微信 ClickHouse 实时数仓的最佳实践
作者：微信WeOLAP团队&腾讯云数据仓库 Clickhouse 团队
微信作为一款国民级应用，已经覆盖了社交、支付、出行等人们生活的方方面面。海量多样化的业务形态，对数据分析提出了新的挑战。为了满足业务数据分析的需求，微信 WeOLAP 团队联手腾讯云，共建千台规模、数据 PB 级、批流一体的 ClickHouse 数据仓库，实现了 10 倍以上的性能提升。下文将由浅入深，为大家揭晓微信在 ClickHouse 实时数仓实践中积累的经验及方法。
一、微信遇到的挑战
一般来说，微信主要的数据分析场景包含以下几个方面：
1.科学探索 ：服务于数据科学家，通过即席查询做业务上的归因推断；
2.看板 ：服务于运营和管理层，展示所关注的核心指标；
3.A/B 实验平台 ：服务于算法工程师，把新的模型，放在 A/B 实验平台上做假设检验，看模型是否符合预期。
除此以外，还有实时监控、日志系统明细查询等场景。
在所有的场景当中，使用者都有非常重要的诉求——快：希望查询响应更快，指标开发更快完成，看板更新更及时。与此同时，微信面临的是海量的数据，业务场景中“单表日增万亿”很常见，这就对下一代“数据分析系统”提出新的挑战。
在使用 ClickHouse 之前，微信使用的是 Hadoop 生态为主的数仓，存在以下这些问题：
1.响应慢 ，基本上是分钟级，可能到小时，导致决策过程长；
2.开发慢 ，由于传统的数仓理念的多层架构，使得更新一个指标的成本很高；
3.架构臃肿 ，在微信业务体量规模的数据下，传统架构很难做到流批一体。进而导致，代码需要写多套、数据结果难以对齐、存储冗余。经过十几年的发展之后，传统的 Hadoop 生态的架构变得非常臃肿，维护难度和成本都很大。
所以，微信一直在寻求更轻量、简单敏捷的方案来解决这些问题。经过一番调研，在百花齐放的 OLAP 产品中，最终选定了 ClickHouse 作为微信 OLAP 的主要核心引擎。主要有两个原因：
1.效率 ：在真实数据的实验场景下，ClickHouse 要比 Hadoop 生态快 10 倍以上(2020 年底测试)；
2.开源 ：微信的 A/B 实验、线上特征等场景会有些个性化需求，需要对引擎内核做较多改动；
因此，微信尝试在 OLAP 场景下，构建基于 ClickHouse 计算存储为核心的“批流一体”数仓。
但是，使用原生的 ClickHouse，在真正放量阶段出现了很多问题：
1.稳定性 ：ClickHouse 的原始稳定性并不好，比如说：在高频写入的场景下经常会出现 too many part 等问题，整个集群被一个慢查询拖死，节点 OOM、DDL 请求卡死都比较常见。另外，由于 ClickHouse 原始设计缺陷，随数据增长的依赖的 zookeeper 瓶颈一直存在，无法很好解决；微信后期进行多次内核改动，才使得它在海量数据下逐步稳定下来，部分 issue 也贡献给了社区。
2.使用门槛较高 ：会用 ClickHouse 的，跟不会用 ClickHouse 的，其搭建的系统业务性能可能要差 3 倍甚至 10 倍，有些场景更需要针对性对内核优化。
二、微信和腾讯云数据仓库共建
此时，腾讯云数据仓库 Clickhouse 团队积极深入业务，主动与微信团队合作，双方开始共同解决上述问题。腾讯云数据仓库 Clickhouse 提供全托管一站式的全面服务，使得微信团队不需要过多关注稳定性问题。另外，双方团队积累了丰富查询优化经验，共享经验更有利于 Clickhouse 性能极致提升。
微信跟腾讯云数据仓库 Clickhouse 的合作，从今年 3 月份开始，在验证期小规模试用 ClickHouse 后，业务一直在快速增长，双方开始共建进行稳定性和性能上的优化。主要做了两件事：一个是建立了整个 ClickHouse OLAP 的生态，另外一个是做了的探索出贴近业务的查询优化方法。
三、共建 ClickHouse OLAP 的生态
要想比较好地解决 ClickHouse 易用性和稳定性，需要生态支撑，整体的生态方案有以下几个重要的部分：
1.QueryServer ：数据网关，负责智能缓存，大查询拦截，限流；
2.Sinker ：离线/在线高性能接入层，负责削峰、hash 路由，流量优先级，写入控频；
3.OP-Manager ：负责集群管理、数据均衡，容灾切换、数据迁移；
4.Monitor ：负责监控报警，亚健康检测，查询健康度分析，可与 Manager 联动；
微信 WeOLAP 团队和腾讯云重点在以下方面进行了合作攻坚：
1.高性能接入 ：微信的吞吐达到了十亿级别，实时接入方面，通过令牌、反压的方案，比较好地解决了流量洪峰的问题。另外通过 Hash 路由接入，使数据落地了之后可直接做 Join，无需 shuffle 实现的更快 Join 查询，在接入上也实现了精确一次。离线同步方案上，微信跟大多数业界的做法基本上一致，在通过预构 Merge 成建成 Part，再送到线上的服务节点，这其实是种读写分离的思想，更便于满足高一致性、高吞吐的场景要求。
2.极致的查询优化 ：ClickHouse 整个的设计哲学，要求在特定的场景下，采用特定的语法，才能得到最极致的性能。为解决 ClickHouse 使用门槛高的问题，微信把相应的优化经验落地到内部 BI 平台上，沉淀到平台后，使得小白用户都可以方便使用 ClickHouse。通过一系列优化手段，在直播、视频号等多个 Case 实现 10 倍以上性能提升。
基于共建的 ClickHouse 生态，在微信有以下的典型应用场景：
1.BI 分析/看板 ：由于科学探索是随机的，很难通过预构建的方式来解决，之前用 Hadoop 的生态只能实现小时到分钟的级别。目前 ClickHouse 优化完之后，在单表万亿的数据量下，大多数的查询，P95 在 5 秒以内。数据科学家现在想做一个验证，非常快就可以实现。
2.A/B 实验平台 ：早期做 A/B 实验的时候，前一天晚上要把所有的实验统计结果，预先聚合好，第二天才能查询实验结果。在单表数据量级千亿 / 天、大表实时 Join 的场景下，微信前后经历了几个方案，实现了近 50 倍的性能提升。从离线到实时分析的飞跃，使得 P95 响应<3S，A/B 实验结论更加准确，实验周期更短 ，模型验证更快。
3.实时特征计算 ：虽然大家普遍认为 ClickHouse 不太擅长解决实时相关的问题，但最终通过优化，可以做到扫描量数十亿，全链路时延<3 秒，P95 响应近 1 秒。
四、性能的显著提升
目前，微信当前规模千台，数据量 PB 级，每天的查询量上百万，单集群 TPS 达到了亿级，而查询耗时均值仅需秒级返回。ClickHouse OLAP 的生态相对于之前的 Hadoop 生态，性能提升了 10 倍以上，通过流批一体提供更稳定可靠的服务，使得业务决策更迅速，实验结论更准确。
五、共建存算分离的云原生数仓
ClickHouse 原始的设计和 Shard-Nothing 的架构，无法很好地实现秒级伸缩与 Join 的场景；因此下一个微信和腾讯云数据仓库 ClickHouse 的共建目标，是实现存算分离的云原生数仓：
1.弹性扩容 ：秒级弹性能力，用户只为使用付费，实现高峰查询更快，低峰成本更省；
2.稳定性 ：无 ZK 瓶颈，读写易分离，异地容灾；
3.易运维 ：数据容易均衡，存储无状态；
4.功能全 ：专注于查询优化与 Cache 策略、支持高效多表 Join；
存算分离的云原生数仓能力，明年将会在腾讯云官网上线，敬请期待！
本文章由微信技术架构部-WeOLAP 团队出品，「WeOLAP」专注于用前沿大数据技术解决微信海量数据高性能查询问题。
