从一到无穷大 #12 Planet-Scale In-Memory Time Series Database, Is it really Monarch?

原 作者 李兆龙 | 发表于 | 分类于 2018级

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引言

Monarch这篇文章的重点不在于In-Memory的存储引擎，而在于其新颖的数据模型，路由方式，查询下推和FHI，其中提出的不少点值得学习。

约束

谷歌的监控老系统Borgmon存在如下局限性：

  1. 维护问题，鼓励每个团队维护一个自己的实例，实际操作十分费人费力
  2. 缺乏measurement dimensions and metric values模式化，导致查询的语义模糊
  3. 不支持直方图类型
  4. 全球化服务用户需要手动管理多个区域的多个borgmon实例

这是Monarch的架构图：
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  1. Monarch主要用于监控和告警，允许用一致性来换取高可用性和分区容错性；为了及时发出告警，允许放弃延迟写入，并在必要时返回部分数据，保证及时提供最新数据。
  2. 为了降低告警关键路径上的延迟，必须最大限度减小延迟，这也是数据存储在内存中的原因
  3. 告警路径上减少外部依赖，因为外部系统的告警依赖于监控
  4. 主要组织原则是zone内的本地监控数据与全球查询相结合，每个zone都是一个独立故障域，zone内保存的是数据收集地附近的监控数据，降低传输成本，延迟和可靠性问题；全局查询允许提供整个系统的统一视图。

优势

  1. 采用区域化架构，允许全局查询合并，提供全局控制面，将各区域整合为一个统一的系统
  2. 新颖的数据模型，这也决定了路由的流程
  3. 可扩展的写流程，自动负载均衡
  4. 数据分布模型带来高效分布式查询子系统
  5. 高效的Field Hints Index，减少大量向leaf发起的查询操作

数据模型

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所有的时序数据模型最终都会抽象为time series key+fields，Monarch也不例外，不过Monarch最大的变化为将一个time series分割成两个schema，成为Target Schema和Metric Schema。

  • Target Schema：每个Target代表一个受监控的实体
  • Metric Schema：每个Metric代表一个监控目标的一个方面，也就是说一个Target允许有多个metric

Target有一个被注释的特殊字段location，该字段决定数据被路由到哪一个zone。其次单个target到数据会被存储到同一个leaf中，因为他们更可能在查询时被聚合在一起。

其次每一个leaf被组织为不相交的区间[Sstart, Send)，称为Target ranges ，其中Sstart和Send 是schema name 和 Target schema的field values排序构成的字符串，这个概念用于sharding 和 load balancing，而且这也让邻居Target的查询变的高效，因为分布在一个leaf的概率变高了，这里也可以看出Monarch是一个全局的范围路由分布。

其次Metric支持如下类型boolean, int64, double, string, distribution, or tuple of other types；其次不仅支持测量值，也支持累计值。

写路径

写入流程中的关键是Ingestion Router和Leaf Router两个router，分别执行分而治之，Ingestion Router根据location将数据发往一个zone，Leaf Router根据Range Assigner的信息将数据路由到leaf，

  1. 客户将数据发送到附近的一个Ingestion Router
  2. Ingestion Router根据location将数据发往一个zone，这个映射在配置中指定，可以动态更新
  3. Leaf Router根据Range Assigner的信息将数据路由到leaf，一个Target ranges映射一个leaf， Leaf Router中维护着一个持续更新的range map
  4. leaf中写入内存和recovery logging组件（写入recovery log的流程无需等待确认，数据被写入分布式文件系统，并通过探测健康状态切换实例，即使所有的实例都不可用系统也要继续运行）

其次因为leaf节点的区间有且只取决于Target ranges，所以属于一个Target的上百个mertic最多只需要发送到三个leaf副本节点上，这不仅运行写入的横向扩展，还能将大多数查询限制在同一个leaf上，其次Target内的join操作可以下放到leaf节点上，使得查询更快，开销更小。

负载均衡的流程则是一个典型的双写range分裂流程，和我在公司内部负责维护一个Range KV老系统非常相似，这个流程中最大的麻烦论文没有提，就是多个Leaf Router的路由更新同步，当然是已经解决的问题了，内部已经稳定跑了好多年了：

  1. 选择源和目的，通知Leaf Router，双写读旧
  2. 等待源数据落盘1s后，目的从日志中倒序恢复旧数据
  3. 完全恢复后通知Leaf Router双写读新，路由同步后最后单写读新

最后值得一提的是所谓的Collection Aggregation，其实本质是为了减小leaf节点的压力，在客户端或者在Leaf Router中做汇聚，一个窗口内只需要向leaf写入一次，这里会有一个Admission window的概念，整个流程其实和一般时序数据库预降采样的流程差不多，所以窗口区间多大，接纳窗口时间多长，本质上就是内存，准确性，实时性的权衡。

查询路径

前面提到Monarch是一个统一的系统，其查询路径中最重要的模块是Root mixers和Zone mixers；查询分为ad hoc queries 和 standing queries，前者由用户直接发起，后者类似于流式查询，用于降采样数据，这部分数据一般生命周期会长一些。查询简易流程如下：

  1. A root mixerreceives the query and fans out to zone mixers,
  2. each of which fans out to leaves in that zone.
  3. The zonal standing queries are sent directly to zone mixers.

这里有这么几个关键点：

  1. Replica resolution：Monarch的一致性不高，目前来看是写三份，读一份，线上系统的运营经验告诉我这种情况下很容易出现三副本不一致，kv遇到这种情况是完全没办法，恢复都不知道怎么恢复；时序则可以通过时间界限，数据完整性等指标选择最完整的副本执行读取，这也意味着正常查询前需要多执行一步。
  2. User isolation：我曾在[2]中阐述过时序数据库做隔离的难点，即单次查询粒度过高，必须大刀阔斧的改造引擎才可以相对完美解决这个问题；Monarch直接Cgroup隔离CPU肉眼可见的小用户基本没法玩了，这也许是Monarch不上公有云的原因。
  3. Query Pushdown: 原始数据的摄取在leaf，在leaf,Root mixers和Zone mixers都允许执行数据的聚合，数据的聚合越靠下，意味着更好的并发性（以我们公司的时序数据库来说，一般底层可以每个field一个线程的计算，而上层的迭代器是行级别的）和负载分布的负载，其次意味上上层传输数据量的减小**。这样的缺陷其实非常明显，即存储和计算没有分离，在云上很难把价格打下去。**

Field Hints Index

个人认为这是Monarch最大的杀器。它允许FHI通过分析查询中的谓词来跳过不相关的分片，并在不迭代确切字段值的情况下有效地处理正则表达式，同时可以内存中处理万亿级别series key。它的缺陷是不是百分百准确的，即可能出现像布隆过滤器一样的行为，但是后续的查询会为空，保证最终的正确性。

  • field hint是Target schema中field value的excerpt，文章中列举了如下hint都称为monarch 的 trigram hints，其中^和$分别代表一个字符串的开始和末尾。

^^m, ^mo, mon, ona, nar, arc, rch, ch$, and h$$

A field hint index本质上是一个map<fingerprint, vector< leaf>> ，fingerprint of a field hint 映射这一个leaf的列表。而fingerprint文中的描述如下：

A fingerprint is an int64 generated deterministically from three inputs of a hint: the schema name, the field name, and the excerpt (i.e., trigrams).

一个schema name+ the field name 可能存在多个fingerprint。

在执行查询时，可以从条件中找到一个谓词，通过FHI查询这个谓词所指的数据可能存在在哪个节点上。

其次FHI非常小，如果仅仅以字符来看，且hints最长为3的话，其实最多也只有256^3的可能性。这是的FHI的实现很简单，完全不需要考虑大于内存的情况，即不需要做数据持久化，FHI启动时从活的leaf中建立起来就可以，随后index server订阅leaf的变更流，更新FHI。

可靠性

  1. Zone pruning：保护全局查询不受zone级别故障的影响，文中提到99.998%的成功查询会在查询结束前一半时间开始数据传输，所以一旦在规定时间没有返回可以认为这个区域故障，并在查询汇总告知用户
  2. Hedged reads：一个查询可能覆盖成千上万个leaf，此时尾延非常明显，所以查询存在一个主节点和后背节点，在主节点响应缓慢或者故障时查询后背节点，其实理解成主节点超时/故障后的重试就可以了，起个这么高级的名字。

其他

  1. 部署分为internal, external, and meta.Internal and external are for customers inside and outside
    Google; meta runs a proven-stable older version of Monarch and monitors all other Monarch deployments. 这在我们的时序系统的运营中来看非常重要，不然每次有损更新meta集群监控就要断几分钟。

  2. 查询下推和FHI是Monarch每秒支持百万次查询的重点
    请添加图片描述
    其实FHI的效果从测试来看简直是好的奇怪，不禁让人觉得有美化的嫌疑，因为Monarch的路由策略是基于Target schema的 target range，这以为这较后路径的field分布其实是完全随机的，举个简单的例子：

  3. aaa::bbb::111::ddd

  4. aaa::bbb::222::ddd

  5. aaa::bbb::333::ddd

假设这三个series key分属于三个不同leaf，这三个leaf的range都是aaa::bbb::xxx，此时一个查询如果携带field_name=ddd，这就导致所有的leaf还是需要被查询，其次范围操作比如>/<其实也很难做。

总结

在RELATED WORK中作者提到

the use of secondary storage makes them less desirable for critical monitoring. They support distributed deployment by scaling horizontally similar to a Monarch zone, but they lack the global configuration management and query aggregation that Monarch provides.

从内部系统运营的角度来看：
其实第一个观点批评的是，目前关键路径上确实存在延迟，对于告警来说是比较不能接受的，但是这部分延迟目前来看基本来源于kafka，内部系统并不是瓶颈；

第二个点我们做的还是不错的，我们的系统系统控制面非常完善，其次数据面允许查询下推，且存在聚合节点，这个架构最大的问题是计算存储不分离，公有云难运营，其次租户隔离很难解决。

参考：

  1. Monarch: Google’s Planet-Scale In-Memory Time Series Database vldb2020
  2. 从一到无穷大 #7 Database-as-a-Service租户隔离挑战与解决措施