云计算 从 Git 到 Databend Fuse Engine 存储引擎

前言

这篇来介绍下 Databend 底座： Fuse Engine，一个动力澎湃的列式存储引擎，Databend Fuse Engine 在设计之初社区给它的定位是：动力要澎湃，架构要简单，可靠性要高。 在正式介绍之前，我们先看一组“挑战数据”，Databend Fuse Engine + AWS S3，一个事务在 ~1.5 小时写入了 22.89 TB 原始数据：

mysql> INSERT INTO ontime_new SELECT * FROM ontime_new;
Query OK, 0 rows affected (1 hour 34 min 36.82 sec)
Read 31619274180 rows, 22.89 TB in 5675.207 sec., 5.57 million rows/sec., 4.03 GB/sec.

同时，在功能上要满足：

• 分布式事务：支持多个计算节点同时读、写同一份数据（存算分离架构首先要解决的问题）
• 快照隔离：不同版本数据之间互不影响，方便做 Table Zero-Copy
• 回溯能力：可切换到任意一个版本，方便做 Time Travel
• 数据合并：合并后生成新版本数据
• 简单、健壮：关系通过文件来描述，基于这些文件即可恢复出整个数据系统

从这些需求出发，你会发现 Fuse Engine 跟 Git “形似”（Git-inspired），在介绍 Fuse Engine 设计之前，我们先来看看 Git 底层是如何工作的。

Git 工作机制

Git 解决了分布式环境下的数据版本管理（data version control）问题，它有隔离（branch）、提交（commit）、回溯（checkout），以及合并（merge）功能，基于 Git 语义完全可以打造出一个分布式存储引擎。市面上也出现一些基于 Git-like 思想而构建的产品，比如 Nessie - Transactional Catalog for Data Lakes 和 lakeFS 。

为了更好的探索 Git 底层工作机制，我们选择从数据库角度出发，使用 Git 语义来完成一系列“数据”操作。

1. 首先， 准备一个数据文件 cloud.txt，内容为:

2022/05/06, Databend, Cloud

2. 把 cloud.txt 数据写到 Git 系统：

git commit -m "Add olap.txt"

3. Git 为我们生成一个快照，Commit ID 为 7d972c7ba9213c2a2b15422d4f31a8cbc9815f71：

git log 
commit 7d972c7ba9213c2a2b15422d4f31a8cbc9815f71 (HEAD)
Author: BohuTANG <overred.shuttler@gmail.com>
Date:   Fri May 6 16:44:21 2022 +0800

    Add cloud.txt

4. 再准备一个新文件 warehouse.txt

2022/05/07, Databend, Warehouse

5. 把 warehouse.txt 数据写到 Git 系统

git commit -m "Add warehouse.txt"

6. Git 为我们生成一个新的快照，Commit ID 为 15af34e4d16082034e1faeaddd0332b3836f1424

commit 15af34e4d16082034e1faeaddd0332b3836f1424 (HEAD)
Author: BohuTANG <overred.shuttler@gmail.com>
Date:   Fri May 6 17:41:43 2022 +0800

    Add warehouse.txt

commit 7d972c7ba9213c2a2b15422d4f31a8cbc9815f71
Author: BohuTANG <overred.shuttler@gmail.com>
Date:   Fri May 6 16:44:21 2022 +0800

    Add cloud.txt

到此为止，Git 已经为我们维护了 2 个版本的数据：

ID 15af34e4d16082034e1faeaddd0332b3836f1424，版本2
ID 7d972c7ba9213c2a2b15422d4f31a8cbc9815f71，版本1

我们可以根据 Commit ID 进行版本间的任意切换，也就是实现了 Time Travel 和 Table Zero-Copy 功能，那么 Git 底层是如何做到的呢？ 方式也比较简单，它通过引入 3 类对象文件来进行关系描述：

• Commit 文件，用于描述 tree 对象信息
• Tree 文件，用于描述 blob 对象信息
• Blob 文件，用于描述文件信息

HEAD 文件

首先，我们需要知道一个 HEAD 指针：

cat .git/HEAD
15af34e4d16082034e1faeaddd0332b3836f1424

Commit 文件

Commit 文件会记录跟 commit 相关的一些元数据信息，比如当前 tree 以及 parent，还有提交人等，文件路径：

.git/objects/15/af34e4d16082034e1faeaddd0332b3836f1424

文件内容：

git cat-file -p 15af34e4d16082034e1faeaddd0332b3836f1424

tree 576c63e580846fa6df2337c1f074c8d840e0b70a
parent 7d972c7ba9213c2a2b15422d4f31a8cbc9815f71
author BohuTANG <overred.shuttler@gmail.com> 1651830103 +0800
committer BohuTANG <overred.shuttler@gmail.com> 1651830103 +0800

Add warehouse.txt

Tree 文件

Tree 文件记录当前版本下所有的数据文件，文件路径：

.git/objects/57/6c63e580846fa6df2337c1f074c8d840e0b70a

文件内容：

git cat-file -p 576c63e580846fa6df2337c1f074c8d840e0b70a

100644 blob 688de5069f9e873c7e7bd15aa67c6c33e0594dde    cloud.txt
100644 blob bdea812b9602ed3c6662a2231b3f1e7b52dc1ccb    warehouse.txt

Blob 文件

Blob 文件是原始数据文件，同样可以通过 git cat-file 命令来查看文件内容（如果使用 Git 来管理代码，Blob 就是我们的代码文件）。

git cat-file -p 688de5069f9e873c7e7bd15aa67c6c33e0594dde
2022/05/06, Databend, Cloud

git cat-file -p bdea812b9602ed3c6662a2231b3f1e7b52dc1ccb
2022/05/07, Databend, Warehouse

Fuse Engine

Databend Fuse Engine 在设计上，跟 Git 非常类似，它引入 3 个描述文件：

• Snapshot 文件，用于描述 Segment 对象信息
• Segment 文件，用于描述 Block 对象信息
• Block 文件，用于描述 Parquet 文件信息

我们继续在 Fuse Engine 里进行一把刚才在 Git 进行的操作。

1. 首先创建一个表:

CREATE TABLE git(file VARCHAR, content VARCHAR);

2. 把 cloud.txt 数据写到 Fuse Engine

INSERT INTO git VALUES('cloud.txt', '2022/05/06, Databend, Cloud');

3. Fuse 为我们生成一个新的 Snapshot ID 6450690b09c449939a83268c49c12bb2:

CALL system$fuse_snapshot('default', 'git');
*************************** 1. row ***************************
        snapshot_id: 6450690b09c449939a83268c49c12bb2
  snapshot_location: 53/133/_ss/6450690b09c449939a83268c49c12bb2_v1.json
      format_version: 1
previous_snapshot_id: NULL
      segment_count: 1
        block_count: 1
          row_count: 1
  bytes_uncompressed: 68
    bytes_compressed: 351

4. 把 warehouse.txt 数据写到 Fuse Engine

INSERT INTO git VALUES('warehouse.txt', '2022/05/07, Databend, Warehouse');

5. Fuse Engine 为我们生成一个新的 Snapshot ID efe2687fd1fc48f8b414b5df2cec1e19，并指向前一个 Snapshot ID 6450690b09c449939a83268c49c12bb2

CALL system$fuse_snapshot('default', 'git');
*************************** 1. row ***************************
        snapshot_id: efe2687fd1fc48f8b414b5df2cec1e19
  snapshot_location: 53/133/_ss/efe2687fd1fc48f8b414b5df2cec1e19_v1.json
     format_version: 1
previous_snapshot_id: 6450690b09c449939a83268c49c12bb2
      segment_count: 2
        block_count: 2
          row_count: 2
*************************** 2. row ***************************
         snapshot_id: 6450690b09c449939a83268c49c12bb2
  snapshot_location: 53/133/_ss/6450690b09c449939a83268c49c12bb2_v1.json
     format_version: 1
previous_snapshot_id: NULL
      segment_count: 1
         block_count: 1
           row_count: 1

目前为止，Fuse Engine 为我们生成了 2 个版本的数据：

ID efe2687fd1fc48f8b414b5df2cec1e19，版本2
ID 6450690b09c449939a83268c49c12bb2，版本1

是不是跟 Git 非常类似？

HEAD

跟 Git 一样，Fuse Engine 也需要一个 HEAD 作为入口，查看 Fuse Engine 的 HEAD：

SHOW CREATE TABLE git\G;
*************************** 1. row ***************************
       Table: git
Create Table: CREATE TABLE `git` (
  `file` VARCHAR,
  `content` VARCHAR
) ENGINE=FUSE SNAPSHOT_LOCATION='53/133/_ss/efe2687fd1fc48f8b414b5df2cec1e19_v1.json'

SNAPSHOT_LOCATION 就是 HEAD，默认指向最新的快照 efe2687fd1fc48f8b414b5df2cec1e19，那我们如何切到 ID 为 6450690b09c449939a83268c49c12bb2 的快照数据呢？ 很简单，先查看当前表的 Snapshot 信息：

CALL system$fuse_snapshot('default', 'git')\G;
*************************** 1. row ***************************
         snapshot_id: efe2687fd1fc48f8b414b5df2cec1e19
   snapshot_location: 53/133/_ss/efe2687fd1fc48f8b414b5df2cec1e19_v1.json
      format_version: 1
previous_snapshot_id: 6450690b09c449939a83268c49c12bb2
       segment_count: 2
         block_count: 2
           row_count: 2
*************************** 2. row ***************************
         snapshot_id: 6450690b09c449939a83268c49c12bb2
   snapshot_location: 53/133/_ss/6450690b09c449939a83268c49c12bb2_v1.json
      format_version: 1
previous_snapshot_id: NULL
       segment_count: 1
         block_count: 1
           row_count: 1

然后创建一个新表（git_v1）并把 SNAPSHOT_LOCATION 指向相应的 Snapshot 文件：

CREATE TABLE git_v1(`file` VARCHAR, `content` VARCHAR) SNAPSHOT_LOCATION='53/133/_ss/6450690b09c449939a83268c49c12bb2_v1.json';

SELECT * FROM git_v1;
+-----------+-----------------------------+
| file      | content                     |
+-----------+-----------------------------+
| cloud.txt | 2022/05/06, Databend, Cloud |
+-----------+-----------------------------+

Snapshot 文件

用于存储 Segment 信息，文件路径 ：

53/133/_ss/efe2687fd1fc48f8b414b5df2cec1e19_v1.json

文件内容：

{
   "format_version":1,
   "snapshot_id":"efe2687f-d1fc-48f8-b414-b5df2cec1e19",
   "prev_snapshot_id":[
      "6450690b-09c4-4993-9a83-268c49c12bb2",
      1
   ],
   
   "segments":[
      [
         "53/133/_sg/df56e911eb26446b9f8fac5acc65a580_v1.json"
      ],
      [
         "53/133/_sg/d0bff902b98846469480b23c2a8f93d7_v1.json"
      ]
   ]
   ... ...
}

Segment 文件

用于存储 Block 相关信息，文件路径：

 53/133/_sg/df56e911eb26446b9f8fac5acc65a580_v1.json

文件内容：

{
   "format_version":1,
   "blocks":[
      {
         "row_count":1,
         "block_size":76,
         "file_size":360,
         "location":[
            "53/133/_b/ba4a60013e27479e856f739aefeadfaf_v0.parquet",
            0
         ],
         "compression":"Lz4Raw"
      }
   ]
   ... ...
}

Block 文件

Fuse Engine 底层数据使用 Parquet 格式，每个文件内部有多个 Block 组成。

小结

Databend Fuse Engine 在早期设计（2021 年 10 月）时候，需求很明确，但方案选型还是经历过一段小曲折。当时，Databend 社区调研了市面上大量的 Table Format 方案（比如 Iceberg 等），当时面临的挑战是基于现有方案还是自己造一套？最终选择研发一套简洁的、适合自己的 Storage Engine，但数据存储格式选择 Parquet 标准。 在 Fuse Engine 里，我们把 Parquet Footer 单独存放，以减少不必要的 Seek 操作，另外增加了一套更加灵活的索引机制，比如 Aggregation，Join 等都可以有自己的索引来进行加速。