主流开源分布式图数据库 Benchmark

本文由美团 NLP 团队高辰、赵登昌撰写首发于 Nebula Graph 官方论坛：https://discuss.nebula-graph.com.cn/t/topic/1377html

1. 前言

近年来，深度学习和知识图谱技术发展迅速，相比于深度学习的“黑盒子”，知识图谱具备很强的可解释性，在搜索推荐、智能助理、金融风控等场景中有着普遍的应用。美团基于积累的海量业务数据，结合使用场景进行充分地挖掘关联，逐步创建起包括美食图谱、旅游图谱、商品图谱在内的近十个领域知识图谱，并在多业务场景落地，助力本地生活服务的智能化。node

为了高效存储并检索图谱数据，相比传统关系型数据库，选择图数据库做为存储引擎，在多跳查询上具备明显的性能优点。当前业界知名的图数据库产品有数十款，选型一款可以知足美团实际业务需求的图数据库产品，是建设图存储和图学习平台的基础。咱们结合业务现状，制定了选型的基本条件：git

开源项目，对商业应用友好
- 拥有对源代码的控制力，才能保证数据安全和服务可用性。
支持集群模式，具有存储和计算的横向扩展能力
- 美团图谱业务数据量能够达到千亿以上点边总数，吞吐量可达到数万 qps，单节点部署没法知足存储需求。
可以服务 OLTP 场景，具有毫秒级多跳查询能力
- 美团搜索场景下，为确保用户搜索体验，各链路的超时时间具备严格限制，不能接受秒级以上的查询响应时间。
具有批量导入数据能力
- 图谱数据通常存储在 Hive 等数据仓库中。必须有快速将数据导入到图存储的手段，服务的时效性才能获得保证。

咱们试用了 DB-Engines 网站上排名前 30 的图数据库产品，发现多数知名的图数据库开源版本只支持单节点，不能横向扩展存储，没法知足大规模图谱数据的存储需求，例如：Neo4j、ArangoDB、Virtuoso、TigerGraph、RedisGraph。通过调研比较，最终归入评测范围的产品为：NebulaGraph（原阿里巴巴团队创业开发）、Dgraph（原 Google 团队创业开发）、HugeGraph（百度团队开发）。github

2. 测试概要

2.1 硬件配置

数据库实例：运行在不一样物理机上的 Docker 容器。
单实例资源：32 核心，64GB 内存，1TB SSD 存储。【Intel(R) Xeon(R) Gold 5218 CPU @ 2.30GHz】
实例数量：3

2.2 部署方案

Nebula v1.0.1

Metad 负责管理集群元数据，Graphd 负责执行查询，Storaged 负责数据分片存储。存储后端采用 RocksDB。redis

实例 1	实例 2	实例 3
Metad	Metad	Metad
Graphd	Graphd	Graphd
Storaged[RocksDB]	Storaged[RocksDB]	Storaged[RocksDB]

Dgraph v20.07.0

Zero 负责管理集群元数据，Alpha 负责执行查询和存储。存储后端为 Dgraph 自有实现。数据库

实例 1	实例 2	实例 3
Zero	Zero	Zero
Alpha	Alpha	Alpha

HugeGraph v0.10.4

HugeServer 负责管理集群元数据和查询。HugeGraph 虽然支持 RocksDB 后端，但不支持 RocksDB 后端的集群部署，所以存储后端采用 HBase。后端

实例1	实例2	实例3
HugeServer[HBase]	HugeServer[HBase]	HugeServer[HBase]
JournalNode	JournalNode	JournalNode
DataNode	DataNode	DataNode
NodeManager	NodeManager	NodeManager
RegionServer	RegionServer	RegionServer
ZooKeeper	ZooKeeper	ZooKeeper
NameNode	NameNode[Backup]	-
-	ResourceManager	ResourceManager[Backup]
HBase Master	HBase Master[Backup]	-

3. 评测数据集

社交图谱数据集：https://github.com/ldbc011
- 生成参数：branch=stable, version=0.3.3, scale=1000
- 实体状况：4 类实体，总数 26 亿
- 关系状况：19 类关系，总数 177 亿
- 数据格式：csv
- GZip 压缩后大小：194 G

4. 测试结果

4.1 批量数据导入

4.1.1 测试说明

批量导入的步骤为：Hive 仓库底层 csv 文件 -> 图数据库支持的中间文件 -> 图数据库。各图数据库具体导入方式以下：缓存

Nebula：执行 Spark 任务，从数仓生成 RocksDB 的底层存储 sst 文件，而后执行 sst Ingest 操做插入数据。
Dgraph：执行 Spark 任务，从数仓生成三元组 rdf 文件，而后执行 bulk load 操做直接生成各节点的持久化文件。
HugeGraph：支持直接从数仓的 csv 文件导入数据，所以不须要数仓-中间文件的步骤。经过 loader 批量插入数据。

4.1.2 测试结果

4.1.3 数据分析

Nebula：数据存储分布方式是主键哈希，各节点存储分布基本均衡。导入速度最快，存储放大比最优。
Dgraph：原始 194G 数据在内存 392G 的机器上执行导入命令，8.7h 后 OOM 退出，没法导入全量数据。数据存储分布方式是三元组谓词，同一种关系只能保存在一个数据节点上，致使存储和计算严重偏斜。
HugeGraph：原始 194G 的数据执行导入命令，写满了一个节点 1,000G 的磁盘，形成导入失败，没法导入全量数据。存储放大比最差，同时存在严重的数据偏斜。

4.2 实时数据写入

4.2.1 测试说明

向图数据库插入点和边，测试实时写入和并发能力。
- 响应时间：固定的 50,000 条数据，以固定 qps 发出写请求，所有发送完毕即结束。取客户端从发出请求到收到响应的 Avg、p9九、p999 耗时。
- 最大吞吐量：固定的 1,000,000 条数据，以递增 qps 发出写请求，Query 循环使用。取 1 分钟内成功请求的峰值 qps 为最大吞吐量。

插入点

Nebula

INSERT VERTEX t_rich_node (creation_date, first_name, last_name, gender, birthday, location_ip, browser_used) VALUES ${mid}:('2012-07-18T01:16:17.119+0000', 'Rodrigo', 'Silva', 'female', '1984-10-11', '84.194.222.86', 'Firefox')

Dgraph

{
    set {
        <${mid}> <creation_date> "2012-07-18T01:16:17.119+0000" .
        <${mid}> <first_name> "Rodrigo" .
        <${mid}> <last_name> "Silva" .
        <${mid}> <gender> "female" .
        <${mid}> <birthday> "1984-10-11" .
        <${mid}> <location_ip> "84.194.222.86" .
        <${mid}> <browser_used> "Firefox" .
    }
}

HugeGraph

g.addVertex(T.label, "t_rich_node", T.id, ${mid}, "creation_date", "2012-07-18T01:16:17.119+0000", "first_name", "Rodrigo", "last_name", "Silva", "gender", "female", "birthday", "1984-10-11", "location_ip", "84.194.222.86", "browser_used", "Firefox")

插入边

Nebula

INSERT EDGE t_edge () VALUES ${mid1}->${mid2}:();

Dgraph

{
    set {
        <${mid1}> <link> <${mid2}> .
    }
}

HugeGraph

g.V(${mid1}).as('src').V(${mid2}).addE('t_edge').from('src')

4.2.2 测试结果

实时写入

4.2.3 数据分析

Nebula：如 4.1.3 节分析所述，Nebula 的写入请求能够由多个存储节点分担，所以响应时间和吞吐量均大幅领先。
Dgraph：如 4.1.3 节分析所述，同一种关系只能保存在一个数据节点上，吞吐量较差。
HugeGraph：因为存储后端基于 HBase，实时并发读写能力低于 RocksDB（Nebula）和 BadgerDB（Dgraph），所以性能最差。

4.3 数据查询

4.3.1 测试说明

以常见的 N 跳查询返回 ID，N 跳查询返回属性，共同好友查询请求测试图数据库的读性能。
- 响应时间：固定的 50,000 条查询，以固定 qps 发出读请求，所有发送完毕即结束。取客户端从发出请求到收到响应的 Avg、p9九、p999 耗时。
  - 60s 内未返回结果为超时。
- 最大吞吐量：固定的 1,000,000 条查询，以递增 qps 发出读请求，Query 循环使用。取 1 分钟内成功请求的峰值 qps 为最大吞吐量。
- 缓存配置：参与测试的图数据库都具有读缓存机制，默认打开。每次测试前均重启服务清空缓存。

N 跳查询返回 ID

Nebula

GO ${n} STEPS FROM ${mid} OVER person_knows_person

Dgraph

{
 q(func:uid(${mid})) {
   uid
   person_knows_person { #${n}跳数 = 嵌套层数
     uid
   }
 }
}

HugeGraph

g.V(${mid}).out().id() #${n}跳数 = out()链长度

N 跳查询返回属性

Nebula

GO ${n} STEPS FROM ${mid} OVER person_knows_person YIELDperson_knows_person.creation_date, $$.person.first_name, $$.person.last_name, $$.person.gender, $$.person.birthday, $$.person.location_ip, $$.person.browser_used

Dgraph

{
  q(func:uid(${mid})) {
    uid first_name last_name gender birthday location_ip browser_used
    person_knows_person { #${n}跳数 = 嵌套层数
      uid first_name last_name gender birthday location_ip browser_used
    }
  }
}

HugeGraph

g.V(${mid}).out()  #${n}跳数 = out()链长度

共同好友查询语句

Nebula

GO FROM ${mid1} OVER person_knows_person INTERSECT GO FROM ${mid2} OVER person_knows_person

Dgraph

{
  var(func: uid(${mid1})) {
    person_knows_person {
      M1 as uid
    }
  }
  var(func: uid(${mid2})) {
    person_knows_person {
      M2 as uid
    }
  }
  in_common(func: uid(M1)) @filter(uid(M2)){
    uid
  }
}

HugeGraph

g.V(${mid1}).out().id().aggregate('x').V(${mid2}).out().id().where(within('x')).dedup()

4.3.2 测试结果

N 跳查询返回 ID

N 跳查询返回属性

单个返回节点的属性平均大小为 200 Bytes。安全

共同好友本项未测试最大吞吐量。

4.3.3 数据分析

在 1 跳查询返回 ID「响应时间」实验中，Nebula 和 DGraph 都只须要进行一次出边搜索。因为 DGraph 的存储特性，相同关系存储在单个节点，1 跳查询不须要网络通讯。而 Nebula 的实体分布在多个节点中，所以在实验中 DGraph 响应时间表现略优于 Nebula。
在 1 跳查询返回 ID「最大吞吐量」实验中，DGraph 集群节点的 CPU 负载主要落在存储关系的单节点上，形成集群 CPU 利用率低下，所以最大吞吐量仅有 Nebula 的 11%。
在 2 跳查询返回 ID「响应时间」实验中，因为上述缘由，DGraph 在 qps=100 时已经接近了集群负载能力上限，所以响应时间大幅变慢，是 Nebula 的 3.9 倍。
在 1 跳查询返回属性实验中，Nebula 因为将实体的全部属性做为一个数据结构存储在单节点上，所以只须要进行【出边总数 Y】次搜索。而 DGraph 将实体的全部属性也视为出边，而且分布在不一样节点上，须要进行【属性数量 X * 出边总数 Y】次出边搜索，所以查询性能比 Nebula 差。多跳查询同理。
在共同好友实验中，因为此实验基本等价于 2 次 1 跳查询返回 ID，所以测试结果接近，再也不详述。
因为 HugeGraph 存储后端基于 HBase，实时并发读写能力低于 RocksDB（Nebula）和 BadgerDB（Dgraph），所以在多项实验中性能表现均落后于 Nebula 和 DGraph。

5. 结论

参与测试的图数据库中，Nebula 的批量导入可用性、导入速度、实时数据写入性能、数据多跳查询性能均优于竞品，所以咱们最终选择了 Nebula 做为图存储引擎。微信

6. 参考资料

NebulaGraph Benchmark：https://discuss.nebula-graph.com.cn/t/topic/782
NebulaGraph Benchmark 微信团队：https://discuss.nebula-graph.com.cn/t/topic/1013
DGraph Benchmark：https://dgraph.io/blog/tags/benchmark/
HugeGraph Benchmark：https://hugegraph.github.io/hugegraph-doc/performance/hugegraph-benchmark-0.5.6.html
TigerGraph Benchmark：https://www.tigergraph.com/benchmark/
RedisGraph Benchmark：https://redislabs.com/blog/new-redisgraph-1-0-achieves-600x-faster-performance-graph-databases/

本次性能测试系美团 NLP 团队高辰、赵登昌撰写，若是你对本文有任意疑问，欢迎来原贴和做者交流：https://discuss.nebula-graph.com.cn/t/topic/1377