Nebula Graph 在大规模数据量级下的实践和定制化开发

本文作者系微信技术专家李本利

图数据在社交推荐、多跳实时计算、风控和安全等领域有可期待的前景。如何用图数据库高效存储和查询大规模异构图数据，是一个重大挑战。本文描述了开源分布式图数据库 Nebula Graph 实践中遇到的问题，并通过深度定制，实现：大数据集存储、小时级全量导入、多版本控制、秒级回滚、毫秒级访问等特性。

背景

为大众所熟知的图数据库大多在大数据集合上束手无策，如：Neo4j 的社区版本，采用 Cypher语言，由单机单副本提供服务，广泛应用于图谱领域。互联网公司只能在小数据集合下使用，还要解决 Neo4j 多副本一致性容灾的问题。JanusGraph 虽然通过外置元数据管理、kv 存储和索引的方式解决了大数据集合存储问题，但其存在广为诟病的性能问题。我们看到大部分图数据库在对比性能时都会提到和 JanusGraph 相比有几十倍以上的性能提升。

面临大数据量挑战的互联网公司，普遍走向了自研之路，为了贴合业务需求，仅支持有限的查询语义。国内主流互联网公司如何解决图数据库的挑战呢：

蚂蚁金服：GeaBase[1]

金融级图数据库，通过自定义类语言为业务方提供服务，全量计算下推，提供毫秒级延时。主要应用于以下场景：
- 金融风控场景：万亿级边资金网络，存储实时交易信息，实时欺诈检测。
- 推荐场景：股票证券推荐。
- 蚂蚁森林：万亿级的图存储能力，低延时强一致关系数据查询更新。
- GNN：用于小时级 GNN 训练。尝试动态图 GNN 在线推理。[7]
阿里巴巴：iGraph[2]

iGraph 是图索引及查询系统，存储用户的行为信息，是阿里数据中台四驾马车之一。通过 Gremlin 语言为业务方提供电商图谱实时查询。
今日头条：ByteGraph[3]

ByteGraph 通过在 kv 上增加统一 cache 层，关系数据拆分为 B+ 树以应对高效的边访问和采样，类似 Facebook 的 TAO [6]。
...

架构图

实践

从哪里开始呢？

我们选择从 Nebula Graph[4] 开始我们的图数据库之旅，其吸引我们的有以下几点：

数据集分片，每条边独立存储，超大规模数据集存储潜力。
定制强一致存储引擎，具有计算下推和 MMP 优化的潜力。
创始团队有丰富的图数据库经验，大数据集合下模型抽象思路经过验证。

实践中的问题

内存爆炸

本质上这是一个性能 VS 资源的问题，数据规模庞大的应用中，内存占用是一个不容忽视的问题。RocksDB 内存由三部分构成：block cache、index 和 bloom filter、iter pined block。

block cache 优化：采用全局 LRU cache，控制机器上所有 rocksdb 实例的 cache 占用。
bloom filter 优化：一条边被设计为一个 kv 存入到 rocksdb，如果全部 key 保存 bloom filter，每个 key 占用 10bit 空间，那么整个 filter 内存占用远超机器内存。观察到我们大部分的请求模式是获取某一个点的边列表，因此采用 prefix bloom filter；索引到点属性这一层实际上即可以对大多数请求进行加速。经过这个优化，单机 filter 所占用内存在 G 这个级别，大多数请求访问速度并未明显降低。

多版本控制

实践中，图数据需要进行快速回滚，定期全量导入，自动访问最新版本数据。我们把数据源大致可以分为两种类型：

周期性数据：比如，按天计算相似用户列表，导入后数据生效。
历史数据+实时数据：比如，历史数据按天刷新，和实时写入的数据进行合并成为全量数据。

如下是数据在 rocksdb 的存储模型：

vertex 存储格式

edge 存储格式

其中实时写入的数据 version 记录为时间戳。离线导入的数据 version 需要自己指定。我们将该字段和离线导入模块联合使用，用三个配置项进行版本控制：reserve_versions（需要保留的版本列表）、active_version（用户请求访问到的版本号）、max_version（保留某个版本之后数据，把历史数据和实时写入数据进行合并）。这样可以高效管理离线数据和在线数据，不再使用的数据在下一次 compaction 中被清除出磁盘。

通过这样的方式，业务代码可以无感更新数据版本，并做到了秒级回滚。

举例：

保留 3 个版本，激活其中一个版本：

alter edge friend reserve_versions = 1 2 3 active_version = 1

数据源为历史数据+实时导入数据。

alter edge friend max_version = 1592147484

快速批量导入

实践中导入大量数据是常规操作，如果不经任何优化，将需要导入的数据转为请求发给图数据库，不仅严重影响线上请求，而且大数据量导入耗时超过一天。对导入速度进行优化迫在眉睫。业界解决这个问题一般采用 SST Ingest 方式[5]。我们也是采用类似方式，通过例行调度 spark 任务，离线生成磁盘文件。然后数据节点拉取自己所需要的数据，并 ingest 到数据库中，之后进行版本切换控制请求访问最新版本数据。

整个过程导入速度快，约数个小时内完成全部过程。计算过程主要离线完成，对图数据库请求影响小。

shared nothing

这是近年来老生常谈的并发加速方式，然而要落地还是考验工程师的编程功底。meta cache 访问频繁，并用 shared_ptr 进行封装，也就成为了原子操作碰撞的高发地。为了能够实现真正的 shared nothing，我们将每一份 meta cache 拷贝为 thread local，具体解决方案请参考该 pull request [8]

小结

图数据库路阻且长，且行且珍惜。如果对于本文有什么疑问，可以在 GitHub[9] 上找找。

参考文献

Fu, Zhisong, Zhengwei Wu, Houyi Li, Yize Li, Min Wu, Xiaojie Chen, Xiaomeng Ye, Benquan Yu, and Xi Hu. "GeaBase: a high-performance distributed graph database for industry-scale applications." International Journal of High Performance Computing and Networking 15, no. 1-2 (2019): 12-21.
https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzU0OTE4MzYzMw==&mid=2247489027&idx=3&sn=c149ce488cfc5231d4273d6da9dc8679&chksm=fbb29ffdccc516ebb8313b9202cfd78ea199da211c55b0a456a9e632a33e7d5b838d8da8bc6a&mpshare=1&scene=1&srcid=0614MWpeEsBc1RaBrl4htn3D&sharer_sharetime=1592106638907&sharer_shareid=a2497c4756f8bac1bcbef9edf86a86ac&rd2werd=1#wechat_redirect
https://zhuanlan.zhihu.com/p/109401046
https://github.com/vesoft-inc/nebula
https://www.infoq.cn/article/SPYkxplsq7f36L1QZIY7
Bronson, Nathan, Zach Amsden, George Cabrera, Prasad Chakka, Peter Dimov, Hui Ding, Jack Ferris et al. "{TAO}: Facebook’s distributed data store for the social graph." In Presented as part of the 2013 {USENIX} Annual Technical Conference ({USENIX}{ATC} 13), pp. 49-60. 2013.
http://blog.itpub.net/69904796/viewspace-2653498/
https://github.com/vesoft-inc/nebula/pull/2165
https://github.com/xuguruogu/nebula
腾讯高性能分布式图计算框架柏拉图 https://github.com/Tencent/plato

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