表现出强大的高吞吐、低延时计算能力，有很多采用MPP架构的引擎都能达到“亿级秒开”。例如Impala、ClickHouse、Druid、Doris等都是MPP架构。目前商用的服务器分类大体有三种：

SMP（对称多处理器结构）

即对称多处理器结构，就是指服务器的多个CPU对称工作，无主次或从属关系。SMP服务器的主要特征是共享，系统中的所有资源（如CPU、内存、I/O等）都是共享的。也正是由于这种特征，导致了SMP服务器的主要问题，即扩展能力非常有限。

NUMA（非一致存储访问结构）

即非一致存储访问结构。这种结构就是为了解决SMP扩展能力不足的问题，利用NUMA技术，可以把几十个CPU组合在一台服务器内。NUMA的基本特征是拥有多个CPU模块，节点之间可以通过互联模块进行连接和信息交互，所以，每个CPU可以访问整个系统的内存（这是与MPP系统的重要区别）。但是访问的速度是不一样的，因为CPU访问本地内存的速度远远高于系统内其他节点的内存速度，这也是非一致存储访问NUMA的由来。

这种结构也有一定的缺陷，由于访问异地内存的时延远远超过访问本地内存，因此，当CPU数量增加时，系统性能无法线性增加。

MPP（大规模并行处理结构）

即大规模并行处理结构。MPP的系统扩展和NUMA不同，MPP是由多台SMP服务器通过一定的节点互联网络进行连接，协同工作，完成相同的任务，从用户的角度来看是一个服务器系统。每个节点只访问自己的资源，所以是一种完全无共享（Share Nothing）结构。

MPP结构扩展能力最强，理论可以无限扩展。由于MPP是多台SPM服务器连接的，每个节点的CPU不能访问另一个节点内存，所以不存在异地访问的问题。MPP架构图如下：

每个节点内的CPU不能访问另一个节点的内存，节点之间的信息交互是通过节点互联网络实现的，这个过程称为数据重分配。但是MPP服务器需要一种复杂的机制，来调度和平衡各个节点的负载和并行处理过程。

MPP架构特征：

任务并行执行；
数据分布式存储（本地化）；
分布式计算；
高并发；
横向扩展，支持集群节点的扩容;
Shared Nothing（完全无共享）架构

NUMA和MPP区别：

相似点：NUMA和MPP都是由多个节点组成的；其次每个节点都有自己的CPU、内存、I/O等；都可以都过节点互联机制进行信息交互。
区别：

节点互联机制不同：NUMA的节点互联是在同一台物理服务器内部实现的，MPP的节点互联是在不同的SMP服务器外部通过I/O实现的。
内存访问机制不同，在NUMA服务器内部，任何一个CPU都可以访问整个系统的内存，但异地内存访问的性能远远低于本地内存访问，因此，在开发应用程序时应该尽量避免异地内存访问。而在MPP服务器中，每个节点只访问本地内存，不存在异地内存访问的问题。

二、批处理架构和MPP架构

批处理架构（如 MapReduce）与MPP架构的异同点，以及它们各自的优缺点是什么呢？

（1）相同点：

批处理架构与MPP架构都是分布式并行处理，将任务并行的分散到多个服务器和节点上，在每个节点上计算完成后，将各自部分的结果汇总在一起得到最终的结果。

（2）不同点：

批处理架构和MPP架构的不同点可以举例来说：我们执行一个任务，首先这个任务会被分成多个task执行，对于MapReduce来说，这些task被随机的分配在空闲的Executor上；而对于MPP架构的引擎来说，每个处理数据的task被绑定到持有该数据切片（tablet）的指定Executor上。

正是由于以上的不同，使得两种架构有各自优势也有各自缺陷：

（3）批处理的优势：

对于批处理架构来说，如果某个Executor执行过慢，那么这个Executor会慢慢分配到更少的task执行，批处理架构有个推测执行策略，推测出某个Executor执行过慢或者有故障，则在接下来分配task时就会较少的分配给它或者直接不分配，这样就不会因为某个节点出现问题而导致集群的性能受限。

（4）批处理的缺陷：

对于批处理而言，它的优势也造成了它的缺点，会将中间结果写入到磁盘中，这严重限制了处理数据的性能。

（5）MPP的优势：

MPP架构不需要将中间数据写入磁盘，因为一个单一的Executor只处理一个单一的task，因此可以直接将数据stream到下一个执行阶段。这个过程称为pipelining，它提供了很大的性能提升。

（6）MPP的缺陷：

对于MPP架构来说，因为task和Executor是绑定的，如果某个Executor执行过慢或者故障，将会导致整个集群的性能会受限于这个故障节点的执行速度（所谓木桶的短板效应）所以MPP架构的最大缺陷就是——短板效应。

另一点，集群中的节点越多，则某个节点出现问题的概率越大，而一旦有节点出现问题，对于MPP架构来说，将导致整个集群性能受限，所以一般实际生产中MPP架构的集群节点不易过多。

（7）批处理和MPP举例：

举个例子来说下两种架构的数据落盘：要实现两个大表的join操作，对于批处理而言，如Spark将会写磁盘三次(第一次写入：表1根据join key进行shuffle；第二次写入：表2根据join key进行shuffle；第三次写入：Hash表写入磁盘)，

而MPP只需要一次写入(Hash表写入)，这是因为MPP将mapper和reducer同时运行，而MapReduce将它们分成有依赖关系的tasks(DAG)，而这些task是异步执行的，因此必须通过写入中间数据，共享内存来解决数据的依赖。

（8）批处理架构和MPP架构融合：

两个架构的优势和缺陷都很明显，并且它们有互补关系，目前批处理和MPP也确实正在逐渐走向融合。

三、MPP架构的OLAP引擎

采用MPP架构的OLAP引擎分为两类，一类是自身不存储数据，只负责计算的引擎；一类是自身既存储数据，也负责计算的引擎。

（1）只负责计算，不负责存储的引擎

Impala

Apache Impala是采用MPP架构的查询引擎，本身不存储任何数据，直接使用内存进行计算，兼顾数据仓库，具有实时，批处理，多并发等优点。提供了类SQL（类Hsql）语法，在多用户场景下也能拥有较高的响应速度和吞吐量。Impala经常搭配存储引擎Kudu一起提供服务，这么做最大的优势是查询比较快，并且支持数据的Update和Delete。

Presto

Presto是一个分布式的采用MPP架构的查询引擎，本身并不存储数据，但是可以接入多种数据源，并且支持跨数据源的级联查询。Presto是一个OLAP的工具，擅长对海量数据进行复杂的分析；Presto是一个低延迟高并发的内存计算引擎。需要从其他数据源获取数据来进行运算分析，它可以连接多种数据源，包括Hive、RDBMS（Mysql、Oracle、Tidb等）、Kafka、MongoDB、Redis等。

（2）既负责计算，又负责存储的引擎

ClickHouse

ClickHouse是近年来备受关注的开源列式数据库，主要用于数据分析（OLAP）领域。它自包含了存储和计算能力，完全自主实现了高可用，而且支持完整的SQL语法包括JOIN等，技术上有着明显优势。ClickHouse在计算层做了非常细致的工作，竭尽所能榨干硬件能力，提升查询速度。它实现了单机多核并行、分布式计算、向量化执行与SIMD指令、代码生成等多种重要技术。 ClickHouse从OLAP场景需求出发，定制开发了一套全新的高效列式存储引擎，并且实现了数据有序存储、主键索引、稀疏索引、数据Sharding、数据Partitioning、TTL、主备复制等丰富功能。以上功能共同为ClickHouse极速的分析性能奠定了基础。

Doris

Doris是百度主导的，根据Google Mesa论文和Impala项目改写的一个大数据分析引擎，Doris可以实现海量存储，线性伸缩、平滑扩容，自动容错、故障转移，高并发，且运维成本低。

Druid

Druid是一个开源、分布式、面向列式存储的实时分析数据存储系统。Druid的关键特性如下：

亚秒级的OLAP查询分析：采用了列式存储、倒排索引、位图索引等关键技术；
在亚秒级别内完成海量数据的过滤、聚合以及多维分析等操作；
实时流数据分析：Druid提供了实时流数据分析，以及高效实时写入；
实时数据在亚秒级内的可视化；
丰富的数据分析功能：Druid提供了友好的可视化界面；
SQL查询语言；
高可用性与高可拓展性：

Druid工作节点功能单一，不相互依赖；
Druid集群在管理、容错、灾备、扩容都很容易；

TiDB

TiDB 是 PingCAP 公司自主设计、研发的开源分布式关系型数据库，是一款同时支持OLTP与OLAP的融合型分布式数据库产品。TiDB 兼容 MySQL 5.7 协议和 MySQL 生态等重要特性。目标是为用户提供一站式 OLTP 、OLAP 、HTAP 解决方案。TiDB 适合高可用、强一致要求较高、数据规模较大等各种应用场景。

Greenplum

Greenplum 是在开源的 PostgreSQL 的基础上采用了MPP架构的性能非常强大的关系型分布式数据库。为了兼容Hadoop生态，又推出了HAWQ，分析引擎保留了Greenplum的高性能引擎，下层存储不再采用本地硬盘而改用HDFS，规避本地硬盘可靠性差的问题，同时融入Hadoop生态。

（3）常用的引擎对比

一张图总结下常用的OLAP引擎对比：