Сегодня внутренняя разработка компании Яндекс — <ahref="https://clickhouse.yandex/">аналитическая СУБД ClickHouse</a>, стала доступна каждому. Исходники опубликованы на <ahref="https://github.com/yandex/ClickHouse">GitHub</a> под лицензией Apache 2.0. Давайте я расскажу, зачем мы решили это сделать.
Изначально мы разрабатывали ClickHouse исключительно для задач <ahref="https://metrika.yandex.ru/">Яндекс.Метрики</a> — для того, чтобы строить отчёты в интерактивном режиме по неагрегированным логам пользовательских действий. В связи с тем, что система является полноценной СУБД и обладает весьма широкой функциональностью, уже в начале использования в 2012 году, была написана <ahref="https://clickhouse.yandex/reference_ru.html">подробная документация</a>. Это отличает ClickHouse от многих типичных внутренних разработок — специализированных и встраеваемых структур данных для решения конкретных задач, таких как, например, Metrage и OLAPServer, о которых я рассказывал в <ahref="http://habrahabr.ru/company/yandex/blog/273305/">предыдущей статье</a>.
Это привело к тому, что ClickHouse постепенно распространился по многим отделам Яндекса. Неожиданно оказалось, что система может быть установлена по инструкции и работает "из коробки", без необходимости привлечения разработчиков. ClickHouse стал использоваться в Директе, Маркете, Почте, AdFox, Вебмастере, в мониторингах и в бизнес аналитике. Каждый раз ClickHouse позволял решить некоторую задачу, для которой раньше не было подходящих инструментов, либо решить задачу на порядки более эффективно.
Постепенно возник спрос на использование ClickHouse не только во внутренних продуктах Яндекса. Например, в 2013 году, ClickHouse применялся для анализа метаданных о событиях <ahref="https://www.yandex.com/company/press_center/press_releases/2012/2012-04-10/">эксперимента LHCb в CERN</a>. Система могла бы использоваться более широко, но в то время этому мешал закрытый статус. Другой пример: open-source технология <ahref="https://tech.yandex.ru/tank/">Яндекс.Танк</a> внутри Яндекса использует ClickHouse для хранения данных телеметрии, тогда как для внешних пользователей, в качестве базы данных был доступен только MySQL, который плохо подходит для данной задачи.
По мере расширения пользовательской базы, возникла необходимость тратить на разработку чуть больше усилий, хоть и незначительно по сравнению с задачами Метрики. Зато в качестве отдачи, мы получаем повышение качества продукта, особенно в плане юзабилити.
Расширение пользовательской базы позволяет рассматривать примеры использования, о которых другим способом было бы трудно догадаться. Также это позволяет раньше находить баги и неудобства, которые имеют значение в том числе и для основного применения ClickHouse в Метрике. Без сомнения, это делает продукт качественнее.
<b>Давайте рассмотрим, где находится ниша ClickHouse.</b> Зачем кому-то может понадобиться использовать ClickHouse, когда есть много других технологий для работы с большими данными?
Если вам нужно просто хранить логи, у вас есть много вариантов. Вы можете загружать логи в Hadoop, анализировать их с помощью Hive, Spark или Impala. В этом случае, вам вовсе необязательно использовать ClickHouse. Всё становится сложнее, если вам нужно выполнять запросы в интерактивном режиме по неагрегированным данным, поступающим в систему в реальном времени. Для решения этой задачи, открытых технологий подходящего качества до сих пор не существовало.
Есть отдельные области, в которых могут быть использованы другие системы. Их можно классифицировать следующим образом:
<li>в отличие от Hadoop, ClickHouse позволяет обслуживать аналитические запросы даже в рамках массового сервиса, доступного публично, такого как Яндекс.Метрика;</li>
<li>для функционирования ClickHouse не требуется разворачивать Hadoop инфраструктуру, он прост в использовании, и подходит даже для небольших проектов;</li>
<li>ClickHouse позволяет загружать данные в реальном времени и самостоятельно занимается их хранением и индексацией;</li>
<li>в отличие от Hadoop, ClickHouse работает в географически распределённых датацентрах;</li>
Разработка всех этих проектов заброшена, они никогда не были достаточно зрелыми и, по сути, так и не вышли из альфа-версии. Эти системы не были распределёнными, что является критически необходимым для обработки больших данных. Активная разработка ClickHouse, зрелость технологии и ориентация на практические потребности, возникающие при обработке больших данных, обеспечечивается задачами Яндекса. Без использования «в бою» на реальных задачах, выходящих за рамки возможностей существующих систем, создать качественный продукт было бы невозможно.
В рамках своей достаточно узкой ниши, у ClickHouse до сих пор нет альтернатив. В рамках более широкой области применения, ClickHouse может оказаться выгоднее других систем с точки зрения <ahref="https://clickhouse.yandex/benchmark.html">скорости обработки запросов</a>, эффективности использования ресурсов и простоты эксплуатации.
Давайте рассмотрим начало работы с ClickHouse на примере «игрушечных» открытых данных — информации об авиаперелётах в США с 1987 по 2015 годы. Это нельзя назвать большими данными (всего 166 млн. строк, 63 GB несжатых данных), зато вы можете быстро скачать их и начать экспериментировать. Скачать данные можно <ahref="https://yadi.sk/d/pOZxpa42sDdgm">отсюда</a>.
Также вы можете скачать данные из первоисточника. Как это сделать, написано <ahref="https://github.com/yandex/ClickHouse/raw/master/doc/example_datasets/1_ontime.txt">здесь</a>.
На Ubuntu и Debian Linux, вы можете установить ClickHouse из <ahref="https://clickhouse.yandex/#download">готовых пакетов</a>. На других Linux системах, вы можете <ahref="https://github.com/yandex/ClickHouse/blob/master/doc/build.md">собрать ClickHouse из исходников</a> и установить его самостоятельно.
Пакет clickhouse-client содержит программу <ahref="https://clickhouse.yandex/reference_ru.html#%D0%9A%D0%BB%D0%B8%D0%B5%D0%BD%D1%82%20%D0%BA%D0%BE%D0%BC%D0%B0%D0%BD%D0%B4%D0%BD%D0%BE%D0%B9%20%D1%81%D1%82%D1%80%D0%BE%D0%BA%D0%B8">clickhouse-client</a> — клиент ClickHouse для работы в интерактивном режиме. Пакет clickhouse-server-base содержит бинарник clickhouse-server, а clickhouse-server-common — конфигурационные файлы к серверу.
Конфигурационные файлы сервера находятся в /etc/clickhouse-server/. Главное, на что следует обратить внимание перед началом работы — элемент path — место хранения данных. Не обязательно модифицировать непосредственно файл config.xml — это не очень удобно при обновлении пакетов. Вместо этого, можно переопределить нужные элементы <ahref="https://clickhouse.yandex/reference_ru.html#%D0%9A%D0%BE%D0%BD%D1%84%D0%B8%D0%B3%D1%83%D1%80%D0%B0%D1%86%D0%B8%D0%BE%D0%BD%D0%BD%D1%8B%D0%B5%20%D1%84%D0%B0%D0%B9%D0%BB%D1%8B">в файлах в config.d директории</a>.
Также имеет смысл обратить внимание на <ahref="https://clickhouse.yandex/reference_ru.html#%D0%9F%D1%80%D0%B0%D0%B2%D0%B0%20%D0%B4%D0%BE%D1%81%D1%82%D1%83%D0%BF%D0%B0">настройки прав доступа</a>.
Мы создали таблицу типа <ahref="https://clickhouse.yandex/reference_ru.html#MergeTree">MergeTree</a>. Таблицы семейства MergeTree рекомендуется использовать для любых серьёзных применений. Такие таблицы содержит первичный ключ, по которому данные инкрементально сортируются, что позволяет быстро выполнять запросы по диапазону первичного ключа.
Например, если у нас есть логи рекламной сети, и нам нужно показывать отчёты для конкретных клиентов — рекламодателей, то первичный ключ в таблице должен начинаться на идентификатор клиента ClientId, чтобы для получения данных для одного клиента, достаточно было только прочитать небольшой диапазон данных.
<sourcelang="Bash">xz -v -c -d < ontime.csv.xz | clickhouse-client --query="INSERT INTO ontime FORMAT CSV"</source>
Запрос INSERT в ClickHouse позволяет загружать данные в любом <ahref="https://clickhouse.yandex/reference_ru.html#%D0%A4%D0%BE%D1%80%D0%BC%D0%B0%D1%82%D1%8B">поддерживаемом формате</a>. При этом, на загрузку данных расходуется O(1) памяти. На вход запроса INSERT можно передать любой объём данных. Вставлять данные всегда следует <ahref="https://clickhouse.yandex/reference_ru.html#%D0%9F%D1%80%D0%BE%D0%B8%D0%B7%D0%B2%D0%BE%D0%B4%D0%B8%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D0%BE%D1%81%D1%82%D1%8C%20%D0%BF%D1%80%D0%B8%20%D0%B2%D1%81%D1%82%D0%B0%D0%B2%D0%BA%D0%B5%20%D0%B4%D0%B0%D0%BD%D0%BD%D1%8B%D1%85.">пачками не слишком маленького размера</a>. При этом, вставка блоков данных размера до max_insert_block_size (= 1 048 576 строк по-умолчанию), является атомарной: блок данных либо целиком вставится, либо целиком не вставится. В случае разрыва соединения в процессе вставки, вы можете не знать, вставился ли блок данных. Для достижения exactly once семантики, для <ahref="https://clickhouse.yandex/reference_ru.html#%D0%A0%D0%B5%D0%BF%D0%BB%D0%B8%D0%BA%D0%B0%D1%86%D0%B8%D1%8F%20%D0%B4%D0%B0%D0%BD%D0%BD%D1%8B%D1%85">реплицированных таблиц</a>, поддерживается идемпотентность: вы можете вставить один и тот же блок данных повторно, возможно, на другую реплику, и он будет вставлен только один раз. В данном примере, мы вставляем данные из localhost, поэтому мы не беспокоимся о формировании пачек и exactly-once семантике.
Запрос INSERT в таблицы типа MergeTree является неблокирующим, ровно как и SELECT. После загрузки данных, или даже во время процесса загрузки, мы уже можем выполнять SELECT-ы.
<small>В данном примере, некоторая неоптимальность состоит в том, что в таблице используется тип данных String тогда, когда подошёл бы <ahref="https://clickhouse.yandex/reference_ru.html#Enum">Enum</a> или числовой тип. Если множество разных значений строк заведомо небольшое (пример: название операционной системы, производитель мобильного телефона), то для максимальной производительности, мы рекомендуем использовать Enum-ы или числа. Если множество строк потенциально неограничено (пример: поисковый запрос, URL), то используйте тип данных String.
Во вторых отметим, что в данном примере, структура таблицы содержит избыточные столбцы Year, Quarter, Month, DayofMonth, DayOfWeek, тогда как достаточно одного FlightDate. Скорее всего, это сделано для эффективной работы других СУБД, в которых функции для работы с датой и временем, могут быть неэффективными. В случае ClickHouse, в этом нет необходимости, так как <ahref="https://clickhouse.yandex/reference_ru.html#%D0%A4%D1%83%D0%BD%D0%BA%D1%86%D0%B8%D0%B8%20%D0%B4%D0%BB%D1%8F%20%D1%80%D0%B0%D0%B1%D0%BE%D1%82%D1%8B%20%D1%81%20%D0%B4%D0%B0%D1%82%D0%B0%D0%BC%D0%B8%20%D0%B8%20%D0%B2%D1%80%D0%B5%D0%BC%D0%B5%D0%BD%D0%B5%D0%BC">соответствующие функции</a> хорошо оптимизированы. Впрочем, в наличии лишних столбцов нет проблемы: так как ClickHouse — это <ahref="https://en.wikipedia.org/wiki/Column-oriented_DBMS">столбцовая СУБД</a>, вы можете позволить себе иметь в таблице достаточно много столбцов. Сотни столбцов — это нормально для ClickHouse.</small>
С точки зрения установленного ПО, кластер ClickHouse является однородным, без выделенных узлов. Вам надо установить ClickHouse на все серверы кластера, затем прописать конфигурацию кластера в конфигурационном файле, создать на каждом сервере локальную таблицу и затем создать <ahref="https://clickhouse.yandex/reference_ru.html#Distributed">Distributed таблицу</a>.
<ahref="https://clickhouse.yandex/reference_ru.html#Distributed">Distributed таблица</a> представляет собой «вид» на локальные таблицы на кластере ClickHouse. При SELECT-е из распределённой таблицы, запрос будет обработан распределённо, с использованием ресурсов всех шардов кластера. Вы можете объявить конфигурации нескольких разных кластеров и создать несколько Distributed таблиц, которые смотрят на разные кластеры.
Вы можете создать Distributed таблицу на всех серверах кластера — тогда для выполнения распределённых запросов, можно будет обратиться на любой сервер кластера. Кроме Distributed таблицы, вы также можете воспользоваться <ahref="https://clickhouse.yandex/reference_ru.html#remote">табличной функцией remote</a>.
Для того, чтобы распределить таблицу по нескольким серверам, сделаем <ahref="https://clickhouse.yandex/reference_ru.html#INSERT">INSERT SELECT</a> в Distributed таблицу.
Отметим, что для перешардирования больших таблиц, такой способ не подходит, и вместо этого следует воспользоваться встроенной <ahref="https://clickhouse.yandex/reference_ru.html#TODO">функциональностью перешардирования</a>.
Как и ожидается, более-менее долгие запросы работают в несколько раз быстрее, если их выполнять на трёх серверах, а не на одном. <spoilertitle="Пример">
Можно заметить, что результат рассчёта квантилей слегка отличается. Это происходит, потому что реализация алгоритма <ahref="https://github.com/tdunning/t-digest/raw/master/docs/t-digest-paper/histo.pdf">t-digest</a> является недетерминированной — зависит от порядка обработки данных.</spoiler>
В данном примере, мы использовали кластер из трёх шардов, каждый шард которого состоит из одной реплики. Для реальных задач, в целях отказоустойчивости, каждый шард должен состоять из двух или трёх реплик, расположенных в разных датацентрах. (Поддерживается произвольное количество реплик).
Для работы репликации (хранение метаданных и координация действий), требуется <ahref="http://zookeeper.apache.org/">ZooKeeper</a>. ClickHouse самостоятельно будет обеспечивать консистентность данных на репликах и производит восстановление после сбоя. Рекомендуется расположить кластер ZooKeeper на отдельных серверах.
<small>На самом деле, использование ZooKeeper не обязательно: в самых простых случаях, вы можете дублировать данные, записывая их на все реплики вручную, и не использовать встроенный механизм репликации. Но такой способ не рекомендуется — ведь в таком случае, ClickHouse не сможет обеспечивать консистентность данных на репликах.</small>
При создании реплицированной таблицы, если других реплик ещё нет, то создаётся первая реплика, а если есть — создаётся новая реплика и клонирует данные существующих реплик. Вы можете сразу создать все таблицы-реплики и затем загрузить в них данные, либо сначала создать часть реплик, а затем добавить другие, уже после загрузки или во время загрузки данных.
Здесь видно, что мы используем тип таблицы <ahref="https://clickhouse.yandex/reference_ru.html#ReplicatedMergeTree">ReplicatedMergeTree</a>, указывая в качестве параметров путь в ZooKeeper, содержащий идентификатор шарда, а также идентификатор реплики.
Репликация работает в режиме multi-master. Вы можете вставлять данные на любую реплику, и данные автоматически разъезжаются по всем репликам. При этом, репликация асинхронная, и в заданный момент времени, реплики могут содержать не все недавно записанные данные. Для записи данных, достаточно доступности хотя бы одной реплики. Остальные реплики будут скачивать новые данные и восстанавливать консистентность как только станут активными. Такая схема допускает возможность потери только что вставленных данных.
<h1>Как вы можете повлиять на развитие ClickHouse?</h1>
Если у вас возникли вопросы, вы можете задать их в комментариях к этой статье, либо на <ahref="http://stackoverflow.com/">Stackoverflow</a>с тегом «clickhouse». Также вы можете создать тему для обсуждения в <ahref="https://groups.google.com/group/clickhouse">группе</a> или написать своё предложение на рассылку clickhouse-feedback@yandex-team.ru.
У вас есть возможность разрабатывать ClickHouse, присоединившись к нашей команде в Яндексе. Для этого достаточно знать C++. Выберите <ahref="https://yandex.ru/jobs/vacancies/dev/?tags=c%2B%2B">любую вакансию из списка</a> и укажите, что хотите попасть в группу разработки ClickHouse. Также у нас открыт приём на <ahref="https://yandex.ru/jobs/vacancies/interns/summer">стажировку</a>.
