图数据库 Nebula Graph 在 HBaseCon Asia2019 的分享实录
hanfox 2019-11-04
Nebula Graph：一个开源的分布式图数据库。作为唯一能够存储万亿个带属性的节点和边的在线图数据库，Nebula Graph 不仅能够在高并发场景下满足毫秒级的低时延查询要求，还能够实现服务高可用且保障数据安全性。
本篇导读
HBaseCon Asia2019 活动于 2019 年 7 月 20 日于北京金隅喜来登酒店举办，应主办方邀请，Nebula Graph 技术总监-陈恒在活动中发表演讲 “Nebula: A Graph DB based on HBase” 。本篇文章是根据此次演讲所整理出的技术干货，全文阅读需要 30 分钟。
大家下午好，我是陈恒，来自 VESoft，是开源图数据库 Nebula Graph 的开发者。同时，我也是 HBase 的 Commiter（刚才在后面和各位大佬谈笑风生），今天和大家分享的，是我们最近刚开源的分布式图数据库 Nebula Graph。
Nebula Graph 简要介绍
首先，介绍一下我们公司：欧若数网科技有限公司（英文名：VESoft），是 2018 年 10 月份成立的。我们的核心产品是分布式图数据库 Nebula Graph，这个项目从开始到现在，大概做了半年多时间。目前已经 release alpha 版本，还有可以试用的 docker，正式的 release 预计会在 10 月份。
NebulaGraph 是完全开源的，可以在 GitHub 上访问 https://github.com/vesoft-inc/nebula
NoSQL 类数据库的发展趋势
下面我们看一张图，是 DB-Engine 的统计，反映了从 2013 年到今年所有的 NoSQL 类数据库的发展趋势。横轴代表的是时间，纵轴可以认为是受众程度，或者社区里的讨论热烈程度。大家可以看到绿色的线就是图数据库。这些年一共翻了十倍，增长还是非常迅猛的。
图数据库的简要介绍
在座的同事是 HBase 专家，部分可能对于图数据库有些不太了解，我这里简单介绍一下图数据库。它的主要应用场景其实是针对于各种各样的点和边组成的数据集合。
图数据库典型应用场景
举几个例子来讲，典型图数据库的应用场景有以下几个。
社交场景
社交场景是一个我们常见的社交场景，就是好友之间的关系。这个自然而然构成了一张图。比如说：在社交场景里面，做推荐算法。为某个人推荐他的好友。现在典型的方法都是去找好友的好友，然后看好友的好友有没有可能成为新的好友。这里面可能会有各种亲密度关系，以及各种各样的排序。传统来讲，我们可能会利用 MySQL 或者是 HBase 存各种各样的好友关系，然后通过多个 串行的 Key Value 访问来查 。但是真正在线上场景里面的话，是很难满足性能要求的。所以，另外一种做法是利用 离线计算 。把可能的好友关联和推荐都离线计算好。然后，查的时候直接去读已经准备好的数据，但这个问题就在于时效性比较差。对于有一些对于时效性要求比较高的场景，这样是不可以接受的。后面我有一些 case 可以来谈这个事情。
商业关系网络
商业关系网络：数据库的使用场景除了社交网络外，还有商业关系网络也很常见。在金融和风控领域，商业关系其实是很典型的一张图，多个公司之间有贸易往来，公司和银行之间也有往来。比如说一个公司去银行申请贷null款的时候，银行在审查这家公司可能本身没有什么问题，但是这家公司可能控制或者被控制的其他公司，或者整个集团的其他子公司，早已经进入了黑名单，甚至要控制一组相互担保的公司之间的总体贷款额度。这个时候就需要构成一些风控的功能来拒掉这笔贷款。商业关系里面还有人与人之间的转账关系，比如去查一个信用卡反套null现的网络。很典型的一个网络社群就是：A 转账到 B，B 转账到 C，C 又转让回 A 就是一个很典型的一个环。更多的黑产可能会是一个很大的黑产社区。对于这样的闭环，这类查询在图数据库大规模应用之前，大部分都是采用离线计算的方式去找。但是离线场景很难去控制当前发生的这笔交易。例如一个信用卡交易或者在线贷null款，整个作业流程很长，在反套null现这块的审核时间可能只有秒级。这也是图数据库非常大的一个应用场景。
知识图谱
知识图谱：除了商业关系还有一个就是知识图谱。知识图谱这个概念提出来已经很早了，大概是在 2004，2005 年的时候，Google 把自己的 search engine 慢慢的从倒排转到知识图谱上。这样在 search 的时候可以回答一些问题，比如说今天的天气怎么样？比如说现在谁的老婆的外甥的二大爷是谁。根据一些类似于问题式的知识，而不是基于关键字进行 search。知识图谱这几年非常的火，主要的原因就是一些垂直领域，慢慢的发现知识图谱非常的有价值。比如说：在金融领域上会有自己金融领域的知识图谱，结合一些 NLP 技术做大量的财报自动分析，或者像 Kensho 这样的新闻事件驱动自动生成分析报表和投资建议；还可以做一些投资组合，发现一二级市场公司内的关联关系，财务造假或者地方债暴雷造成的风险传播。再比如很多做在线教育的同事可能知道，在线教育的领域里面也有不少知识图谱。比如说有哪些考点，这个题是属于哪些考点，考点之间是怎么关联起来的，做错的考点附近的知识点都需要加强，这样也是一张关系网络。也是图数据库一个广泛应用的场景。
IoT 物联网（Internet of Things）
IoT 物联网（Internet of Things）是目前非常火的。以前，每一个设备都是单纯的 Device，设备和设备之间是没有关系的。但是，物联网的出现打通了这些设备之间的关系。比如：账号和设备都是有绑定关系的，账号和账号之间又有一定的关系，通过这样设备之间也可以建立出一张网络来。
一般来说，图数据库并不是简单的关联关系查询，在图遍历的过程，通常要根据属性做一些计算。所以一个单单的图关联是完全不能满足要求的。举个例子，这是一个股票新闻实时推荐的场景。
大家知道一般散户炒股并不是高频这样事件驱动的，但是他们也会边看新闻边盯着 K线。所以在这个时候要给他们推荐一些什么新闻呢。一般常见的办法是爬虫获得新闻，清洗完毕后，NLP 分词，提取出关键词后，然后跟股票代码关联上。一般根据监管，可能还要加上一些编辑审核和推送。但大家知道中国股市好的时候，是线下口口相传的。所以有个思路是通过好友圈来推荐新闻：首先会去找用户的好友，然后这些好友可能浏览过一些文章，那么根据驻留时间等，好友对这个文章可能会有一个评分，这个评分用 WL 来表示。好友和好友之间也有一定的亲密度，用 WC 表示。这个亲密度可以来源于之前的聊天次数、转账次数等。同一个人到一篇文章之间可能会有多条路径。比如说到第二篇文章，可能会有几十条路径。所以说这么多条路径的权值之和代表了我和这篇文章的之间的评分。最终给用户推荐文章的时候，希望是把所有的计算结果做 Top N。从线上的结果来看，转化效率比其他几种都要高。
图数据库面临的挑战
再回到技术底层，图数据库面临的技术挑战。
低延时高吞吐
一个挑战就是极低的 latency 和极高的 throughput。比如说查寻好友的好友这样的两跳场景，我们的 Nebula Graph 能在十毫秒以内返回，同时能做到单机 10 万的 pps。
大数据量
另外一个挑战就是数据量。一个典型的银行金融图谱，数据量已经可以达到百 T 规模，大概是几十亿个点和千亿条边的规模。当然，如果图本身只是存点 ID 和点 ID 之间的关联关系，这样的数据量千亿级别其实单机也能存储。但是实际上就像刚才说的，光纯点和边是不够的，还需要有很多图属性做分析，这样单机是肯定不够的。另外就是数据量增长的速度相当快，即使今天单机做个 POC 能存下，可能几个月之后又要扩容了。
复杂的商业逻辑
还有一个挑战就是现在越来越复杂的商业逻辑，用传统的数据库去分析，基本上每一个逻辑都要写 Java 代码来完成查询数据。我们希望不要那么依赖于开发人员，分析人员可以像写 SQL 一样，自己可以搞定。
高可用
最后一个挑战就是关于高可用要求。图数据库刚开始出现的时候，基本上就是一个二级索引。相当于只缓存了点和边之间的关系，真正的属性可能是在别的地方（比如 HBase 或者 MySQL 里面）。Data 本身的正确性和高可用都是都是依赖于这些组件的。但随着使用场景越来越多，这样分离的存储方式性能跟不上，自然就希望数据直接放在图数据库里面。那么各种传统数据库和分布式系统要面临的技术问题也要解决。比如数据多副本的强一致性问题，ACID。对于图数据库的要求越来越多，客户更希望作为一个数据库，而不是作为一个索引或者关系 cache。
Nebula Graph 的特点
存储计算分离
对于 Nebula Graph 来讲，有这么几个技术特点：第一个就是采用了存储计算分离的架构。这样架构主要的考虑其实前面几个 Talk大家都已经讨论了很多，主要好处就是为了上云或者说 弹性 ， 方便单独扩容 。上午的 Talk：HBase on Cloud 也有提到，业务水位总是很难预测的，一段时间存储不够了，有些时候计算不够了。在云上或者使用容器技术，计算存储分离的架构运维起来会比较方便，成本也更好控制。大家使用 HBase 那么久，这方面的感触肯定很多。
查询语言 nGQL
Nebula Graph 的第二个技术特点是它的查询语言，我们称为 nGQL，比较接近 SQL。唯一大一点的语法差异就是 不用嵌套 （embedding）。大家都知道嵌套的 SQL，读起来是非常痛苦的，要从里向外读。
支持多种后端存储
第三个特点就是 Nebula Graph 支持多种后端存储，除了原生的引擎外，也支持 HBase。因为很多用户，对 HBase 已经相当熟悉了，并不希望多一套存储架构。从架构上来说，Nebula Graph 是完全对等的分布式系统。
计算下推
和 HBase 的 CoProcessor 一样，Nebula Graph 支持数据计算下推。数据过滤，包括一些简单的聚合运算，能够在存储层就做掉，这样对于性能来讲能提升会非常大。
多租户
多租户，Nebula Graph是通过多 Space 来实现的。Space 是物理隔离。
索引
除了图查询外，还有很常见的一种场景是全局的属性查询。这个和 MySQL 一样，要提升性能的主要办法是为 属性建立索引 ，这个也是 Nebula Graph 原生支持的功能。
图算法
最后的技术特点就是关于图算法方面。这里的算法和全图计算不太一样，更多是一个子图的计算，比如最短路径。大家知道数据库通常有 OLTP 和 OLAP 两种差异很大的场景，当然现在有很多 HTAP 方面的努力。那对于图数据库来说也是类似，我们在设计 Nebula Graph 的时候，做了一些权衡。我们认为全图的计算，比如 Page Rank，LPA，它的技术挑战和 OLTP 的挑战和对应的设计相差很大。我们希望 Nebula Graph 能够在 OLTP 这块提供最好的表现。
Nebula Graph 的架构图
下面为大家介绍 Nebula Graph 的架构图：下图（图1）是基于原生存储的，图3 是基于 HBase 的，有一些不同。
基于原生存储的架构图
这条虚线上面是计算层，下面是存储层。
图 1：基于原生存储的架构图
我们先看下计算层，计算层可以理解为把一个 query 翻译成真正需要的执行计划，产生执行计划之后，到下面存储层拿需要的数据。这和传统数据库非常类似，查询语言也很类似。这里面比较重要的事情是查询优化，除了前面提到的计算下推到存储层外，目前一个主要的实现是并发执行。
查询服务架构图
图 2：Query Service
举个例子，查好友的大于 18 岁的好友，可能好友有很多，没有必要等一度好友都返回后，再去查二度好友。当然应该异步来做，一度好友部分返回后，就立刻开始二度查询。有点类似图计算里面的 BSP 和 ASP。这个优化对提升性能有非常大作用。对于 Storage 层来说，又分为上面的 Storage Engine 和 KV Store。因为 Nebula Graph 是分布式系统，数据是分片的。目前的分片方法是静态哈希，和 HBase 不一样。主要是因为图查询基本都是特定 Prefix 的 Scan，Get 很少。比如一个人的好友这样，就是同一个 prefix 的 scan。每一个数据分片会通过 RAFT 协议来保证数据的强一致。这和 HBase 写到底层 HDFS 也不一样。3 台机器上的 Partition1 组成一个 Raft Group。Storage Engine 做的事情比较简单，就是把图语义的查询请求翻译成 KV 的查询请求。关于图右边的 Meta Service，它的主要作用是 schema 管理和集群管理。Nebula Graph 中的点和边都是有属性和版本的，那每个属性的类型和版本在 MetaService 中统一管理。集群管理主要用于运维和鉴权目的，负责机器上下线和对用户做 ACL。
Nebula Graph 基于 HBase 的架构图
图 3：基于 HBase 的架构图
Nebula Graph 的 HBase 版本略微有些不一样，可以看到虚线往下挪了，Storage Service 嵌入到 Query Engine 里面，这是因为 HBase 是独立的服务，Storage Service 进程可以和 Query Engine 放同一台机器上，直接一对一服务了。另外，因为 HBase 自己有 partition，就没必要再分一次了。
Nebula Graph 的数据模型和 Schema
下面介绍下 Nebula Graph 的数据模型和 Schema（每种标签有一组相对应的属性，我们称之为 schema）。前面说到 Nebula Graph 是有向属性图，点和边都有各自属性。点有点属性，Nebula Graph 里面称为 Tag（类型），点可以有多种类型，或者叫多种 Tag。比如一个点既可以是 Tag Person，有属性姓名、年龄；也是 Tag developer，属性是擅长的语言。Tag 是可以像类一样继承的，一个 Tag 继承自另外一个 Tag。边和点略微有点不一样，一条边只能有一种类型。但是两个点之间可以有多种类型的边。另外，像 TTL 这种功能，Nebula Graph 也是支持的。
Nebula Graph 的数据模型和 Schema
这里需要提一下，对于 HBase 和 Nebula Graph 原生存储来说，Schema Version 处理上是不一样的。HBase 是没有 Schema 的。
强 Schema 最大的好处，是知道这条数据什么时候结束的，一行有多少属性是知道的。所以在根据某个版本号取数据的时候，从某一行跳到下一行，不需要对每个属性都扫描一遍。但如果像 HBase 这样弱 Schema 系统，性能消耗是非常大。但相应的，问题就来了，如果要支持强 Schema，要变更 Schema 怎么办？更改 Schema 在 MySQL 里面，往往要锁表的。对于 Nebula Graph 来说，当更改 Schema 时，并不是在原来的数据上进行更改，而是先插入一个新的 Schema，当然这要求写入数据的时候就要记录版本号。这样的话在读的时候，才能知道要用版本。
再解释一下关于 Key 的设计，点和边的 Key 设计是像上面两行这样，一个点是一个 Key，一条边是两个 Key，这样的目的是把起点和出边存在一起，对端的终点和入边存储在一起。这样在查询的时候，可以减少一次网络。另外，对于 Nebula Graph 原生存储和 HBase 存储，属性采用的存储方式也是不一样的。在 HBase 里面，一个属性放在一个 Column 里面。在原生存储里面，所有属性放在一个 Column 里面。这样设计的主要原因是，如果用户使用 HBase 作为底层存储，其实他更期望 HBase 这张表在别的系统里面也可以用，所以说我们考虑把它打散开了。
Nebula Graph 查询语言 nGQL
最后讲一下我们的 Query Language：nGQL
我们说它比较类似 SQL，比如说看这个例子，从某一个点开始向外拓展，用 nGQL 来写就是，GO FROM $id，起始点，然后 OVER edge，沿着某条边，还可以设置一些过滤条件，比如说，从这个点出发，沿着我的好友边，然后去拿，里面年龄大于十八岁的。
那要返回哪些属性？可以用 YIELD，比如说年龄，家庭住址。前面提到，不希望嵌套，嵌套太难读了，所以作为替代， Nebula Graph 用 PIPE 管道。前一条子查询的结果，PIPE 给第二条，然后第二条可以 PIPE 给第三条。这样从前往后读起来，和我们人的思考顺序是一样的。但是管道只解决了一个输入源的问题。
多个输入源的时候怎么办？Nebula Graph 还支持定义某个变量，这个和存储过程有点像。像上面这样，把 $var 定义成一个子查询的结果，再把这个结果拿去给其他子查询使用。还有种很常见的查询是全局匹配，这个和 SQL 里面的 SELECT … FROM … WHERE 一样，它要找到所有满足条件的点或者边。我们这里暂时取名叫做 FIND。大家要是觉得其他名字好也可以在 GitHub 上给我们提 issue。
最后就是一些 UDF，用户自己写的函数，有些复杂的逻辑用 SQL 可能不好描述，Nebula Graph 也希望支持让用户自己写一些代码。因为我们代码是 C++ 写的，再考虑到用户群体，做数据分析用 Python 比较多，我们考虑先支持 C++ 和 Python。
Q&A
现场参会者提问：你们这个架构是 TinkerPop 的实现嘛？区别在哪里？
陈恒的回复如下：
不是的。我们是完全自研的。首先我们查询语法并不是 Gremlin 那样命令式的，而是更接近 SQL 这种描述式的。可以说下我们的思考，我们主要考虑了查询优化的问题。你知道像 Gremlin 那样的命令式语言，query 是 .in() .out() 这样一步步组成的，所以查询引擎只能按照给定的命令一步步把数据捞上来，每次序列化速度都很慢的，像 Titan 那样。我们的测试结果应该有几十倍的性能差距。另外既然用户每步指令是明确的，查询引擎要做优化很难，要非常智能推测出用户整一串指令的最终期望才能优化，这样难度比较高。这个有点像编译器的优化，优化错就很麻烦了。我们希望像 SQL 这样描述式的，用户说明最终目的就行，怎么处理交给执行引擎来优化，这样做优化比较容易完善，可借鉴的算法也比较多。当然也和我们以 C++ 做开发语言有关。我们也有想过做 Gremlin 和 nGQL 之间的 driver，主要看社区，欢迎给我们提 issue
上面就是本次 Nebula Graph 参会 HBaseCon Asia2019 的全部内容，最后和大家再说下 Nebula Graph 是完全开源的项目，对于图数据库比较感兴趣的同学可以加 wechat 讨论群，或者在 GitHub 上提 Issue，也欢迎大家给我们支持 star 项目。
Nebula Graph：一个开源的分布式图数据库。GitHub：https://github.com/vesoft-inc/nebula
