Apache Kylin 4.0 採用 Spark 作為構建引擎以及 Parquet 作為存儲，讓雲上部署和伸縮變得更容易，然而使用雲上的對象存儲相較於使用本地磁碟的 HDFS，可能存在部分兼容性和性能問題。面對這樣的問題，今天為大家帶來 JuiceFS 的優化方案。Kylin 4.0 的強大查詢引擎加上 JuiceFS 高效的本地緩存，就能實現兼容性和性能的雙贏！想了解更多詳情，快看這篇 Kylin 和 Juicedata 聯合出品的實用好文吧！
什麼是 Apache Kylin？
Apache Kylin 是一個為超大規模數據設計的、開源的、分布式的分析引擎，提供 Hadoop/Spark 之上的 SQL 查詢接口及多維在線分析（OLAP）能力，最初由 eBay 開發並貢獻至 Apache 軟體基金會，面對海量數據，Kylin 也能實現亞秒級的查詢響應。
【Apache Kylin 架構圖】
作為一個超高性能的查詢引擎，Kylin 可以下接各種數據源，如 Hive、Kafka，上接各種 BI 系統，比如 Tableau、Superset，還提供 JDBC/ODBC/REST API 等供各種應用集成。自開源以來，Kylin 已經得到大量使用，例如美團、小米、58 同城、貝殼找房、華為、汽車之家、攜程、同程、Vivo、雅虎日本、OLX Group 等，每日訪問量從幾萬到上千萬不等，大部分查詢能夠在 1-3 秒內完成。
如果你的產品/業務方找到你，說需要在幾十億甚至上百上千億的記錄上做靈活匯總查詢，響應要快，並發要高，同時資源佔用要少；為了支持應用開發，它還要完整支持 SQL 語法並且能夠無縫集成 BI，那麼 Apache Kylin 就是你的不二選擇。
Kylin 的核心思想是預計算，將數據按照指定的維度和指標，預先計算出所有可能的查詢結果（也就是 Cube，多維立方體），利用空間換時間來加速查詢模式固定的 OLAP 查詢。每一種維度組合稱之為 Cuboid，所有 Cuboid 的集合是一個 Cube。其中由所有維度組成的 Cuboid 稱為 Base Cuboid，其它的 Cuboid 都可以從 Base Cuboid 二次聚合出來。在查詢時，Kylin 會自動選擇滿足條件的最合適的 Cuboid，相比於從用戶的原始表進行計算，從 Cuboid 取數據進行計算能極大的降低掃描的數據量和計算量。
【一個四維 Cube 示例】
Kylin 從誕生之初選擇了 HBase 作為存儲引擎，基本滿足查詢性能的要求；然而基於 HBase 方案存在一系列痛點，例如 HBase 運維複雜、查詢節點存在單點問題、HBase 並非純列式存儲 IO 效率不高等。Apache Kylin v4 採用 Parquet + Spark 的組合，不再使用 HBase，使得計算和存儲相分離，是一次重大架構升級，更加適應雲原生的技術趨勢。
Kylin on Parquet 在雲上面臨的挑戰
相比以前，基於新一代的 Kylin 4，用戶可以在雲上更加快速簡單地部署高性能、低 TCO 的的數據分析服務。計算和存儲的分離，以及架構複雜性的降低，都使得 Kylin 成為雲上數據分析的最佳選擇之一。但是在雲上基於對象存儲抽象而來的文件系統和傳統的 HDFS 的巨大差異，帶來了一系列需要關注的問題，例如數據本地性、對象存儲 API 調用頻次限制、數據移動操作的一致性難以保證等，給 Kylin 構建和查詢帶來了一些穩定性和性能方面的挑戰。關於如何緩解乃至達到原生 HDFS 的優秀性能體驗，我們可以看到一些成功的解決方案，JuiceFS 就是其中之一。
什麼是 JuiceFS？
JuiceFS 是面向雲原生環境設計的分布式文件系統，完全兼容 POSIX 和 HDFS，適用於大數據、機器學習訓練、Kubernetes 共享存儲、海量數據歸檔管理場景。支持全球所有公有雲服務商，並提供全託管服務，客戶無需投入任何運維力量，即刻擁有一個彈性伸縮，並可擴展至 100PB 容量的文件系統。
在下面的這張架構圖中可以看出，JuiceFS 已經支持各種公有雲的對象存儲產品，同時也支持了開源對象存儲，如 Ceph、MinIO、Swift 等。在 Linux 和 macOS 上提供 FUSE 客戶端，在 Windows 系統上也提供原生客戶端，都可以將 JuiceFS 的文件系統掛載到系統中，使用體驗和本地盤一模一樣。在 Hadoop 環境中提供 Java SDK，使用體驗和 HDFS 一樣。JuiceFS 的元數據服務在所有公有雲上都部署了全託管服務，客戶不用自己維護任何服務，學習和使用門檻極低。
【JuiceFS 架構圖】
為什麼 Kylin 和 JuiceFS 要一起使用？
如果客戶在公有雲上使用 Kylin，並且希望將數據存儲在對象存儲上，會遇到兩個問題：
首要問題是兼容性，Kylin 默認支持 HDFS 和 Amazon S3，其他的公有雲也都提供了 「S3 兼容」 的對象存儲，但是在實際的測試中我們發現，目前除了 AWS 和 Azure，其他公有雲的對象存儲存在不兼容的情況，比如我們在阿里雲上基於 OSS 運行 Kylin，無論是基於阿里雲 EMR 和 CDH 自建集群，都會在 Cube 構建階段失敗。
第二個問題是性能，從用戶角度看在大數據場景下由 HDFS 換成對象存儲，能感受到的是性能下降。造成性能下降的原因有幾個：
1、網絡開銷增加：用 HDFS 做存儲有 data locality 特性，換成對象存儲後數據傳輸全部要經過網絡，會增加一定的開銷，導致性能下降；
2、元數據性能下降：在 Cube 構建過程中有大量文件元數據操作，尤其是 Listing 和 Rename，這兩個操作在對象存儲上的性能相比 HDFS 是很差的，會導致整個 job 的時間消耗增加，導致性能下降；
3、讀放大帶來的性能下降：當 Kylin 的數據換成 Parquet 文件格式後，數據查詢時，往往不需要讀出完整的 Parquet 文件，僅需要讀取 header 或 footer，這需要存儲系統提供良好的隨機讀能力，這恰恰是對象存儲的短板，所以會造成讀放大，增加了整個查詢任務的 I/O，導致性能下降。
JuiceFS 在大數據場景中可以徹底解決兼容性和性能問題，下面說說是怎麼做到的。
首先說兼容性，JuiceFS 的元數據服務提供一個 Java SDK，它的作用和 HDFS 的 Java SDK 是等價的，實現了 HDFS 所有文件接口 API 的 Interface，在行為上保證和 HDFS 一致，只要是支持 HDFS 的計算引擎都可以使用 JuiceFS，不會有任何兼容性問題。而且，JuiceFS 支持全球所有的公有雲服務，提供一致的體驗，用戶完全不用再關心不同雲廠商對象存儲的差異性。
其次說性能，解釋一下 JuiceFS 如何解決上面三個方面帶來的性能下降：
1、使用 JuiceFS 的計算集群也是存儲計算分離架構，同樣失去了 HDFS 的 data locality 特性，但是 JuiceFS 在客戶端上提供了數據緩存能力，所有從 JuiceFS 讀出來的數據會自動緩存到客戶端所在節點（虛擬機或容器都可以）的本地存儲上，下次再訪問這份數據，就會直接從本地存儲中讀取，不再經過網絡。在大數據的查詢分析場景中，數據通常是有熱點的，在 JuiceFS 緩存的支持下，可以明顯提升性能（見下文測試結果）。您可能還會關心緩存的管理、過期、一致性問題，JuiceFS 有一套完整的處理機制，值得單獨一篇文章講講，本文不做展開。
2、元數據性能，JuiceFS 有自己獨立的元數據服務，Listing、Rename 操作都由 JuiceFS 元數據響應，性能方面比對象存儲快幾十倍，相比 HDFS 也提升了 50% 以上，具體可以參看 JuiceFS的測試用例。
3、JuiceFS 的緩存能夠有效地降低隨機讀的延遲並減少讀放大，在基於 Parquet 和 ORC 數據格式的查詢分析場景有非常明顯的性能優勢。
綜上，JuiceFS 可以獲得與 HDFS 相當的性能表現，同時對 Hadoop 生態的產品提供完美的兼容性支持。更重要的一點是，無論客戶使用哪家公有雲，都可以使用 JuiceFS，獲得一致的體驗。
性能比較
上面解釋了 Kylin on Parquet 和 JuiceFS 一起使用能獲得的收益，下面來看一下性能測試的結果。
前文提到基於 OSS 做 Cube 構建出現兼容性問題，無法正確構建 Cube。但是我們把 JuiceFS 上構建好的 Cube 數據拷貝到 OSS 上執行 Query 是可以的，所以我們基於 TPC-H 10GB 大小的數據集，測試了其中的 Query1 至 Query22，在總的執行時間上 JuiceFS 比 OSS 快了 38%。
JuiceFS 使用 70,423ms
OSS 使用 113,670ms
下表給出詳細的測試環境配置和所有測試 Query 執行時間：
機器配置
在阿里雲上使用 CDH 5.16 搭建集群，詳細配置和軟體版本如下：
所有測試查詢執行時間
總結
Kylin 4.0 引入計算和存儲分離的架構，使得 Kylin 在雲上的部署和伸縮變得更加容易，然而使用雲上的對象存儲相較於使用本地磁碟的 HDFS ，一方面存在對接開發以及兼容性問題，另一方面性能會有所下降。使用 JuiceFS 搭配 Kylin，在所有公有雲上都無需特殊適配，即可在 EMR 或者自建 Hadoop 集群中使用雲存儲服務進行大數據計算。JuiceFS 讓你的集群實現存儲計算分離架構的同時，通過高效的本地緩存減少每次網絡 IO 帶來的開銷，在基於 Parquet 格式的查詢分析場景中，對於隨機讀可以有效降低延遲，並減少讀放大，獲得跟 HDFS 接近的性能。在我們的測試場景中，使用 JuiceFS 相比於直接使用對象存儲性能提升了 38%。
如果你打算在公有雲上使用 Kylin 來完成數據分析需求，存儲使用 JuiceFS 配合對象存儲，能在兼容性和性能上雙贏。