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Apache Paimon 实时湖仓存储底座

李劲松 DataFunTalk
2024-09-10

导读 非常荣幸能够与大家分享 Apache Paimon 项目的一些进展，包括业务进展和技术进展。本次分享包括四个部分。首先是关于实时湖仓的介绍，什么是实时湖仓、为什么需要实时湖仓？第二部分介绍与 Apache Paimon 相关的技术。第三部分介绍 Paimon 在各个公司的主流应用场景。最后一部分将介绍 Paimon 目前正在发展的一些前沿技术。

主要内容包括以下几个部分：

1. 实时湖仓

2. Apache Paimon

3. 应用场景

4. Paimon 前沿技术

分享嘉宾｜李劲松 阿里云 开源大数据表存储负责人

编辑整理｜伍昊华

内容校对｜李瑶

出品社区｜DataFun

01

实时湖仓

这是一个非常常见的图，展示了数据架构的时效性演进。

目前在企业中典型的数据架构大致分为两种，一种是批式数仓，传统的 Hive 表加上 Hive 或 Spark 的计算，然后可能后面再对接一些 OLAP 引擎，包括 Doris 或 StarRocks。这套架构的主要问题在于时效性。这里的时效性分为两个含义：

  • 第一个含义是 ETL 的时效性，也就是数据流入数仓中，什么时候能够全部处理完毕，准备好查询，这个 ETL 的时间在批处理计算中通常是按天或小时计算的，根据分区来定义。

  • 另一方面是查询的时效性，会因使用的查询引擎而异。例如，使用 Spark 或 Hive 进行查询通常需要分钟级的时间，而使用 Doris 进行查询则可能达到秒级。

近年来，Flink 在中国的实时数据仓库领域得到了广泛应用，其架构包括 Flink 流计算、Kafka 作为中间数据流转，以及将结果表直接存储到 OLAP 系统中，这种纯流式的架构在许多企业中得到了推广。其 ETL 的时效性可以达到秒级，当然，这也取决于整个处理链路的不同，有些可能还是分钟级。查询的时效性可以更快，比如当数据最终存储到 ADS 层时，如果是 MySQL，可以提供毫秒级的查询；如果存储到 OLAP 系统，也可以提供毫秒级或秒级的查询。这两种架构在各个企业中都很常见。

作为一个早期从事流计算的研发人员，我一直在思考如何让实时数据处理在更广泛的范围内推广，让更多的数据能够进入实时处理领域，而不是所有数据都必须等到ETL（提取、转换、加载）的次日才能被查看。

随着近年来的推广，几乎所有企业都建立了实时架构和实时数据仓库架构，尤其是 Flink 架构。然而，在企业中，大部分数据仍然存储在批处理系统中。实际上，人们只是将大约 10% 的数据转换到实时数据仓库中，以实现秒级的事务和操作（ETL）。

因此，我们进行了许多尝试，比如第一个尝试是采用 Kappa 架构，将所有数据都导入实时数据仓库。但这样做整体的复杂性非常高，开发一条实时链路并不容易，中间结果不可查询，开发过程也很复杂。此外，最核心的问题是成本非常高，与传统的批式数据仓库相比，成本可能高出十倍、几十倍甚至上百倍。

第二个尝试是流批一体的架构。利用 Flink 的流计算能力，在满足实时数据流计算的同时，也利用 Flink 批式 ETL 的能力，至少在周期性计算层，让数据仓库开发人员能够编写一套周期性工作，这套工作可以在两种架构中通用。但随着这几年的推广，我们发现实现这一目标的难度非常大。一方面，Flink 的批处理功能还不够成熟。另一方面，还有一个非常核心的问题，即两套架构的存储方式不同。一边是 Kafka 或者 OLAP 系统如 Doris 和 StarRocks，另一边是 Hive 这种表存储的格式，它们的操作方式完全不同。如果只是用一套计算引擎的SQL 来统一它们，会发现在业务上根本无法使用。

因此近年来聚焦于实时湖仓的架构。我们分析了之前架构的问题，主要是两种架构太过分离，只有实时链路，即实时数据仓库这条链路，才能实现数据时效性的提升。

批处理架构最大的问题在于存储能力不足。比如使用 Hive 存储，仅仅是将文件放置在一个文件夹中，至于文件如何组织、如何处理，它一概不负责，只能通过写一个大的 insert overwrite 语句来更新分区，因此其能力极其有限。而湖格式的能力在于管理每一个文件，能够完成 ACID（原子性、一致性、隔离性、持久性）操作，甚至能够完成流式读取和流式写入，实现分钟级的更新。这就能够提升数据的时效性，或者使表向流式处理和实时处理方向发展。

这样我们就得出了这样一套架构——实时湖仓。它不再局限于批处理计算，而是既能进行批处理计算也能进行流计算，各种计算都可以在上面进行，存储是完全统一的。基于这种统一的计算，结合湖格式和 OLAP，能够达到分钟级的时效性。这样一套时效性的提升都是在原有的批式数据湖仓架构中完成的。

因此，实时湖仓是批式数据仓库的原地升级，它并不是一个替代关系，而是批式数据仓库的直接升级。在原有的批式数据仓库的时效性为 T+1 的情况下，通过流计算和实时更新技术，能够将时效性提升到分钟级。在原有读写操作非常粗粒度的情况下，能够实现流式更新、批式更新能够实现流式读取，甚至能够实现对查询文件的过滤，以实现高性能查询的效果。

简而言之，实时湖仓解锁了完整的大数据全生态，在一套存储架构上，能够实现流批一体的计算，也能完成典型的 OLAP 查询。

原有的批式数据仓库可以被认为是经典的绿皮车，运行缓慢，但吞吐量大，成本低。而实时数据仓库则像是飞机，非常快，但成本很高，也容易出问题，就像下雨天常常有飞机晚点。而实时湖仓想要达到的效果是传统火车的升级版，仍然在地上，仍然是传统火车的成本，但可以变得更快，像高铁一样。

02

Apache Paimon

介绍完实时湖仓是什么之后，在介绍 Paimon 之前，需要先谈谈 Iceberg。Apache Iceberg 在国外使用相当广泛，在最近一次峰会中，其创始人表示，Iceberg 是 Shared Database Storage for Big Data，即共享数据库存储。如何理解这句话呢？在传统的大数据中，共享的不仅仅是 Iceberg，Hive 也是共享的，几乎所有的计算引擎都可以访问 Hive，包括 Doris、Spark、Flink 等。但为什么 Hive 的存储方式不行呢？因为它只是一个共享的文件存储，而不是共享的数据库存储，它缺少了太多能力。所以，Iceberg 在国外的定位就是 Hive 存储格式的升级。

Iceberg 增加的能力主要包括：

  • 对象存储友好

  • ACID transactions

  • INSERT & UPDATE & DELETE

  • Time Travel and rollback

  • Schema Evolution

  • Tag & Branch

Paimon 则是站在 Iceberg 这个巨人的肩膀上做了全新的设计。Paimon 核心的创新点就是原生支持了在一张表上对它定义组件，定义组件之后就可以对于这张表进行流式的更新。举个例子，针对 MySQL，定义主键之后，可以对它进行一些 update 的更新，同一个主键不用先去删再去增，直接去写 insert 即可。这样就解锁了流式处理的能力。可以在 Flink 中挂载一个 Sink，直接进行流式更新这张表，然后基于它的组件进行一次更新。在更新的过程中，也可以像 MySQL 一样产生对应的 changlog，让流处理更加简单。

那么 Paimon 是如何进行主键更新的呢？主键更新的底层核心结构是 LSM，也就是 Log-Structured Merge-Tree。这种结构已经得到了广泛验证，更适合更新或偏实时的领域。Paimon 在这方面的创新是将 LSM 结构引入湖格式中，将实时更新、实时消费带入了湖格式。

实际上 LSM 结构很简单，它是一个排好序的层次结构。它给湖格式更新带来的最大好处是，在进行压缩(compaction)时，不需要全部重写一遍。从图中可以看到，它实际上是一个三角形，越底层的数据量越大。LSM 结构只需要维护几层数据，这意味着新来的数据只需要与最上层的数据进行合并（merge），进行小规模的压缩（minor compaction），这样整体的写磁盘（write amplification）就非常小，因此压缩的效率要高得多。至于读取操作，LSM 结构也是排好序的，可以进行读取时合并（merge on read），对每一层已经排好序的数据进行合并读取，其成本也不会太大。

上图展示了 Paimon 从过去到现在再到未来的发展历程和方向。Paimon 最初作为 Flink 的一个子项目在 Flink 社区中发展，最初的名字叫做 Flink Table Store。随着我们的发展，随着一些业务的落地，我们发现实际上大家需要的是一个共享的湖格式，而不是一个简单的 Flink 组件。Spark 和 OLAP 引擎等都需要读取 Paimon 的数据，并希望与 Paimon 进行更深层次的集成。因此，我们决定将 Paimon 从 Flink 社区中独立出来，成为一个全新的项目。经过一年的孵化期，发布了通用可用（GA）版本，并且许多企业都在不断优化这个方案，直到 2024 年 3 月，Paimon 正式毕业，成为 Apache 的一个顶级项目。

这次毕业实际上也标志着 Paimon 不再是 Flink 的一个子项目，它不仅与 Flink，还与 Spark 和其他引擎，包括 Doris、StarRocks 等 OLAP 引擎都有了非常好的集成。预计在 2024 年下半年会正式发布 1.0 版本，这意味着 Paimon 在整个大数据引擎中的 OLAP 领域，已经实现了非常好的集成。

03

应用场景

第一个场景是 Paimon 最初开始应用的场景，2023 年的主流应用是这样的简单场景：数据库 CDC 入湖，Paimon 可以使 CDC 入湖变得更简单、更高效、更自动化，链路也更简洁。你可以直接启动一个 Flink 作业写入 Paimon，然后用 Spark 来查询，其它的清理、compaction（压缩）等工作都为你自动完成。

在这个基础上，Paimon 社区也提供了一套工具，可以帮助你进行 schema evolution，将 MySQL 的数据，甚至 Kafka 的数据同步到 Paimon 中。上游增加列，Paimon 也会跟着增加列。还有一些整库同步的功能，通过一个 Paimon 作业就可以同步成百上千张这样的小表。

这里分享一张阿里智能引擎实践的示例图。智能引擎的核心问题是下游有各种各样的需求来读取业务库的表，可能需要将业务库的表发送到 Kafka 中，或者并行读取的需求，许多请求直接打到业务的备库上，可能导致业务库在很多时候不够稳定，整体的并发也受到限制。因此，业务库偶尔有挂掉的风险，而且只能安排在晚上处理，白天直接处理可能会导致系统崩溃。

这里进行的一个改变就是通过 Paimon，将 Paimon 作为整个业务数据库的统一镜像表。Paimon 相比 Hive 的优势在于，可以通过 schema 离线地将 MySQL 表同步到 Paimon 中。Paimon 的下游可以支持分钟级的流计算，可以进行流式读取，也可以批量查询 Paimon 表，批量查询的时效性是分钟级的。因此，其核心是将流和批处理都统一到了 Paimon 这张表上，所有下游业务都通过 Paimon 的统一入口来消费业务库的数据。因此，整体的吞吐量没有上限，因为众所周知，Paimon 是建立在文件系统上的，全天 24 小时都可以进行数据拉取，对业务库的压力小了很多。

在这个场景中，Paimon 提供了很多更新的能力，不仅仅是更新，保留最后一条记录，也可以在更新时定义部分更新，还可以在 Paimon 上定义聚合引擎，在湖上完成一个自动聚合的能力，或是通过 Paimon 的 change log producer 来实时产生 change log 给下游消费。因此可以基于 Flink 加 Paimon 构建出完整的一套流的这样一个 ETL，这条链路当中几乎没有 state 的存在，所有的数据都是基于分钟级的批量更新，因此成本很低。查询可以通过 Doris、StarRocks 来查询。

另一个要分享的是蚂蚁的一个应用实践。需要说明的一点是，这里讲的并不是要替代实时链路，而是许多离线链路希望变得更加实时，但由于实时处理的成本太高，所以很难迁移过来。

在蚂蚁计算 UV 指标的例子中，之前是使用 Flink 的全状态链路来实现的，但后来发现大量业务难以迁移到这种模式，因此将其替换为 Paimon。利用 Paimon 的 upsert（更新或插入）更新机制来进行去重，并且利用 Paimon 的轻量级日志 changlog 来消费数据，为下游提供实时的 PV（Page View，页面浏览量）和 UV 计算。

在整体资源消耗方面，Paimon 方案使得整体 CPU 使用率下降了 60%，同时 checkpoint 的稳定性也得到了显著提升。此外，由于 Paimon 支持 point-to-point（端到端）写入，任务的回滚和重置时间也大幅减少。整体架构因为变得更加简单，因此在业务研发成本上也实现了降低。

接下来分享的是偏向 OLAP（在线分析处理）的应用场景。首先，Spark 与 Paimon 的集成非常好，不逊于 Spark 的内表。通过 Spark 或 Flink 进行一些 ETL（提取、转换、加载）操作，将数据写入 Paimon 中。基于 Paimon 进行 z-order 排序、聚簇，甚至构建文件级索引，然后通过 Doris 或 StarRocks 进行 OLAP 查询，这样就可以达到全链路 OLAP 的效果。

内部对阿里旗下的饿了么进行了评测。当然也可以将所有数据写入 OLAP 类型的表，但 OLAP 系统的问题主要是其存储是基于 SSD 的，它与计算紧密结合，为了达到 OLAP 性能，其成本非常高，导致大量数据无法实时化。

而将数据直接写入 Paimon，因为 Paimon 背后是 OSS 这类对象存储，其整体成本非常低，但时效性只有 1 到 5 分钟，所以这里需要权衡，对于某些对时效性要求不高的数据，可以直接写入 Paimon，通过 Paimon 的一些排序或数据聚簇手段，使数据更利于 OLAP 查询。然后使用 StarRocks 或 Doris 直接进行 OLAP 查询，其查询延迟在大多数时候与 OLAP 内表相差不大。但其成本能降到直接进入 OLAP 系统成本的 1/10，这样做的效果可以加速更多更大量的业务数据。

04

Paimon 前沿技术

最后来分享一下 Paimon 相关的一些前沿技术。

在数据湖格式中，大家听得最多的可能是 merge on read 或 copy on write。Merge on read 即在更新时保留大量 Delta 数据，查询时会比较慢。Copy on write 即在更新时直接对数据进行重写，写入成本非常大，但读取数据非常高效。所以 merge on read 和 copy on write 是两个极端。Merge on write 想做的是，比如在上图的主键表定义一个主键，定义一个 deletion vectors 模式。它要做的是在写入时，流式生成对原有数据的 deletion vectors，这样不是只写增量，而是先删除之前的数据再写增量，读取时只需读取之前的文件，再基于 deleting vector 直接进行高效的 OLAP 查询。所以大家把这种模式定义为 merge on write，即在写入时进行一定 merge，带来的效果是写入慢一些，但读取快很多，因此这是一个更新和极速查询兼得的方案。

Paimon 在最新版本中完全支持了标签（tag）和分支（branch）的功能。不仅支持标签，最新版本还支持了标签的自动 TTL（Time-To-Live，生存时间）管理。当你将标签和分支结合起来使用，会觉得整个 Paimon 的数据操作可以像 Git 一样。这在很多情况下非常有用，比如进行工程验证或测试时，使用这些分支和标签会非常方便。

另外，我们内部目前正在进行的一件事是基于 branch 能力来实现完整的流批一体的概念。比如，有一个分支是用于流处理，正在进行流式读取和写入，还有另一个 branch 是批处理的，我可以同时进行批处理的写操作。这样，基于同一张表，从业务角度来看，它能够实现流和批完全隔离的流批一体效果。

关于通用索引的支持，正如刚才提到的 OLAP 场景，deletion vector 模式也是一种面向 OLAP 的技术手段，通用索引的支持也是向优秀的 OLAP 引擎看齐的一种手段。例如，像 Doris、StarRocks 这样的 OLAP 引擎，它们不仅支持 Min/Max 索引，还有 bitmap、Bloom Filter、倒排索引等能力。湖格式（Lake Format）也可以拥有这样丰富的索引能力，并且可以在低廉的对象存储基础上，实现非常高效的基于过滤条件的数据跳过（data skipping），达到高效的 OLAP 查询能力。所以 Paimon 的最新版本也在研发 bitmap 索引，后续也会探索倒排索引的实现。大家都知道，一旦命中 bloomfilter，可能会有 10 到 100 倍的性能提升，命中 bitmap 索引也可能有数倍的性能提升。

最后打个小广告。阿里云现在正在 OpenLake 项目中大力推进 Paimon 统一数据湖的能力，对接阿里云所有的计算引擎，希望在云上提供基于湖格式的低成本、低延时的实时离线一体化的 serverless 解决方案。大家可以通过扫码参与 Flink+Paimon 的试用，也可以加入 Apache Paimon 的技术交流钉钉群参与讨论。

以上就是本次分享的内容，谢谢大家。


分享嘉宾

INTRODUCTION


李劲松

阿里云

开源大数据表存储负责人

李劲松，花名之信，PMC Chair of Apache Paimon，PMC Member of Apache Flink，阿里云开源大数据表存储负责人。

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